JP5397525B1 - 真空調圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】真空調圧用バルブの弁開度が全開状態に達しても所要の排気速度に達しない状態に陥る異常の検知を、コントローラにおいて、真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差の監視により継続的に行う真空調圧システムを提供する。
【解決手段】弁部材１５により弁座１４を開閉する弁主体部１に、弁部材を開閉操作する受圧部材（ピストン１６）を有する流体圧駆動部２と、弁部材の開度を設定する弁開度調節部３と、流体圧駆動部にパイロット流体を給排する電磁弁装置６と、弁部材の開度を制御するコントローラとを備える。コントローラは、真空チャンバ７が所定の目標圧力になるように受圧部材の位置制御で弁部材の開度を制御する機能を有し、また、圧力センサー７０によって得られる真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差を監視し、その差が設定した許容範囲を逸脱した場合を異常として報知する機能を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、理化学機械等において化学反応用の真空チャンバの減圧などに使用する真空調圧システムに関するものである。

例えば、半導体の製造装置においては理化学処理が真空チャンバ内で行われ、このとき真空チャンバを減圧する真空ポンプと該真空チャンバとを結ぶ流路の開閉には真空調圧用バルブが用いられ、通常は、真空チャンバ内でパーティクルが飛散するのを抑止するために、該バルブの開度をコントローラで漸次開放するように制御して真空調圧システムが形成される。

この真空調圧用バルブは、例えば、特許文献１に開示されているように、真空チャンバと真空ポンプに接続するための二つのメインポートを結ぶ流路中に弁座が設けられたバルブハウジング内に、上記弁座を開閉する弁部材と、この弁部材に連結され、バルブハウジングを通してその軸線方向に延出することにより、先端が流体圧駆動部に達する弁シャフトと、上記弁部材を弁座の閉鎖方向に向けて付勢する復帰ばねとを有する弁主体部、及び、上記弁シャフトの先端に取り付けられた受圧部材を、上記弁部材にそれを開放する方向のパイロット流体圧を作用させる受圧室内に設け、この受圧室にパイロット流体を給排するためのパイロットポートを接続した上記流体圧駆動部を有していて、上記コントローラにより上記受圧部材の位置制御を行って上記弁部材の弁開度を調整し、真空チャンバ内の真空圧力を緩慢な速度で低下させるように調整するものである。

しかしながら、この種の真空調圧システムでは、真空チャンバその他の真空系におけるリークや配管の詰まりなどの異常がある場合、制御された所定の弁開度では所期の排気速度を維持できなくなり、その場合には、真空チャンバの圧力を検出する圧力センサーの出力と外部からの設定圧力或いはその排気速度変化等の制御指令の信号との比較に基づき、上記コントローラにおいて、弁開度を更に開く方向にフィードバック制御が働くようにしているが、上記異常があると、真空チャンバの圧力が低下しないので、上記フィードバック制御により遂には弁開度が最大に達し、全開状態となっても所望の排気速度に達しないという状態に陥ることになる。そして、この状態は、何らかの異常検知手段をコントローラに設けなければ、システムの異常を早期に検知できず、真空調圧用バルブが全開状態でチャンバからの高温になったガスを真空ポンプで吸引し続けると、配管部が損傷したり、更には真空ポンプが破壊するに至り、システムの復旧に多大の時間と費用が必要になる。

このような問題を避けるために、特許文献２に開示されている真空圧力制御システムにおいては、弁の開度が設定された所定の開度に到達したときに、真空容器内に設けた圧力センサーの出力が予め設定された所定値より大きいと、該真空容器の密閉状態に異常が発生していると判断し、システムの異常を早期に検知できるようにしている。
しかしながら、該特許文献２に記載の真空圧力制御システムで行う判断は、弁の開度が設定されたピンポイントの開度に到達したときの正常ないし異常の判断であり、排気が継続的に正常に行われているか否かを判断できるものではない。しかも、上記ピンポイントの開度とそれに相関した圧力値の設定については、経験的な要素を多分に含むものであってそれらについての適正な値を簡易に設定することができず、更に開度の経時的な変化までは捉えようがないものである。

特開２００７−１４６９０８号公報 特開２００６−１８７６７号公報

本発明の技術的課題は、上記真空調圧用バルブの弁開度が、システムの何らかの異常により全開状態に達しても、上記真空チャンバ内が所要の排気速度に達しない状態に陥るのを避けるための異常の検知を、上記真空調圧用バルブの開度を制御するコントローラにおいて、真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差を逐次検知することによって行い、それに基づいて、制御している弁開度では所要の排気速度の維持が困難であると判断された場合に、システムに異常があるとして報知するようにし、経時的な異常の判断を容易確実に報知可能にした真空調圧システムを提供することにある。

また、上記特許文献１に開示の真空調圧システムにおいては、後述する本発明の実施例と同様に、弁部材１５を開閉操作する流体圧駆動部２のピストン１６に弁部材１５の開度を設定するための弁開度調節部３において、該ピストン１６に調整部材４１の先端を対向または当接させるに当たり、電動モータ４５の回転を直動に変換して該調整部材４１の位置決めを行うが、その際、復帰ばね２３の作用力や弁部材１５に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力を、ピストン１６に作用するパイロット空気圧で相殺することにより、ピストン１６と調整部材４１とを常にほぼ一定の力で当接させ、それにより、電動モータとして上記作用力に対抗する駆動力を持たない小型のものを使用可能にしている。

上記構成は、上記調整部材４１を駆動する電動モータ４５の出力を小さくできるので、弁開度調節部３の小型化及び応答性の改善において有効なものではあるが、本発明者は、その構成によって排気速度を真空引きの設定速度に極めて近い値に制御することができ、それによって、真空チャンバの排気をほぼ直線的にスムーズに低下させ得ることを確認している。即ち、図５は上記構成により下記設定速度で真空引きした場合における排気速度（右縦座標軸）及び真空チャンバの圧力（左縦座標軸）をモニタした結果（排気特性）を示すもので、同図の曲線Ａ１は、排気の設定速度を１Torr/sとした場合について、同曲線Ａ２は、同設定速度を２Torr/sとした場合についての排気速度のモニタ結果を示し、また、同図の曲線Ｂ１及びＢ２は、排気の設定速度を１Torr/sとした場合、及び同２Torr/sとした場合において、真空チャンバの圧力の変化をモニタした結果を示している。これらの計測結果によれば、上記構成により排気速度を比較的正確に常にほぼ一定範囲に制御でき、それによって、真空チャンバの圧力をほぼ直線的に降下させ得ることがわかる。

本発明の他の技術的課題は、かかる知見に基づくものであって、真空調圧用バルブに上記電動モータで弁部材の開度を設定するための調整部材の位置決めを行う弁開度調節部の構成を付加することにより、排気速度を真空引きの設定速度に応じて比較的正確に、つまり、常にほぼ一定範囲に制御でき、そのため、排気速度の設定値に対して上記弁開度調節部の性能に応じた許容範囲（例えば、設定速度の±５０％）を付し、排気速度がその範囲を逸脱し、或いは弁開度等のそれに相応する許容範囲を逸脱した場合を異常と判断させ、これによって、非常に簡易な手段で正確に上記異常を報知できるようにした真空調圧システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、真空チャンバと真空ポンプとの間に接続するための流路中に弁座が設けられたバルブハウジング内に、上記弁座を開閉する弁部材と、この弁部材に連結されて、上記バルブハウジングを通してその軸線方向に延出し、先端が流体圧駆動部に達する弁シャフトと、上記弁部材を弁座の閉鎖方向に向けて付勢する復帰ばねとを有する弁主体部、及び、上記弁シャフトの先端に取り付けられた受圧部材を、上記弁部材を開放する方向の流体圧を作用させる受圧室に設け、この受圧室にパイロット流体を給排するためのパイロットポートを設けた上記流体圧駆動部を備えることにより、真空調圧用バルブが構成され、上記真空調圧用バルブに、受圧室のパイロットポートにパイロット流体を給排する電磁弁装置を接続すると共に、上記弁部材の位置を検出する位置センサーの出力信号、真空チャンバの圧力センサーによって検出される真空圧力の出力信号、及び外部から入力される制御指令に基づいて、上記電磁弁装置の駆動を制御するコントローラを付設することにより構成される真空調圧システムにおいて、該コントローラに次のような機能を持たせたことを特徴とするものである。

即ち、上記コントローラに、上記真空ポンプにより排気する真空チャンバの圧力設定値及び真空引きの速度情報を保有させ、該コントローラに、排気制御の各制御周期において、上記真空チャンバが上記圧力設定値及び真空引きの速度情報に基づいて得られる目標圧力になるように、上記受圧部材の位置制御により弁部材の開度をフィードバック制御する機能を持たせると共に、該コントローラに、上記各制御周期において、上記圧力センサーによって得られる真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差を検知し、それが該目標圧力値に対して設定した許容範囲を逸脱した場合を異常として報知する機能を付与したものとして構成される。

本発明に係る真空調圧システムの好ましい実施形態においては、上記コントローラに、真空チャンバの真空引きにより該真空チャンバに圧力変化が生じたことを確認する監視時間の経過後に、上記排気制御の周期的動作を開始するように制御する機能を具備させ、また、上記コントローラに、上記真空ポンプによる真空引きの速度情報として、設定速度と設定加速度とを保有させ、排気制御の周期的動作開始直後に、上記設定加速度により各制御周期における真空圧力の変化の速度を緩慢に増加させ、真空チャンバの真空引き動作が穏やかに開始される加速度制御領域を経て、真空圧力の変化速度が上記設定速度に達した後にその設定速度を維持するように制御する制御機能を具備させたものとして構成することができる。

本発明に係る真空調圧システムの他の好ましい実施形態においては、上記真空調圧用バルブにおいて、受圧部材の背後に当接して該受圧部材の停止位置の位置決めをする調整部材と、該調整部材を回転−直動変換機構を介して任意の位置まで無段階に前後進駆動する電動モータとを有する弁開度調節部を備え、上記コントローラに、上記制御指令に基づいて電動モータに必要な駆動電流を供給し、上記電動モータの回転量を検出するエンコーダの出力によって与えられる調整部材の位置が指定の位置になるように、上記電動モータ及び上記電磁弁装置の駆動を制御して、上記調整部材の位置制御をする機能を持たせたものとして構成される。

また、本発明に係る真空調圧システムの他の好ましい実施形態においては、上記電動モータに、その回転負荷を検出する負荷検出手段を付設し、上記コントローラが上記調整部材の位置制御を行うに当たり、該負荷検出手段の出力によって与えられる上記調整部材と受圧部材との押付け力に応じた電動モータの回転負荷が、設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検知し、それが当該上下限値間を逸脱する場合に、受圧部材と調整部材とを当該上下限値間の力で押付けるためのパイロット流体圧を上記受圧室に供給するように制御信号を電磁弁装置に出力するパイロット流体圧制御を行い、それによって、上記受圧部材と調整部材とを上記上下限値間の力で押付けた状態で電動モータを動作させる機能を上記コントローラに付与したものとすることができる。この場合に、上記パイロット流体圧制御において発生させるパイロット流体圧が、前記復帰ばねの作用力、弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力、及び、上記調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力との和に相当する押付け力を発生させるものとして設定されるのが望ましい。

更に、本発明に係る真空調圧システムは、上記パイロット流体圧制御に代わる簡便的な手段として、予め求めた前記復帰ばねの作用力、弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力、及び調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力を、上記受圧部材の位置との関連において関数化して上記コントローラに保有させておき、上記コントローラに、上記調整部材の位置制御を行うに当たって、上記関数化されたところに基づいて得られる受圧部材の位置に応じた流体圧を、電磁弁装置から上記流体圧駆動部の受圧室へパイロット流体圧として出力するように、該電磁弁装置に対して制御信号を出力させる機能をもたせたものとすることができる。

上記構成を有する本発明の真空調圧システムにおいては、コントローラに対して真空チャンバの真空圧力についての圧力設定値及び真空引きの速度情報が与えられ、それに基づいてコントローラから調整部材を所定の位置まで駆動するための駆動電流が電動モータに送られると、該モータが駆動されて、それに付設したエンコーダから調整部材の位置に対応する信号がコントローラにフィードバックされ、常に指定された位置で該モータが止まるようにサーボ機構が動作する。

一方、上記コントローラは、流体圧駆動部におけるピストン等の受圧部材とその位置決めを行う調整部材とを、常にほぼ一定の力で押付けた状態で該受圧部材を動作させるために、上記調整部材の位置によって決まる受圧部材の位置に応じて、〔復帰ばねの作用力＋弁部材等に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力＋調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力〕に対抗する力を発生させるパイロット流体圧を受圧室に供給するように、コントローラから電磁弁装置に制御信号が出力される。

これにより、受圧部材は上記パイロット流体圧で調整部材にほぼ一定の力で押付ける位置まで駆動され、上記バイアス分の力で常に調整部材に押付けられることになる。このことは、復帰ばねの作用力及び弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力を、受圧部材に作用するパイロット空気圧で相殺することにより、電動モータがそれらの作用力に対抗する駆動力を持たなくてもよく、電動モータとしてわずかな力が出力できる小型のものを使用することを可能にするものである。
また、上記コントローラは、上記受圧部材と調整部材とを常にほぼ一定のバイアス分の力で押付けた状態で受圧部材を動作させるように制御するため、電動モータに付設して該電動モータの回転量を検出するエンコーダを、バルブの開度を決定するところの受圧部材位置を検出する位置センサーとして機能させることができる。

更に、上記真空調圧システムにおいては、流体圧駆動部の受圧室に供給されるパイロット流体の圧力によって調整部材への受圧部材の押付け力は変化するが、電動モータが駆動されると、その押付け力に応じて電動モータの負荷検出手段（駆動電流の検知手段）で検出される回転負荷が増減するので、コントローラにおいて、電動モータに与える駆動電流が設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検出し、それが当該上下限値間の範囲を逸脱する場合には、電磁弁装置を作動させる信号がコントローラより出力され、該電磁弁装置において、〔復帰ばねの作用力＋弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力＋調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力〕に対抗する力を発生させるパイロット流体圧が受圧室に供給され、受圧部材と調整部材とが常に略一定の力で押付けられる。

また、上記パイロット流体圧の制御に代わる前述の簡便的な手段として、予め前記復帰ばねの作用力、弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力を測定しておき、受圧部材の位置と上記作用力の関係を関数化してコントローラに保有させるようにすると、弁部材の位置に応じて受圧室へ供給するパイロット流体圧を一意に決定することができ、そのため、電動モータに与える駆動電流が設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検出するのを省略することができる。

また、システムの何らかの異常により、上記真空調圧用バルブの弁開度が制御不能な状態になったとしても、上記真空調圧用バルブの開度を制御するコントローラにおいて、真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差の増大を逐次検知し、その差が許容範囲を逸脱して、所要の排気速度の維持が困難であると判断された場合には、上記真空チャンバ内の排気速度或いは弁部材の開度等が異常であることを報知するようにしているので、簡易な手段で経時的に異常状態の判断を確実に行って報知させることができる。

以上に詳述した本発明の真空調圧システムによれば、システムの何らかの異常により上記真空調圧用バルブの弁開度が全開状態等に達した場合には、その異常をコントローラにおいて簡易に検知して、システムに異常があることを報知させることができる。
特に、上記受圧部材と調整部材との押付け力に応じた上記電動モータの回転負荷が、設定された上限値と下限値の間にあるようにするための電磁弁装置へのパイロット流体圧制御により、排気速度をほぼ一定範囲に制御できるという前記知見に基づいて、真空調圧用バルブに上記電動モータで調整部材の位置決めを行う上記弁開度調節部を付加した場合には、排気速度を真空引きの設定速度に対して比較的正確に制御でき、そのため、排気速度の設定値に対して上記弁開度調節部の性能に応じた許容範囲を付し、排気速度等がその範囲を逸脱した場合を異常と判断させることによって、非常に簡易な手段で正確に上記異常を報知可能にすることができる。また、予め復帰ばね等の作用力の測定結果に基づいて関数化した情報により、弁部材の位置に応じて受圧室に供給するパイロット流体圧を一意に決定する場合にも、同様に非常に簡易な手段で上記異常を報知させることができる。

本発明に係る真空調圧システムにおける真空調圧用バルブの構成を示し、左半は弁部材の閉弁状態を、右半は同開弁状態を示す断面図である。 本発明に係る真空調圧システムの構成図である。 本発明における真空圧力の変化の制御について説明するための模式的説明図である。 本発明に係る真空調圧システムの排気制御及び排気の異常の検知例について説明するための、真空チャンバの圧力と弁開度の時間的変動について示すグラフである。 本発明における真空調圧用バルブの実施例について、その排気特性（排気速度及び真空チャンバの圧力）をモニタした結果の一例を示すグラフである。

図１は、本発明に係る真空調圧システムにおいて用いる真空調圧用バルブの代表的な実施形態を、図２は該真空調圧用バルブを含む真空調圧システムの全体的な構成例を示している。
この真空調圧用バルブは、第１及び第２のメインポート１１，１２間の流路１３を開閉する弁部材１５を備えた弁主体部１と、上記弁部材１５を開閉操作するピストン（受圧部材）１６を備えた流体圧駆動部２と、上記弁部材１５の開度を設定する弁開度調節部３とを備え、この真空調圧用バルブに、図２に示すように、上記流体圧駆動部２にパイロット流体を給排する電磁弁装置６と、制御指令や、後述する電動モータ４５の負荷及び上記ピストン１６の位置の情報等が入力され、それらに基づいて上記弁部材１５の開度を制御するコントローラとを接続している。

更に具体的に説明すると、上記弁主体部１における中空のバルブハウジング１０には、図１及び図２に示すように、真空チャンバ７に接続するための第１のメインポート１１と真空ポンプ８に接続するための第２のメインポート１２とが設けられ、バルブハウジング１０の内部には、上記両メインポート１１，１２を結ぶ流路１３が形成されると共に、この流路１３に連通する上記第１のメインポート１１の開口部１１ａの回りに弁座１４が形成されている。

また、上記バルブハウジング１０の内部には、上記弁座１４を開閉するポペット式の上記弁部材１５が弁座１４と同心に設けられ、この弁部材１５の外周部には、弁座１４に接離するゴム弾性材からなる弁シール部材１７が取り付けられている。上記弁部材１５の背面には弁シャフト２０が取り付けられているが、この弁シャフト２０はバルブハウジング１０の内部を中心軸線に沿って延び、該バルブハウジング１０における第１のメインポート１１とは反対側に同軸に連接されたシリンダハウジング３０の隔壁３１を貫通して、先端が流体圧駆動部２の内部に延出し、該シリンダハウジング３０内のピストン１６に連結されている。更に、上記弁部材１５の背面に設けたばね座２２と上記隔壁３１に当接する座板３２との間に、上記弁部材１５を弁座１４の閉鎖方向に付勢するコイル状の復帰ばね２３が設けられ、上記弁部材１５の背面には、上記弁シャフト２０及び復帰ばね２３の回りを取り囲むように、伸縮自在のベローズ２４が設けられ、これにより弁シャフト２０を流路１３から隔離している。

上記流体圧駆動部２におけるシリンダハウジング３０は、上記隔壁３１を一体に備えると共に内部にシリンダ孔３３を有し、該シリンダ孔３３の内部に上記ピストン１６がシール部材３４を介して摺動自在に収容され、該ピストン１６と隔壁３１との間に受圧室３７が形成され、この受圧室３７が、上記シリンダハウジング３０の側面に開口するパイロットポート３８に接続され、ピストン１６の他面側の室３９は外部に開放している。

上記真空調圧用バルブにおいては、上記流体圧駆動部２における弁シャフト２０をその先端に取り付けたピストン１６によって駆動するようにしているが、該流体圧駆動部２はシリンダ孔３３内にピストン１６を摺動自在に挿嵌した構成に限るものではなく、該ピストン１６に代えてベロフラムやベローズ等の受圧部材を設け、該受圧部材により上記弁部材１５が開放する方向の流体圧を作用させる受圧室３７を形成させ、この受圧室３７にパイロット流体を給排するためのパイロットポート３８を開口させることができる。

また、上記弁開度調節部３は、上記シリンダハウジング３０の端部に結合されたカバーブロック４０の内部に組み込まれ、上記ピストン１６の背後に対して接離方向に移動可能に保持されて先端が該ピストン１６に当接する円筒状をした調整部材４１を備え、電動モータ４５の出力軸４６から互いに噛合する歯車４２ａ，４２ｂを介して回転駆動される回転軸４３と該調整部材４１との間に、回転−直動変換機構４７を設けている。該回転−直動変換機構４７は、上記回転軸４３の回転をその軸線方向の直動に変換し、上記調整部材４１を任意の位置まで無段階的に前後進駆動して、ピストン１６の停止位置を与えるものである。

上記電動モータ４５は、正逆回転可能なモータであり、その出力軸４６の回転負荷を検出して、その信号を該コントローラに出力するところの負荷検出手段（図示せず）を備えている。この上記負荷検出手段としては、電動モータ４５の駆動電流自体を検知し、あるいは、その駆動電流が予め設定した設定範囲の上限または下限を超えているか否かを検知して、そのデータをコントローラに入力するものとして構成することができる。
また、上記電動モータ４５には、その回転量を検出するエンコーダ（図示せず）が付設される。このエンコーダは、弁部材１５を開閉するピストン１６の位置を検出するための位置センサーとしての機能を有し、従って、その出力によってコントローラには調整部材４１の位置が与えられることになる。なお、上記ピストン（受圧部材）１６の位置を検出するための位置センサーを別に設けて、その出力によりコントローラに弁部材１５の位置の信号を入力することもできる。

上記電動モータ４５の正逆回転運動を往復直進運動に変換する上記回転−直動変換機構４７は、上記回転軸４３におけるボールねじ軸部４３ａの回転を、上記調整部材４１に設けた移動子（ボールねじナット）５１の直動に変換するところのボールねじで構成されている。なお、上記調整部材４１及び移動子５１には、カバーブロック４０内にねじ軸部４３ａと平行に設置されたガイド軸５２に摺動自在に係合して非回転で摺動させるための回転規制部４１ａ，５１ａを設けている。
また、上記調整部材４１としては、上記ボールねじからなる回転−直動変換機構４７により駆動されるものに限るものではなく、上記電動モータ４５の駆動が直動に変換され、ピストン１６等の受圧部材の背後に押付けて、該受圧部材に追随動作するようにした部材であればよい。

上記電磁弁装置６は、図２に示すように、空気圧源６１と前記受圧室３７との間に管路６２を介して接続され、内包する圧力調整弁によりピストン１６を動作させる最大圧力を設定可能にして、上記コントローラによりパイロットポート３８を通して受圧室３７に制御された圧縮空気を給気可能にすると共に、該コントローラによる制御で上記パイロットポート３８を通して排気し、受圧室３７を制御された圧力にすることを可能にするものである。より具体的には、例えば、圧力調整弁を介して空気圧源６１に接続した給気用の２ポート電磁弁と、出力側を大気に開放した排気用の２ポート電磁弁で構成し、それらが上記パイロットポート３８に接続されたものとすることができる。この場合、上記両２ポート電磁弁は、コントローラからの制御信号により通断して、受圧室３７の圧力を制御することになるが、それらの２ポート電磁弁に代えて、単一の３位置３ポート方向切換弁等を用いることもできる。また、上記給気用及び排気用の２ポート電磁弁として、オン−オフ弁ばかりでなくアナログ弁を使用することができる。

上記圧力調整弁により受圧室３７に供給される出力圧は、復帰ばね２３の作用力、弁部材１５に作用する真空チャンバ７内圧力に基づく作用力、及び調整部材４１とピストン１６との間に常に作用させておくバイアス分の力の総和の最大値を発生できる圧力である。なお、上記バイアス分の力は、流体圧駆動部２における摩擦等の影響をも考慮し、調整部材４１とピストン１６との間に常に作用させておくべき力として決定されるべきものである。

上記コントローラは、概略的には、上記電動モータ４５に付設した負荷検出手段及びエンコーダの出力、真空チャンバ７の圧力を検出する圧力センサー７０の出力、並びに外部からの設定圧力等の制御指令に関連する信号等が入力され、それらに基づいて、上記電動モータ４５及び上記電磁弁装置６の駆動を制御するものであるが、それらに加えて、後述するように、真空チャンバ７の真空引きを行う段階で、圧力センサー７０により得られる真空チャンバの圧力が目標圧力値に対して許容範囲内に維持されていない異常な状態にある場合にはそれを検知し、その報知を行う異常の検知機能をも備えるものである。

上記電動モータ４５及び上記電磁弁装置６の駆動の制御は、具体的には、上記コントローラが上記制御指令に基づいて電動モータ４５に必要な駆動電流を供給し、上記エンコーダの出力によって与えられる調整部材４１の位置が所定の位置になるように制御する位置制御、及び、上記電動モータ４５の位置制御のための駆動時に、上記負荷検出手段の出力によって与えられる上記調整部材４１とピストン１６との押付け力に応じた電動モータ４５の回転負荷（駆動電流）が、設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検知し、それが当該上下限値間の範囲を逸脱する場合に、調整部材４１とピストン１６とを当該上下限値間の力で押付けるためのパイロット流体圧を上記受圧室３７に供給するように制御信号を電磁弁装置６に出力するパイロット流体圧制御を行い、それによって、上記ピストン１６と調整部材４１とを上記上下限値間のバイアス分の力で押付けた状態で電動モータを動作させる機能を有するものである。

また、上記パイロット流体圧制御に代わる簡便的な手段としては、予め前記復帰ばね２３の作用力、弁部材１５に作用する真空チャンバ７内圧力に基づく作用力、及び調整部材４１とピストン（受圧部材）１６との間に常に作用させておくバイアス分の力を、上記受圧部材の位置との関連において測定し、その関連性を関数化してコントローラに保有させておくことにより、電動モータ４５に与える駆動電流が設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検出することを省略して、弁部材１５の位置に応じて受圧室３７へ供給するパイロット流体圧を一意に決定することができる。そのため、上記コントローラには、上記調整部材４１の位置制御を行うに当たって、上記関数化されたところに基づいて得られる受圧部材の位置に応じた流体圧を、電磁弁装置６から上記流体圧駆動部２の受圧室３７へパイロット流体圧として出力するように、該電磁弁装置６に対して制御信号を出力させる機能をもたせたものとすればよい。

従って、上記受圧室３７に供給するパイロット流体圧は、上記調整部材４１の位置によって決まるピストン１６の位置に応じた復帰ばね２３の作用力、弁部材１５に作用する真空チャンバ７内圧力に基づく作用力、及び調整部材４１とピストン１６との間に常に作用させておくバイアス分の力（流体圧駆動部２における摩擦等を含む。)の総和に対応するものになる。

上記コントローラによる制御について更に具体的に説明すると、まず、該コントローラに対して真空チャンバの真空圧力についての圧力設定値及び真空引きの速度情報等を含む制御指令が与えられ、それに基づいて、コントローラから調整部材４１を所定の位置まで駆動するための駆動電流が電動モータ４５に送られる。これにより、該モータ４５が駆動されて、それに付設したエンコーダから調整部材４１の位置に対応する信号がコントローラにフィードバックされ、常に指定された位置で該モータが止まるようにサーボ機構が動作する。そして、外乱等によりその調整部材４１の位置がずれても、即座に修正動作が行われ、調整部材４１の位置制御が行われる。
また、上記コントローラにおいては、真空チャンバ７に設けた圧力センサー７０によって検知される真空圧力を、上記速度情報に基づいて得られる目標圧力と逐次比較し、上記真空チャンバ７が目標圧力になるように、電動モータ４５の駆動で調整部材４１の位置が制御される。

一方、上記ピストン１６は、調整部材４１と常にほぼ一定の力で押付けた状態で動作させるために、上記調整部材４１の位置によって決まるピストン１６の位置に応じて、〔復帰ばね２３の作用力＋弁部材等に作用する真空チャンバ７の圧力に基づく作用力＋調整部材４１とピストン１６との間に常に作用させておくバイアス分の力〕に対抗する力を発生させるパイロット流体圧を受圧室３７に供給するように、コントローラから給気用または排気用電磁弁等に制御信号が出力される。

これにより、ピストン１６は上記パイロット流体圧で調整部材４１にほぼ一定の力で押付ける位置まで駆動され、上記バイアス分の力で常に調整部材４１に押付けられることになる。このことは、復帰ばね２３の作用力及び弁部材１５に作用する真空チャンバ７の圧力に基づく作用力を、ピストン１６に作用するパイロット空気圧による作用力で相殺することにより、電動モータ４５がそれらの作用力に対抗する駆動力を持たなくてもよく、電動モータ４５としてわずかな力が出力できる小型のものを使用することを可能にするものである。また、上記コントローラが、上記ピストン１６と調整部材４１とを常にほぼ一定の力で押付けた状態でピストン１６を動作させるように制御するため、電動モータ４５に付設して該電動モータの回転量を検出するエンコーダを、バルブの開度を決定するところのピストン位置を検出する位置センサーとして機能させることができる。

上述したように、電動モータ４５で所定の位置に調整部材４１を移動させるようにサーボ機構が動作する場合、外乱等により調整部材の位置がずれると、即座にその修正動作のために電動モータが駆動され、一方、流体圧駆動部２の受圧室３７に供給されるパイロット流体の圧力によって調整部材４１へのピストン１６の押付け力は変化するが、上記修正動作等のために電動モータ４５が駆動されると、その押付け力に応じて電動モータ４５の駆動電流が増減し、この電動モータ４５への駆動電流の大きさは、外乱の大きさともみなすことができる。

従って、コントローラにおいて、電動モータ４５へ与える駆動電流が前記一定の範囲内にあるか否かを検出し、それが設定下限値に満たない場合には、ピストン１６が調整部材４１に押付けられているか否かが不明であるため、給気用の電磁弁を作動させる信号が出力され、受圧室３７へのパイロット流体圧の供給によりピストン１６を調整部材４１に押付ける方向に駆動する。また、電動モータ４５に与える駆動電流が設定値上限値を超えることにより過剰な押付け力が負荷されていると判断された場合には、排気用の電磁弁を作動させる信号がコントローラより出力され、受圧室３７のパイロット流体圧を低下させて上記押付け力を低下させる。

また、前述したように、予め復帰ばね２３の作用力、弁部材１５に作用する真空チャンバ７内圧力に基づく作用力、及び、調整部材４１とピストン１６との間に常に作用させておくバイアス分の力を測定しておき、受圧部材の位置と作用力の関係を関数化しコントローラに保有させることで、弁部材１５の位置に応じて受圧室３７へ供給するパイロット流体圧を一意に決定することができ、電動モータ４５に与える駆動電流が上下限の設定値を超えるか否かの検出を省略しても、略同等の機能を実現することができる。

その結果、上記受圧室３７には、常に、〔復帰ばねの作用力＋弁部材等に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力＋調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力〕に対抗するパイロット流体圧が供給され、ピストン１６と調整部材４１とが常に略一定のバイアス分の力で押付けられる。

また、上述したように、上記コントローラが、流体圧駆動部２におけるピストン１６と調整部材４１とを常にほぼ一定の力で押付ける状態でピストン１６を動作させるように制御するので、電動モータ４５に付設するエンコーダを、弁部材１５の開度を決定するところのピストン１６の位置センサーとして機能させることができ、一般的なリニアセンサー等を流体圧駆動部２に内蔵しなくても、コントローラにおいてピストン１６ないし弁部材１５の位置を認識することができ、構造的に著しく簡易化することができる。しかしながら、上記位置センサーとして、一般的なリニアセンサー等を流体圧駆動部２に内蔵させても差し支えない。

上記真空調圧システムにおいては、コントローラにおいて上記圧力センサー７０からの現在圧力値の圧力信号と目標圧力とを比較して真空チャンバ７の真空圧力をフィードバック制御するときに、上述したように、弁部材１５の開度を適切に設定するための制御信号が電動モータ４５に出力されるが、この場合に、上記コントローラには、速度情報として予め真空引きの設定速度（真空圧力変化速度）と設定加速度（上記真空圧力変化速度の変化速度）を保有させ、図３を参照して以下に説明するような制御機能を具備させるのが望ましい。

即ち、上記設定速度と設定加速度を保有させたコントローラは、図３に示す時刻ｔ１の制御動作開始直後においては、各制御周期Ｔ（一定）における真空圧力の変化の速度を上記設定加速度により緩慢に増加させて次の目標圧力を設定する制御を繰り返し、つまり前回の制御周期において圧力センサー７０で検出した現在圧力値と上記設定加速度から今回の制御周期にＴにおける目標圧力を算出するのを繰り返し、その結果、真空チャンバ７の真空引き動作が飛び出し的に急変して行われることがなく、真空引きが穏やかに開始される。その後は、諸条件によって決まるある程度の制御周期を含む加速度制御領域ｔ１〜ｔ４を経て、上記設定加速度による速度変化の累積により真空圧力の変化速度が上記設定速度に達するので、それを超えた時刻ｔ４後には、制御周期Ｔ毎に圧力がΔＰ（一定）だけ低下する設定速度を維持するように制御するのが望ましい。

上記真空圧力の変化についての制御は、具体的には、コントローラにおける算出により求めた圧力変化分から目標圧力に相当する調整部材４１の位置を内部演算し、電動モータ４５による調整部材４１の位置制御によって行われる。この電動モータ４５による位置制御は、空気圧制御に比較して空気の圧縮性による非線形要素がなく、また電動モータの回転負荷を設定された上限値と下限値の間のほぼ一定範囲に制御する場合は、図５を参照して前述したように、上記調整部材４１の位置制御による排気速度の制御は、比較的精度よく行うことができる。また、予め復帰ばね等の作用力の測定をしておき、その結果に基づき、受圧部材の位置と作用力の関係を関数化してコントローラに保有させる場合も、電動モータの回転負荷を略同様に一定範囲に制御することができる。
そして、このように制御動作開始直後から調整部材４１の微小変位を電動モータ４５で位置制御することにより、圧力の急変がなく、安定して滑らかに真空度を上げる制御を行うことができる。

上記真空調圧システムを構成する上記真空調圧用バルブにおいては、上述のような排気制御を行う場合、システムの何らかの異常によりその弁開度が制御不能になって、上記真空チャンバ７内が所要の排気速度に達しない状態に陥ったりする可能性を完全に否定できない。このような状態を避けるために、上記真空調圧システムにおいては、上述した真空調圧用バルブの開度の制御を行うコントローラを利用して、上記異常の検知を簡易に、しかも、それを排気制御の間に継続的に行うようにしている。

図４を参照して、上記コントローラによる排気制御及び排気異常の検知例について説明すると、同図は、排気制御及び排気の異常の検知例について説明するための真空チャンバ７の圧力と弁開度の時間的変動について示すもので、上記排気制御の開始に際しては、まず、排気開始から短い監視時間を設定し、その間に真空ポンプ８が停止状態にあったりして、真空チャンバ７に一定の圧力変化（例えば０．５Torrの変化）が生じたことを確認できない場合は、エラーとしてメンテナンス処理を行うが、上記圧力変化が確認された場合に、図３を参照して前述したような排気制御の周期的動作を開始し、各制御周期Ｔにおいて、上記真空チャンバ７が、上記圧力設定値及び真空引きの速度情報に基づいて得られる目標圧力になるようにするための前記受圧部材の位置制御によって、弁部材１５の開度がフィードバック制御され、前述の加速度制御領域を経て、設定速度を維持するように制御する態様を示している。

また、上記コントローラによる排気制御においては、各制御周期毎に、上記圧力センサー７０によって得られる真空チャンバ７内の現在圧力値と目標圧力値との差〔現在値−目標値〕（右縦座標軸）を検知し、それが該目標圧力値に対して設定した圧差の許容範囲〔偏差設定値〕を超えた場合に、つまり、制御される弁開度では所要の排気速度の維持が困難であると判断された場合に、排気の異常としてそれを報知する警報手段を動作させることになる。これにより、排気制御中に真空チャンバ７その他の真空系におけるリーク等の異常によって、真空チャンバ７の圧力が低下しなくなる場合の監視を行うことができる。
なお、上記現在圧力値と目標圧力値との差が外部設定した偏差設定値を超えるか否かの監視は、排気制御の開始時点から、外部設定する真空チャンバ内圧力についての監視設定値範囲で行うことになる。

以上において、本発明の真空調圧システムの実施の態様について詳述したが、本発明は上記実施例等に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載の発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。

１ 弁主体部
２ 流体圧駆動部
３ 弁開度調節部
６ 電磁弁装置
７ 真空チャンバ
８ 真空ポンプ
１０ バルブハウジング
１３ 流路
１４ 弁座
１５ 弁部材
１６ ピストン
２０ 弁シャフト
２３ 復帰ばね
３７ 受圧室
３８ パイロットポート
４１ 調整部材
４５ 電動モータ
４７ 回転−直動変換機構
７０ 圧力センサー

Claims (7)

1. 真空チャンバと真空ポンプとの間に接続するための流路中に弁座が設けられたバルブハウジング内に、上記弁座を開閉する弁部材と、この弁部材に連結されて、上記バルブハウジングを通してその軸線方向に延出し、先端が流体圧駆動部に達する弁シャフトと、上記弁部材を弁座の閉鎖方向に向けて付勢する復帰ばねとを有する弁主体部、及び、上記弁シャフトの先端に取り付けられた受圧部材を、上記弁部材を開放する方向の流体圧を作用させる受圧室に設け、この受圧室にパイロット流体を給排するためのパイロットポートを設けた上記流体圧駆動部を備えることにより、真空調圧用バルブが構成され、
   上記真空調圧用バルブに、受圧室のパイロットポートにパイロット流体を給排する電磁弁装置を接続すると共に、上記弁部材の位置を検出する位置センサーの出力信号、真空チャンバの圧力センサーによって検出される真空圧力の出力信号、及び外部から入力される制御指令に基づいて、上記電磁弁装置の駆動を制御するコントローラを付設することにより構成される真空調圧システムにおいて、
   上記コントローラに、上記真空ポンプにより排気する真空チャンバの圧力設定値及び真空引きの速度情報を保有させ、
   該コントローラに、排気制御の各制御周期において、上記真空チャンバが上記圧力設定値及び真空引きの速度情報に基づいて得られる目標圧力になるように、上記受圧部材の位置制御により弁部材の開度をフィードバック制御する機能を持たせると共に、
   該コントローラに、上記各制御周期において、上記圧力センサーによって得られる真空チャンバ内の現在圧力値と目標圧力値との差を検知し、それが該目標圧力値に対して設定した許容範囲を逸脱した場合を異常として報知する機能を付与した、
   ことを特徴とする真空調圧システム。
2. 上記コントローラに、真空チャンバの真空引きにより該真空チャンに圧力変化が生じたことを確認する監視時間の経過後に、上記排気制御の周期的動作を開始するように制御する機能を具備させた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空調圧システム。
3. 上記コントローラに、上記真空ポンプによる真空引きの速度情報として、設定速度と設定加速度とを保有させ、排気制御の周期的動作開始後に、上記設定加速度により各制御周期における真空圧力の変化の速度を緩慢に増加させ、真空チャンバの真空引き動作が穏やかに開始される加速度制御領域を経て、真空圧力の変化速度が上記設定速度に達した後にその設定速度を維持するように制御する制御機能を具備させた、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の真空調圧システム。
4. 上記真空調圧用バルブにおいて、受圧部材の背後に当接して該受圧部材の停止位置の位置決めをする調整部材と、該調整部材を回転−直動変換機構を介して任意の位置まで無段階に前後進駆動する電動モータとを有する弁開度調節部を備え、
   上記コントローラに、上記制御指令に基づいて電動モータに必要な駆動電流を供給し、上記電動モータの回転量を検出するエンコーダの出力によって与えられる調整部材の位置が指定の位置になるように、上記電動モータ及び上記電磁弁装置の駆動を制御して、上記調整部材の位置制御をする機能を持たせた、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空調圧システム。
5. 上記電動モータに、その回転負荷を検出する負荷検出手段を付設し、
   上記コントローラが上記調整部材の位置制御を行うに当たり、該負荷検出手段の出力によって与えられる上記調整部材と受圧部材との押付け力に応じた電動モータの回転負荷が、設定された上限値と下限値との間にあるか否かを検知し、それが当該上下限値間を逸脱する場合に、受圧部材と調整部材とを当該上下限値間の力で押付けるためのパイロット流体圧を上記受圧室に供給するように制御信号を電磁弁装置に出力するパイロット流体圧制御を行い、それによって、上記コントローラに、上記受圧部材と調整部材とを上記上下限値間の力で押付けた状態で電動モータを動作させる機能を付与した、
   ことを特徴とする請求項４に記載の真空調圧システム。
6. 上記パイロット流体圧制御において発生させるパイロット流体圧が、前記復帰ばねの作用力、弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力、及び、上記調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力との和に相当する押付け力を発生させるものとして設定されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の真空調圧システム。
7. 予め求めた前記復帰ばねの作用力、弁部材に作用する真空チャンバ内圧力に基づく作用力、及び調整部材と受圧部材との間に常に作用させておくバイアス分の力を、上記受圧部材の位置との関連において関数化して上記コントローラに保有させておき、
   上記コントローラに、上記調整部材の位置制御を行うに当たって、上記関数化されたところに基づいて得られる受圧部材の位置に応じた流体圧を、電磁弁装置から上記流体圧駆動部の受圧室へパイロット流体圧として出力するように、該電磁弁装置に対して制御信号を出力させる機能をもたせた、
   ことを特徴とする請求項４に記載の真空調圧システム。

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