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KR102079988B1 - 유체 제어 장치, 유체 제어 장치의 제어 방법, 및 유체 제어 시스템 - Google Patents

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

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KR102079988B1
KR102079988B1 KR1020187015780A KR20187015780A KR102079988B1 KR 102079988 B1 KR102079988 B1 KR 102079988B1 KR 1020187015780 A KR1020187015780 A KR 1020187015780A KR 20187015780 A KR20187015780 A KR 20187015780A KR 102079988 B1 KR102079988 B1 KR 102079988B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
valve
control module
processor
fluid
signal
Prior art date
Application number
KR1020187015780A
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English (en)
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KR20180079426A (ko
Inventor
카오루 히라타
카츠유키 스기타
요헤이 사와다
마사히코 타키모토
코우지 니시노
Original Assignee
가부시키가이샤 후지킨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 후지킨 filed Critical 가부시키가이샤 후지킨
Publication of KR20180079426A publication Critical patent/KR20180079426A/ko
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Abstract

유체 제어 장치는 유체 제어 모듈과 외부 제어 모듈을 구비하고 있으며, 유체 제어 모듈은 유로 상의 제어 밸브와, 제어 밸브를 구동하는 밸브 구동 회로와, 유로 상의 유체 측정기와, 유체 측정기로부터 출력되는 신호를 처리하는 제 1 프로세서를 갖고, 외부 제어 모듈은 제 1 프로세서가 출력한 신호를 처리하는 제 2 프로세서를 갖고, 제 2 프로세서는 제 1 프로세서로부터 출력되는 유체 측정기의 신호에 따라서 밸브 제어 신호를 출력하고, 밸브 제어 신호는 제 1 프로세서를 개재하지 않고 밸브 구동 회로에 직접 입력되고, 밸브 구동 회로는 제 2 프로세서로부터의 밸브 제어 신호에 따라서 제어 밸브를 구동하는 구동 전압을 출력한다.

Description

유체 제어 장치, 유체 제어 장치의 제어 방법, 및 유체 제어 시스템
본 발명은 유체 제어 장치, 유체 제어 장치의 제어 방법, 및 유체 제어 시스템에 관한 것이며, 특히 소형화에 대응한 유체 제어 장치 및 그 제어 방법, 및 그것을 구비한 유체 제어 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서 원료 가스나 에칭 가스 등의 유체를 제어하기 위해서 여러 가지 타입의 유량계나 압력계 및 유체 제어 장치가 이용되어 있다. 이 중에서 압력식 유량 제어 장치는 피에조 소자 구동형의 제어 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트나 임계 노즐)를 조합한 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되어 있다.
압력식 유량 제어 장치에서는 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(P1: 스로틀부 상류측의 가스 압력, P2: 스로틀부 하류측의 가스 압력)를 만족할 때 스로틀부를 통과하는 가스의 유량은 하류 압력(P2)에 의하지 않고, 상류 압력(P1)에 의해 결정된다는 원리를 이용해서 유체 제어를 행하고 있다. 임계 팽창 조건은 가스의 종류나 온도에 따라 상이하다. 임계 팽창 조건을 만족할 때 유량 Qc는 예를 들면, 다음 식에 의해 부여된다.
Qc=S·C·P1/T11/2
여기에서 S는 오리피스 단면적, C는 가스 물성에 의해 정해지는 정수(플로우 팩터), T1은 상류 가스 온도이다. 상기 식으로부터 유량 Qc는 상류 압력(P1)에 비례하는 것을 알 수 있다. 이 때문에 오리피스 상류측에 설치한 제어 밸브의 개폐 조정 등에 의해 상류 압력(P1)을 제어하는 것만으로 하류에 흐르는 가스의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 스로틀부 상류측뿐만 아니라 스로틀부 하류측에도 압력 센서를 설치한 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있다. 이러한 압력식 유량 제어 장치에서는 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작고, 상기 임계 팽창 조건을 만족하지 않을 경우이어도 소정의 계산식 Qc=KP2m(P1-P2)n(여기에서 K는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)에 의거하여 유량 Qc를 산출하는 것이 가능하다.
일본 특허공개 2012-107871호 공보 일본 특허공개 2016-21219호 공보
반도체 제조에 사용되는 프로세스 가스의 종류는 해마다 증가하는 경향이 있으며, 이것에 따라 가스 공급 라인의 수 및 사용되는 유체 제어 장치의 수도 많아져 오고 있다. 그러나 반도체 제조 장치에는 여러 가지의 기기가 접속되어 있어 반도체 제조 장치의 근방에 다수의 유체 제어 장치를 설치하는 스페이스를 확보하는 것이 곤란하다. 그래서 최근 종래에 비해 대폭으로 슬림화된 극박형(예를 들면, 10㎜ 폭 정도)의 유체 제어 장치의 개발이 진행되어 있다.
특허문헌 1에는 복수의 유량 계측기에 대해서 이들을 정리하여 관리하는 제어 기기가 부착된 유량 제어 시스템이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 유량 제어 시스템에 있어서는 복수의 유량 계측기의 구성의 일부를 공통화하여 제어 기기에 갖게 함으로써 유량 계측기 각각의 두께를 얇게 하고 있다. 또한, 유량 계측기 각각에는 관련되는 유량 산출 관련 데이터가 저장되어 있으며, 유량 계측기의 저장부로부터 취득한 유량 산출 관련 데이터와 계측 데이터를 사용해서 제어 기기가 유량 측정값을 산출하고 있다.
또한, 특허문헌 2에는 유량 제어 장치의 소형화를 실현하기 위해서 유량 제어 장치와 유저 정보 처리 장치 사이에 개재되는 중계기를 통해 진단용 데이터를 진단용 장치에 송신하는 구성이 기재되어 있다.
그러나 유량 제어 장치를 가능한 한 박형화했다고 해도 이것에 접속되는 제어 기기를 반도체 제조 장치의 근방에 설치하면 설치 스페이스를 충분히 삭감할 수 없는 경우가 있다. 예를 들면, 상술한 상류 압력 센서와 하류 압력 센서를 구비한 압력식 유량 제어 장치에서는 내부 소자의 소형화에 한계가 있기 때문에 반도체 제조 장치의 근방에 제어 기기용의 스페이스까지 확보하는 것이 용이하지 않다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 소형·박형화에 대응 가능한 유체 제어 장치 및 그 제어 방법, 및 그것을 구비한 유체 제어 시스템을 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치는 유체 제어 모듈과 외부 제어 모듈을 구비하는 유체 제어 장치로서, 상기 유체 제어 모듈은 유로와, 상기 유로 상의 제어 밸브와, 상기 제어 밸브를 구동하는 밸브 구동 회로와, 상기 유로 상에 설치되는 유체 측정기와, 상기 유체 측정기로부터 출력되는 신호를 처리하는 제 1 프로세서를 갖고, 상기 외부 제어 모듈은 상기 제 1 프로세서가 출력한 신호를 처리하는 제 2 프로세서를 갖고, 상기 제 2 프로세서는 상기 제 1 프로세서로부터 출력되는 상기 유체 측정기의 신호에 따라 밸브 제어 신호를 출력하고, 상기 밸브 제어 신호는 상기 제 1 프로세서를 개재하는 일 없이 상기 밸브 구동 회로에 직접 입력되고, 상기 밸브 구동 회로는 상기 제 2 프로세서로부터의 상기 밸브 제어 신호에 따라서 상기 제어 밸브를 구동하는 구동 전압을 출력한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 측정기로부터의 신호는 상기 외부 제어 모듈로 출력되기 전에 A/D 변환되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제 2 프로세서는 밸브 제어 신호로서 PWM 신호를 생성하고, 상기 밸브 구동 회로는 상기 PWM 신호의 듀티비에 따른 구동 전압을 생성한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제어 밸브는 피에조 소자 구동형 밸브이며, 상기 밸브 구동 회로는 상기 밸브 제어 신호에 의거하여 피에조 액추에이터를 승압(昇壓) 또는 강압(降壓)시킨다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 모듈과 상기 외부 제어 모듈은 각각 차동 전송 인터페이스부를 구비하고 있으며, 복수의 케이블을 통해 차동 전송 방식으로 디지털 통신된다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제 2 프로세서는 외부 장치로부터의 정보 신호를 받도록 구성되어 있으며, 상기 외부 제어 모듈과 상기 외부 장치의 통신은 EtherCAT에 의해 행해지고, 상기 외부 제어 모듈에는 RJ45 커넥터가 설치되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 모듈에는 메모리가 설치되어 있으며, 상기 메모리에는 상기 유체 제어 모듈에 관련된 개체 정보가 저장되어 있으며, 상기 제 2 프로세서는 상기 개체 정보를 판독 가능하다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 측정기는 유량 센서 또는 압력 센서이다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 측정기는 상기 유로 상에 설치된 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측이며 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와, 상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 모듈은 상기 제어 밸브와 상기 스로틀부 사이의 가스 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 더 구비한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 모듈은 상기 스로틀부로서의 오리피스 부재를 포함하는 오리피스 내장 밸브와, 상기 오리피스 내장 밸브에 접속된 전자 밸브 및 상기 전자 밸브의 구동 회로를 포함하고, 상기 외부 제어 모듈은 상기 전자 밸브의 개폐를 제어하는 신호를 상기 제 1 프로세서를 통하지 않고 직접적으로 상기 전자 밸브의 구동 회로에 출력한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 시스템에 있어서, 1개의 공통 가스 공급 라인에 대하여 복수의 가스 공급 라인이 병렬로 설치되고, 상기 복수의 가스 공급 라인 각각에 상기 어느 하나의 유체 제어 장치가 상기 유체 제어 모듈과 상기 외부 제어 모듈이 1대1의 관계를 이루도록 해서 설치되어 있다.
또한, 어떤 실시형태에 있어서, 유체 제어 장치는 유로와, 유체 제어용의 제어 밸브와, 상기 제어 밸브의 개폐 정도를 제어하는 밸브 구동 회로와, 상기 유로 상에 설치된 유체 측정기와, 상기 유체 측정기로부터의 출력을 받는 제 1 프로세서를 갖는 유체 제어 모듈과, 상기 유체 제어 모듈과 분리해서 배치되어 상기 유체 제어 모듈과 복수의 케이블을 통해 통신 가능하게 접속된 외부 제어 모듈로서, 상기 제 1 프로세서로부터의 신호를 받도록 구성된 제 2 프로세서를 갖고, 상기 제 2 프로세서에 의해 생성된 정보 신호를 외부 장치에 출력하거나 또는 외부 장치로부터의 정보 신호를 상기 제 2 프로세서에 입력하도록 구성된 외부 제어 모듈을 구비하고, 상기 제 2 프로세서는 상기 제 1 프로세서로부터 상기 유체 측정기의 신호를 받아 상기 유체 측정기의 상기 신호에 의거하여 밸브 제어 신호를 생성하고, 상기 밸브 제어 신호는 상기 제 1 프로세서를 개재하는 일 없이 상기 밸브 구동 회로에 직접적으로 입력되어 상기 밸브 구동 회로에 있어서 구동 전압으로 변환되어서 상기 제어 밸브가 구동된다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치의 제어 방법은 제 1 프로세서를 갖는 유체 제어 모듈과, 제 2 프로세서를 갖는 외부 제어 모듈을 구비하는 유체 제어 장치의 제어 방법으로서, 상기 유체 제어 모듈에 설치된 유량 측정기로부터 유량의 신호를 출력하는 스텝과, 상기 유량 측정기로부터 출력된 유량의 신호를 상기 제 1 프로세서를 통해 상기 제 2 프로세서에 출력하는 스텝과, 상기 출력된 유량의 신호에 의거하여 제 2 프로세서가 밸브 제어 신호를 출력하는 스텝과, 상기 출력된 밸브 제어 신호를 상기 제 1 프로세서를 개재하지 않고 상기 유체 제어 모듈에 배치된 밸브 구동 회로에 출력하는 스텝과, 상기 밸브 제어 신호에 의거하여 상기 밸브 구동 회로가 구동 전압을 출력하고, 유로 상에 설치된 제어 밸브를 구동하는 스텝을 포함한다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면 소형 박형화에 대응한 유체 제어 장치를 제공할 수 있고, 또한 제어의 안전성이 확보된 안전 설계의 유체 제어 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치가 반도체 제조 장치에 접속된 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 의한 피에조 구동 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 피에조 구동 회로에 부여되는 펄스 신호(디지털 신호)의 듀티비와, 피에조 소자에 인가되는 구동 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치를 구성하는 외부 제어 모듈의 외장에 설치된 커넥터 등을 나타내는 평면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치가 장착된 유체 제어 시스템을 나타낸다. 도 1에 나타내는 유체 제어 시스템에서는 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버(3)에 접속된 1개의 공통 가스 공급 라인에 대하여 n개의 가스 공급 라인(2)이 병렬로 설치되어 있으며, n개의 가스 공급 라인(2)에 대응하는 n개의 유체 제어 장치(10)가 설치되어 있다.
가스 공급 라인(2) 각각에 있어서 가스 소스(1)로부터의 가스(원료 가스나 에칭 가스 등)가 유체 제어 장치(10)에 의해 유량이나 압력이 제어되어서 프로세스 쳄버(3)에 공급된다. 프로세스 쳄버(3)에는 진공 펌프(4)가 접속되어 있으며, 반도체 제조 프로세스 시에는 프로세스 쳄버(3) 내를 진공 배기할 수 있다. 또한, 가스 공급 라인(2) 각각에는 하류 밸브(개폐 밸브)(Vn)가 설치되어 있으며, 개방 상태로 된 하류 밸브(Vn)를 통해 필요한 가스만이 프로세스 쳄버(3)에 공급된다.
본 실시형태에 있어서 복수의 유체 제어 장치(10) 각각은 유체 제어 모듈(FCn)과 외부 제어 모듈(En)을 1대1의 관계로 구비하고 있다. 유체 제어 모듈(FCn)과 외부 제어 모듈(En)은 서로 분리되어 배치되어 있으며, 이들은 고속 디지털 통신용 케이블(Cn)에 의해 접속되어 있다. 케이블(Cn)은, 예를 들면 0.5m~3m의 길이를 갖고 있으며, 이것에 의해 프로세스 쳄버(3)의 근방에 설치된 유체 제어 모듈(FCn)과 떨어진 위치에 외부 제어 모듈(En)을 설치하는 것이 가능해진다.
또한, 외부 제어 모듈(E1~En)은 정보 처리 장치(외부 장치)(5)에 대하여 EtherCAT(등록상표)에 의해 네트워크 접속되어 있다. 외부 제어 모듈(E1~En)에는 EtherCAT에 대응한 RJ45 커넥터(10a)가 설치되어 있으며, 이것에 접속된 EtherCAT 케이블을 통해 정보 처리 장치(5)와 통신을 행할 수 있다. 정보 처리 장치(5)는, 예를 들면 유저 입력 장치를 구비한 범용의 컴퓨터 등으로서 좋다.
도 2는 한 쌍의 유체 제어 모듈(FC) 및 외부 제어 모듈(E)을 나타내는 도면이다. 유체 제어 모듈(FC)과 외부 제어 모듈(E)은 도 1을 참조해서 설명한 바와 같이 디지털 통신용 케이블(Cn)에 의해 접속되어 있으며, 보다 구체적으로는 각각 설치된 LVDS(Low voltage differential signaling) 인터페이스부(25, 35)를 개재하여 차동 전송 방식으로 디지털 신호의 통신을 행하고 있다.
LVDS는 고속인 데이터 전송을 행할 수 있다는 특징을 갖고, 또한 장거리 전송을 노이즈를 억제하면서 행할 수 있다는 특장점을 갖고 있다. 이 때문에 LVDS를 사용하면 유체 제어 모듈(FC)과 외부 제어 모듈(E)을 이간시켜 설치했을 때에도 상호 간에 신뢰성 높게 고속인 통신을 실현할 수 있다.
상기 구성에 있어서 유체 제어 모듈(FC)은 가스 유로(11)를 갖고 있으며, 가스 유로에 개재하는 스로틀부(14)와, 스로틀부(14)의 상류측에 설치된 제 1 압력 센서(P1) 및 온도 센서(T)와, 제 1 압력 센서(P1)의 상류측에 설치된 제어 밸브(12)와, 스로틀부(14)의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서(P2)를 구비한다. 제 1 압력 센서(P1)는 제어 밸브(12)와 스로틀부(14) 사이의 유로의 압력을 측정할 수 있고, 제 2 압력 센서(P2)는 스로틀부(14)의 하류측(예를 들면, 스로틀부(14)와 하류 밸브(Vn)(도 1 참조) 사이의 유로)의 압력을 측정할 수 있다.
본 실시형태에서는 유체 제어 모듈(FC)이 압력식 유량 제어 장치와 마찬가지의 구성을 갖고 있으며, 유로에 설치된 유체 측정기로서 제 1 압력 센서(P1) 및 제 2 압력 센서(P2)를 구비하고 있다. 단, 이것에 한정되지 않고, 유체 제어 모듈(FC)은 제 1 및 제 2 압력 센서(P1) 대신에 또는 제 1 및 제 2 압력 센서(P1)에 추가하여 다른 실시형태의 유체 측정기(예를 들면, 유량 센서)를 구비하는 구성을 갖고 있어도 좋다.
또한, 도시하는 유체 제어 모듈(FC)에는 스로틀부(14)와 일체적으로 형성된 오리피스 내장 밸브(16)가 설치되어 있으며, 오리피스 내장 밸브(16)에는 전자 밸브(18)가 접속되어 있다. 오리피스 내장 밸브(16)는 전형적으로는 유체 동작 밸브(AOV 등)로 구성되는 개폐 밸브이며, 전자 밸브(18)를 사용해서 오리피스 내장 밸브(16)로의 작동(구동) 유체의 공급을 제어함으로써 오리피스 내장 밸브(16)가 개폐된다. 오리피스 내장 밸브(16)에 의해, 예를 들면 간헐적인 가스 플로우를 달성하거나 프로세스 쳄버로의 고속 확실한 가스 차단 동작을 행하는 것이 가능하다. 본 실시형태에서는 스로틀부(14)는 오리피스 내장 밸브(16)가 갖는 오리피스 부재에 의해 실현되어 있지만 이것에 한정되지 않고, 오리피스 내장 밸브(16) 대신에 오리피스 플레이트나 임계 노즐 등의 스로틀부가 밸브와 독립되어 설치된 실시형태이어도 좋다.
유체 제어 모듈(FC)에 있어서 유로는 배관에 의해 형성되는 것 외에 금속제 블록에 형성된 구멍으로서 형성되어 있어도 좋다. 제 1 압력 센서(P1) 및 제 2 압력 센서(P2)는, 예를 들면 실리콘 단결정의 센서 칩과 다이어프램을 내장하는 압력 센서이어도 좋다. 온도 센서는, 예를 들면 서미스터이어도 좋다. 제어 밸브(12)는, 예를 들면 금속제 다이어프램 밸브(12a)와, 구동부로서의 피에조 액추에이터(12b)로 구성되는 피에조 구동형 밸브이어도 좋다.
또한, 유체 제어 모듈(FC)은 회로 기판을 갖고 있으며, 이 회로 기판에는 A/D 변환기(A/D 변환 회로)(22), 소형 프로세서(제 1 프로세서)(20), 메모리(예를 들면, EEPROM)(24), LVDS 인터페이스부(25)가 설치되어 있다. 이 구성에 있어서 제 1 압력 센서(P1), 제 2 압력 센서(P2), 및 온도 센서(T)의 출력(즉, 유체 측정기의 출력)이 A/D 변환기(22)에 입력되고, 디지털 신호로 변환되어서 소형 프로세서(20)에 입력된다. 소형 프로세서(20)는 LVDS 인터페이스부(25) 및 제 1 케이블(L1)을 통해 데이터 신호(SD)를 외부 제어 모듈(E)에 출력하는 것이 가능하다.
또한, 유체 측정기는 여러 가지 구성을 취할 수 있지만, 본 명세서에 있어서 유체 측정기의 출력이란 디지털 신호 등의 신호 외 전압 등도 포함하고, 유체 측정기로부터 출력되는 모든 것을 포함하는 것으로 한다. 또한, 도 2에는 A/D 변환기(22)와 소형 프로세서(20)가 나누어진 실시형태를 나타내고 있지만, A/D 변환기(22)는 소형 프로세서(20)에 내장되어 있어도 좋다. 이 경우, 유체 측정기로부터의 출력은 소형 프로세서 내의 A/D 변환기를 통해 디지털 신호로서 처리부에 입력된다.
또한, 유체 제어 모듈(FC)의 회로 기판에는 제어 밸브(12)를 제어하기 위한 밸브 구동 회로(26)와, 전자 밸브(18)를 제어하기 위한 전자 밸브 구동 회로(28)가 설치되어 있다. 단, 밸브 구동 회로(26) 및 전자 밸브 구동 회로(28)는 상기 소형 프로세서(20)에는 접속되어 있지 않고, 후술하는 바와 같이 외부 제어 모듈(E)로부터 직접적으로 디지털의 밸브 제어 신호(SV1, SV2)를 받도록 구성되어 있다.
한편, 외부 제어 모듈(E)의 회로 기판에는 유체 제어 모듈(FC)의 소형 프로세서(20)로부터 LVDS 인터페이스부(35)를 통해 디지털 데이터 신호(SD)를 받도록 구성된 통신/제어 프로세서(제 2 프로세서)(30)와 EtherCAT 통신 회로(32)가 설치되어 있다. 또한, 도시하는 바와 같이 외부 제어 모듈(E)에는 외부 전원(예를 들면, DC24V)에 접속되는 전원 회로(34)도 설치되어 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 유체 제어 모듈(FC) 및 외부 제어 모듈(E)에 있어서의 기판 상의 구체적인 회로 구성예를 나타내는 도면이다. 유체 제어 모듈(FC)의 회로 기판에 있어서 A/D 변환기(A/D 변환 회로)(22), 소형 프로세서(제 1 프로세서)(20), 메모리(24), LVDS 인터페이스부(25)가 설치되고, 외부 제어 모듈(E)의 회로 기판에 있어서 통신/제어 프로세서(30), EtherCAT 통신 회로(32), LVDS 인터페이스부(35), 전원 회로(34)가 설치되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 알 수 있는 바와 같이 본 실시형태의 유체 제어 장치(10)에 있어서 유체 제어 모듈(FC)과 외부 제어 모듈(E)은 복수의 디지털 통신용 케이블(L1~L3) 및 전원 케이블(L4)에 의해 접속되어 있다. 보다 구체적으로는 소형 프로세서(20)와 통신/제어 프로세서(30) 사이에서 데이터 신호의 전송을 행하기 위한 제 1 케이블(L1)과, 통신/제어 프로세서(30)로부터 밸브 구동 회로(여기에서는 피에조 구동 회로)(26)로의 유량 제어 신호의 전송을 행하기 위한 제 2 케이블(L2)과, 통신/제어 프로세서(30)로부터 전자 밸브 구동 회로(28)로의 개폐 신호의 전송을 행하는 제 3 케이블(L3)과, 전원 회로(34)로부터 유체 제어 모듈(FC)로 소정 전압에서의 전력 공급을 행하기 위한 전원 케이블(L4)에 의해 접속되어 있다.
이 구성에 있어서 통신/제어 프로세서(30)는 제 1 케이블(L1)을 통해 소형 프로세서(20)로부터 디지털의 압력 신호나 온도 신호를 받을 수 있다. 또한, 통신/제어 프로세서(30)는 유체 제어 모듈(FC)의 메모리(여기에서는 EEPROM)(24)에 저장된 유체 제어 모듈 개체 정보도 소형 프로세서(20) 및 제 1 케이블(L1)을 통해 받을 수 있다. 제 1 케이블(L1)로서는 쌍방향 고속 디지털 통신을 행하기 위해서, 예를 들면 길이 0.5~3m의 적당한 케이블을 사용할 수 있다.
또한, 메모리(24)에 저장되어 프로세서(20)의 제어하에 통신/제어 프로세서(30)로부터 판독되는 유체 제어 모듈 개체 정보에는, 예를 들면 시리얼 넘버, 유량 레인지, 유량 보정, 압력 센서의 온도 특성 등이 포함된다. 통신/제어 프로세서(30)는 판독한 유체 제어 모듈 개체 정보를 사용하여 현재 유량을 적절하게 산출할 수 있다.
통신/제어 프로세서(30)는 받은 압력 신호, 온도 신호, 유체 제어 모듈 개체 정보에 의거하여 디지털의 유량 제어 신호를 생성한다. 보다 구체적으로는 통신/제어 프로세서(30)는 우선 압력 신호, 온도 신호 등의 입력된 데이터 신호에 의거하여 현재의 유량을 산출한다. 유량은, 예를 들면 임계 팽창 조건을 만족시키고 있을 때에는 상류 압력 및 가스 온도에 의거하고, 임계 팽창 조건을 만족시키고 있지 않을 때에는 상류 압력, 하류 압력, 및 가스 온도에 의거하여 상술한 소정의 계산식에 의해 구할 수 있다. 이 산출 과정에서 유체 제어 모듈 개체 정보를 사용하여 보정을 행함으로써 상기 유체 제어 모듈에 있어서의 유량을 보다 정확하게 산출할 수 있다.
통신/제어 프로세서(30)는 EtherCAT 통신 회로(32)를 통해 외부 장치로부터 설정 유량 신호를 받아 산출한 현재 유량(연산 유량)과 설정 유량을 비교하고, 그 차분을 없애도록 밸브 제어 신호를 생성한다.
여기에서 통신/제어 프로세서(30)는 밸브 제어 신호로서 펄스 폭 변조된 디지털 신호인 PWM 신호를 생성한다. PWM 신호는 설정 유량과 연산 유량의 비교에 의거하여 설정 유량과 연산 유량이 일치하는 것 같은 피드백 제어에 의해 PWM 신호의 듀티비를 조절하도록 해서 생성할 수 있다.
생성된 PWM 신호는 LVDS 인터페이스부(35)를 통해 제 2 케이블(L2)에 의해 유체 제어 모듈(FC)에 전송되고, LVDS 인터페이스부(25)를 거쳐 밸브 구동 회로(26)에 입력된다. 이렇게 밸브 제어 신호(PWM 신호)는 소형 프로세서(25)를 개재하는 일 없이 또한 제 1 케이블(L1)과는 상이한 제 2 케이블(L2)에 의해 밸브 구동 회로(26)에 직접적으로 입력된다. 제 2 케이블(L2)로서는, 예를 들면 길이 0.5~3m의 적당한 케이블을 사용할 수 있다.
밸브 구동 회로(26)는 받은 밸브 제어 신호에 의거하여 피에조 액추에이터의 승압/강압을 행한다. 도 4는 밸브 구동 회로(26)의 구성예를 나타내는 회로도이며, 본 실시형태에서는 밸브 구동 회로(26)는 초퍼식 승압/강압 컨버터에 의해 구성되어 있다.
초퍼식 승압 컨버터에서는 전원용 트랜지스터(FET0)가 온 상태로 유지되어서 전력 공급되어 있는 상태이며, 승압용 트랜지스터(FET1)가 온일 때 리액터(L)에 에너지가 축적되고, 오프일 때에 축적된 에너지가 입력 전압에 중첩되어 출력된다. 그리고 출력된 전압에 의해 피에조 액추에이터의 콘덴서가 충전되어 이 충전량에 따른 구동 전압으로 설정된다.
상기 회로에 있어서 승압용 트랜지스터(FET1)의 게이트에 밸브 제어 신호로서의 PWM 신호가 입력되고, 이 PWM 신호의 듀티비가 클수록 리액터에 축적되는 에너지의 양이 많아진다. 그 결과 승압용 트랜지스터(FET1)의 온-오프 반복과 함께 듀티비에 따른 승압이 실현되어 피에조 액추에이터의 구동 전압이 상승한다. 마찬가지로 피에조 액추에이터의 구동 전압을 저하시키고 싶을 때에는 듀티비가 작은 PWM 신호를 도시하는 강압용 트랜지스터(FET2)의 게이트에 입력함으로써 듀티비에 따른 피에조 액추에이터의 강압을 행할 수 있다.
도 5는 외부 제어 모듈(E)로부터 출력되어 밸브 구동 회로(26)에서 받아들이는 PWM 신호의 듀티비와 피에조 액추에이터에 인가되는 구동 전압의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 PWM 신호의 듀티비에 대략 비례하도록 피에조 액추에이터의 구동 전압이 설정되는 것을 알 수 있다. 따라서, 소망하는 피에조 액추에이터의 구동 전압(즉, 피에조 구동 밸브의 개폐 정도)에 대응하는 듀티비를 갖는 PWM 신호를 출력함으로써 외부 제어 모듈(E)이 제어 밸브(12)의 개폐 동작을 직접적으로 제어할 수 있다. 또한, 밸브 구동 회로(26)는 아날로그 회로이며, PWM 신호의 듀티비와 밸브 구동 전압의 관계도 유체 제어 모듈(FC)의 개체에 따라 다른 것일 수 있다. 이 때문에 상기 관계를 나타내는 정보도 개체 정보로서 메모리(24)에 저장해 두고, 필요에 따라 외부 제어 모듈(E)이 판독하도록 해도 좋다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시형태의 외부 제어 모듈(E)의 제어/통신 프로세서(30)는 제 3 케이블(L3)을 개재하여 전자 밸브 구동 회로(28)에 대하여 디지털의 개폐 신호(SV2)를 직접적으로 출력한다. 즉, 전자 밸브(18)의 개폐 동작은 유체 제어 모듈(FC)에 설치된 소형 프로세서(20)를 개재하지 않고 외부 제어 모듈(E)에 의해 직접적으로 제어된다.
이상과 같이 구성된 유체 제어 장치(10)에 있어서 유체 제어 모듈(FC)의 소형 프로세서(25)는 제 1 및 제 2 압력 센서나 온도 센서로부터의 출력의 전송 제어나 메모리에 저장된 개체 정보의 전송 제어를 행하면 충분하다. 이 때문에 회로 기판, 나아가서는 유체 제어 모듈(FC)을 소형화할 수 있다. 또한, 개체 차를 포함하는 아날로그 회로를 유체 제어 모듈(FC)측에 실장하고, 메모리에 개체 정보를 저장하고 있으므로, 예를 들면 외부 제어 모듈(E)이 고장났을 때에 새로운 외부 제어 모듈(E)과 교환할 때에도 유체 제어 모듈(FC)로부터 개체 정보를 판독하는 것만으로 용이하게 고정밀도의 유체 제어를 행하는 것이 가능해진다.
또한, 유체 제어 모듈(FC)에 있어서 밸브 제어를 행하는 실시형태이면 외부 제어 모듈(E)과의 통신이 단선되었을 때 유체 제어 모듈(FC)측이 멋대로 제어를 행할 수 있는 설계이므로 제어가 폭주할 우려가 있다. 이것에 대하여 본 실시형태의 유체 제어 장치(10)에 있어서는 유체 제어 모듈(FC)과 외부 제어 모듈(E)이 단선되었다고 해도 제어 밸브나 전자 밸브의 제어는 외부 제어 모듈(E)이 행하고 있으므로 강제적으로 제어가 정지되어 안전하다.
이렇게 해서 유체 제어 모듈(FC)의 소형화를 진행시킬 수 있고, 예를 들면 10㎜ 이하의 폭을 갖도록 구성할 수도 있고, 또한 유체 제어 모듈(FC)과 외부 제어 모듈(E)을 접속하는 하드 와이어의 개수를 줄일 수 있으므로 반도체 제조 장치의 근방에 있어서의 설치 스페이스를 크게 삭감할 수 있다.
또한, 유체 제어 모듈(FC)과 케이블에 의해 분리해서 배치되는 외부 제어 모듈(E)은 유체 제어 모듈(FC)보다 큰 사이즈를 갖고 있어도 좋으므로 EtherCAT 통신용의 RJ45 커넥터를 설치하는 것이 가능하며, 외부 장치와의 고속 통신에 대응시킬 수 있다.
도 6은 외부 제어 모듈(E)의 외장(단면)에 설치된 커넥터 등을 나타내는 평면도이다. 외부 제어 모듈(E)에는 도시하는 바와 같이 RJ45 커넥터(10a)나 표시 기기(10b), 외부 제어 모듈(E)의 어드레스 설정용의 로터리 스위치(10c), 정상/이상 상태를 나타내는 파일럿 램프(10d) 등이 설치되어 있어도 좋다. 외부 제어 모듈(E)은 반도체 제조 장치로부터 떨어진 위치에 설치되어 있어도 좋고, 사이즈의 제한이 없으므로 가로 폭(d)이 13.5㎜ 정도인 RJ45 커넥터(10a)도 용이하게 탑재할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만 여러 가지의 개변이 가능하다. 예를 들면, 통신 방식이 상이한 외부 제어 모듈로 교체함으로써 동일한 유체 제어 모듈을 사용하는 경우이어도 여러 가지 통신 방식에 대응할 수 있다. 통신 방식으로서는 상술한 EtherCAT 통신 외에 Devicenet 통신이나 RS485 통신 등을 채용할 수 있다.
또한, 실시예에 있어서는 압력 센서를 사용해서 유량의 계측을 행하고 있지만, 유량 센서를 사용해서 유량의 계측을 행해도 좋은 것은 물론이다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치는, 예를 들면 반도체 제조의 가스 공급 라인에 접속되어 유체 제어를 행하기 위해서 적합하게 이용된다.
1: 가스 소스 2: 가스 공급 라인
3: 프로세스 쳄버 4: 진공 펌프
5: 정보 처리 장치 10: 유체 제어 장치
12: 제어 밸브 12a: 다이어프램 밸브
12b: 피에조 액추에이터 14: 스로틀부
16: 오리피스 내장 밸브 18: 전자 밸브
FC: 유체 제어 모듈 E: 외부 제어 모듈
P1: 상류 압력 센서 P2: 하류 압력 센서
T: 온도 센서

Claims (13)

1개의 공통 가스 공급 라인에 대하여 병렬로 배치된 복수의 가스 공급 라인 각각에, 유체 제어 모듈과 외부 제어 모듈이 1대1의 관계를 이루도록 해서 설치되어 있는 유체 제어 장치로서,
상기 유체 제어 모듈은,
유로와,
상기 유로 상의 제어 밸브와,
상기 제어 밸브를 구동하는 밸브 구동 회로와,
상기 유로 상에 설치되는 유체 측정기와,
상기 유체 측정기로부터 출력되는 신호를 처리하는 제 1 프로세서를 갖고,
상기 외부 제어 모듈은 상기 제 1 프로세서가 출력한 신호를 처리하는 제 2 프로세서를 갖고,
상기 제 2 프로세서는 상기 제 1 프로세서로부터 출력되는 상기 유체 측정기의 신호에 따라 밸브 제어 신호를 출력하고, 상기 밸브 제어 신호는 상기 제 1 프로세서를 개재하는 일 없이 상기 밸브 구동 회로에 직접 입력되고, 상기 밸브 구동 회로는 상기 제 2 프로세서로부터의 상기 밸브 제어 신호에 따라서 상기 제어 밸브를 구동하는 구동 전압을 출력하는 유체 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유체 측정기로부터의 신호는 상기 외부 제어 모듈로 출력되기 전에 A/D 변환되어 있는 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 프로세서는 밸브 제어 신호로서 PWM 신호를 생성하고,
상기 밸브 구동 회로는 상기 PWM 신호의 듀티비에 따른 구동 전압을 생성하는 유체 제어 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제어 밸브는 피에조 소자 구동형 밸브이며, 상기 밸브 구동 회로는 상기 밸브 제어 신호에 의거하여 피에조 액추에이터를 승압 또는 강압시키는 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유체 제어 모듈과 상기 외부 제어 모듈은 각각 차동 전송 인터페이스부를 구비하고 있으며, 복수의 케이블을 통해 차동 전송 방식으로 디지털 통신되는 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 프로세서는 외부 장치로부터의 정보 신호를 받도록 구성되어 있으며, 상기 외부 제어 모듈과 상기 외부 장치의 통신은 EtherCAT에 의해 행해지고, 상기 외부 제어 모듈에는 RJ45 커넥터가 설치되어 있는 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유체 제어 모듈에는 메모리가 설치되어 있으며, 상기 메모리에는 상기 유체 제어 모듈에 관련된 개체 정보가 저장되어 있으며, 상기 제 2 프로세서는 상기 개체 정보를 판독 가능한 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유체 측정기는 유량 센서 또는 압력 센서인 유체 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유체 측정기는 상기 유로 상에 설치된 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측이며 또한 상기 제어 밸브의 하류측에 설치된 제 1 압력 센서와, 상기 스로틀부의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서를 포함하는 유체 제어 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 유체 제어 모듈은 상기 제어 밸브와 상기 스로틀부 사이의 가스 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 더 구비하는 유체 제어 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 유체 제어 모듈은 상기 스로틀부로서의 오리피스 부재를 포함하는 오리피스 내장 밸브와, 상기 오리피스 내장 밸브에 접속된 전자 밸브 및 상기 전자 밸브의 구동 회로를 포함하고, 상기 외부 제어 모듈은 상기 전자 밸브의 개폐를 제어하는 신호를 상기 제 1 프로세서를 통하지 않고 직접적으로 상기 전자 밸브의 구동 회로에 출력하는 유체 제어 장치.
삭제
1개의 공통 가스 공급 라인에 대하여 병렬로 배치된 복수의 가스 공급 라인각각에, 제 1 프로세서를 갖는 유체 제어 모듈과 제 2 프로세서를 갖는 외부 제어 모듈이 1대1의 관계를 이루도록 해서 설치되어 있는 유체 제어 장치의 제어 방법으로서,
상기 유체 제어 모듈에 설치된 유량 측정기로부터 유량의 신호를 출력하는 스텝과,
상기 유량 측정기로부터 출력된 유량의 신호를 상기 제 1 프로세서를 통해 상기 제 2 프로세서에 출력하는 스텝과,
상기 출력된 유량의 신호에 의거하여 제 2 프로세서가 밸브 제어 신호를 출력하는 스텝과,
상기 출력된 밸브 제어 신호를 상기 제 1 프로세서를 개재하지 않고 상기 유체 제어 모듈에 배치된 밸브 구동 회로에 출력하는 스텝과,
상기 밸브 제어 신호에 의거하여 상기 밸브 구동 회로가 구동 전압을 출력하고, 유로 상에 설치된 제어 밸브를 구동하는 스텝을 포함하는 유체 제어 장치의 제어 방법.
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