特開 2024-57796 流体制御弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024057796

(43)【公開日】2024-04-25

(54)【発明の名称】流体制御弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/04 20060101AFI20240418BHJP

【ＦＩ】

F16K31/04 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022164702

(22)【出願日】2022-10-13

(71)【出願人】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391051496

【氏名又は名称】ＣＫＤ日機電装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】尾藤 潤一

(72)【発明者】

【氏名】森 明弘

(72)【発明者】

【氏名】高畑 実

【テーマコード（参考）】

3H062

【Ｆターム（参考）】

3H062AA02

3H062AA14

3H062BB04

3H062CC01

3H062DD01

3H062DD05

3H062FF07

3H062HH10

(57)【要約】

【課題】弁座の、弁体の開閉方向における寸法の変動に対応可能な流体制御弁を提供すること。
【解決手段】弁体３２に対し、閉方向に付勢力を与えるスプリング５２を備えること、サーボモータ６は、弁体３２を動作させる駆動軸６２を備えること、駆動軸６２が目標位置に移動するように駆動軸６２を制御する位置制御モードと、駆動軸６２が目標推力を得られるように駆動軸６２を制御する推力制御モードと、を備えること、弁体３２が弁開位置から弁閉位置への動作するとき、弁開位置から、弁体３２が弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置に達するまで、サーボモータ６を位置制御モードにより制御し、所定の位置から、サーボモータ６の制御を位置制御モードから目標推力をゼロとした推力制御モードに切り替え、弁体３２を付勢力のみで弁閉位置に到達させる制御プログラムを備えること。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、弁体と、弁座と、流路と、を備え、
前記モータにより、前記弁体が、前記弁座から離間する弁開位置と前記弁座に当接する弁閉位置との間を動作することで、前記流路を流れる制御流体の制御を行う流体制御弁において、
前記弁体に対し、閉方向に付勢力を与える弾性部材を備えること、
前記モータは、
前記弁体を動作させる駆動軸を備えること、
前記駆動軸が目標位置に移動するように前記駆動軸を制御する位置制御モードと、
前記駆動軸が目標推力を得られるように前記駆動軸を制御する推力制御モードと、
を備えること、
前記弁体が前記弁開位置から前記弁閉位置への動作するとき、前記弁開位置から、前記弁体が前記弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置に達するまで、前記モータを前記位置制御モードにより制御し、前記所定の位置から、前記モータの制御を前記位置制御モードから前記目標推力をゼロとした前記推力制御モードに切り替え、前記弁体を前記付勢力のみで前記弁閉位置に到達させる制御プログラムを備えること、
を特徴とする流体制御弁。

【請求項2】

請求項１に記載の流体制御弁において、
前記制御プログラムは、
前記弁体が前記弁閉位置に到達した後、前記目標推力をゼロとした前記推力制御モードにより、前記弁体が前記弁閉位置にある状態を維持すること、
を特徴とする流体制御弁。

【請求項3】

請求項１または２に記載の流体制御弁において、
前記所定の位置は、前記弁座の、前記弁体の開閉方向の熱膨張量に基づき定められること、
を特徴とする流体制御弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータと、弁体と、弁座と、流路と、を備え、モータにより、弁体が、弁座から離間する弁開位置と弁座に当接する弁閉位置との間を動作することで、流路を流れる制御流体の制御を行う流体制御弁に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体製造工程における成膜処理には複数種のプロセスガスが用いられる。このプロセスガスの流量を制御するために、流体制御弁が用いられる。流体制御弁としては、例えば、特許文献１に開示される流体制御弁が知られている。特許文献１に開示される流体制御弁は、エアオペレイト式開閉弁であり、エアシリンダにより弁体（ダイアフラム）と弁座の当接離間動作を制御し、プロセスガスの流量制御を行うものである。

【0003】

また、特許文献１に開示される流体制御弁はエアシリンダを駆動装置としたエアオペレイト式開閉弁であるが、リニアタイプのサーボモータを駆動装置とした電動駆動方式を取る場合がある。リニアタイプのサーボモータを駆動源として用いる場合、例えば、弁体と弁座が当接する位置をサーボモータの原点位置として設定し、原点位置からの相対位置により弁開度が調整される。そして、弁閉するときには原点復帰することで、弁体と弁座を当接させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－２２３３１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記したリニアタイプのサーボモータを用いた流体制御弁には、以下のような問題があった。

【0006】

通常、原点位置の設定は、流体制御弁の使用者が、常温の雰囲気下で行われることが一般的である。しかし、制御対象となるプロセスガスは、例えば２００℃等、非常に高温である。弁座は、ＰＦＡ等の樹脂製であることが一般的であるところ、制御流体により加熱され、膨張する。この膨張により、弁座の、弁体の開閉方向における寸法（厚み寸法）が、常温下における寸法よりも大きくなるおそれがある。弁座の厚み寸法が大きくなると、弁開状態から弁閉しようとしたとき、サーボモータが原点位置に達する前に、弁体と弁座が当接することになる。しかし、弁体と弁座が当接した後も、サーボモータは原点復帰をしようとするため、弁体と弁座とが強干渉し、サーボモータに高負荷がかかる。半導体製造工程においてプロセスガスの流量制御を行う流体制御弁は、精度高く弁開度を制御する必要があることから、分解能の高いサーボモータが用いられている。このため、弁座が数μｍ膨張するだけでも、サーボモータに非常に高い負荷がかかる。サーボモータに高負荷がかかった状態が継続されると、モータコイルの焼損等、サーボモータの故障の原因になる。

【0007】

また、弁体と弁座が当接離間を繰り返すことで弁座が摩耗した場合、弁座の厚み寸法が、初期状態よりも小さくなるおそれがある。弁座の厚み寸法が小さくなると、弁開状態から弁閉しようとしたとき、サーボモータが原点位置に達しても弁体と弁座が当接しないおそれがある。弁体と弁座が当接しなければ、シール不良による流体漏れが発生するおそれがある。

【0008】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、弁座の、弁体の開閉方向における寸法の変動に対応可能な流体制御弁を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の一態様における流体制御弁は、次のような構成を有している。

【0010】

（１）モータと、弁体と、弁座と、流路と、を備え、前記モータにより、前記弁体が、前記弁座から離間する弁開位置と前記弁座に当接する弁閉位置との間を動作することで、前記流路を流れる制御流体の制御を行う流体制御弁において、前記弁体に対し、閉方向に付勢力を与える弾性部材を備えること、前記モータは、前記弁体を動作させる駆動軸を備えること、前記駆動軸が目標位置に移動するように前記駆動軸を制御する位置制御モードと、前記駆動軸が目標推力を得られるように前記駆動軸を制御する推力制御モードと、を備えること、前記弁体が前記弁開位置から前記弁閉位置への動作するとき、前記弁開位置から、前記弁体が前記弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置に達するまで、前記モータを前記位置制御モードにより制御し、前記所定の位置から、前記モータの制御を前記位置制御モードから前記目標推力をゼロとした前記推力制御モードに切り替え、前記弁体を前記付勢力のみで前記弁閉位置に到達させる制御プログラムを備えること、を特徴とする。

【0011】

（１）に記載の流体制御弁によれば、弁体が弁開位置から弁閉位置への動作するとき、弁開位置から、弁体が弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置に達するまで、モータを位置制御モードにより制御し、所定の位置から、モータの制御を位置制御モードから目標推力をゼロとした推力制御モードに切り替え、弁体を弾性部材の付勢力のみで弁閉位置に到達させるよう制御する。つまり、弁体は、所定の位置から弁閉位置まで、弾性部材の付勢力のみで駆動されるため、弁座が膨張し、モータが原点位置に達する前に、弁体と弁座が当接したとしても、その後にモータが原点復帰をしようとすることはない。よって、モータに高負荷がかかることもなく、モータコイルの焼損等、モータの故障を防止することができる。

【0012】

また、弁座が摩耗して小さくなり、モータが原点位置に達しても弁体と弁座が当接しないような場合でも、弁体は、所定の位置から弾性部材の付勢力のみで駆動されるため、原点位置で止まることなく、弁座に当接する弁閉位置まで確実に駆動される。よって、シール不良による流体漏れの発生を防ぐことができる。

【0013】

（２）（１）に記載の流体制御弁において、前記制御プログラムは、前記弁体が前記弁閉位置に到達した後、前記目標推力をゼロとした前記推力制御モードにより、前記弁体が前記弁閉位置にある状態を維持すること、が望ましい。

【0014】

（２）に記載の流体制御弁によれば、弁閉状態を維持する場合、すなわち弁体が弁閉位置にある状態は、目標推力をゼロとした推力制御モードにより維持される。つまり、モータには負荷がかかっておらず、弾性部材の付勢力のみで、弁閉状態が維持される。これにより、モータにかかる負荷を減らし、長寿命化を図ることができる。また、例えば、流体制御弁が故障したり、停電等により流体制御弁への電源供給が遮断されたりした場合でも、弾性部材の付勢力のみで弁閉状態が維持されるため、フェールセーフの観点から、安全性が高い。

【0015】

（３）（１）または（２）に記載の流体制御弁において、前記所定の位置は、前記弁座の、前記弁体の開閉方向の熱膨張量に基づき定められること、が望ましい。

【0016】

弁体を弁開位置から弁閉位置まで駆動する際の応答性を高めるためには、所定の位置を可能な限り弁座に近くし、弁開位置から弁閉位置までの間における、弾性部材の付勢力のみに頼る範囲を可能な限り狭くすることが望ましい。そこで、所定の位置は、弁座の、弁体の開閉方向の熱膨張量に基づき定める。具体的には、例えば、弁座の熱膨張量がΔｔとすれば、所定の位置を、モータの原点位置よりもΔｔ＋数μｍ前の位置に設定する。この位置は、弁体の弁開位置から弁閉位置までのストローク中、弁体が弁開位置から閉方向へ９０－９５％進んだ位置である。所定の位置をこのように設定することで、弁体は、膨張した弁座に当接する直前の位置まで、モータの位置制御モードにより駆動されるため、応答性高く弁閉することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明の流体制御弁によれば、弁座の、弁体の開閉方向における寸法の変動に対応可能である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】流体制御弁の模式的な断面図である。

【図2】図１のＸ部分の部分拡大図である。

【図3】流体制御弁の制御系のブロック図である。

【図4】流体制御弁の初期設定プログラムのフローである。

【図5】流体制御弁の制御プログラムのフローである。

【図6】（ａ）は、弁体が開弁位置から閉弁位置まで動作する際のサーボモータの制御モードの状態を表す図である。（ｂ）は、弁体が弁開位置から弁閉位置まで動作する際の、弁体の位置を表すグラフである。（ｃ）は、弁体が弁開位置から弁閉位置まで動作する際の、駆動軸の推力値を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明に係る流体制御弁の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する

【0020】

（流体制御弁の構成について）
本実施形態に係る流体制御弁１の構成について図１を用いて説明する。図１は、流体制御弁１の模式的な断面図である。流体制御弁１は、半導体製造装置のガス供給系に配設される電動のガスバルブであり、駆動部２と、弁部３とからなっている。さらに、駆動部２は、アクチュエータ部４と、スプリング部５とからなっている。

【0021】

まず、アクチュエータ部４について説明する。アクチュエータ部４は、直動式のサーボモータ６（モータの一例）と、サーボモータ６とスプリング部５とを接続するための接続ブラケット７と、を備えている。

【0022】

サーボモータ６は、直方体状のケース６１と、ケース６１の中心部に挿通される円柱状の駆動軸６２と、を備えている。ケース６１は、接続ブラケット側７側の端部（図中の下端部）と、接続ブラケット７側とは反対側の端部（図中の上端部）のそれぞれに、リニア軸受６３を備えている。このリニア軸受６３は、駆動軸６２を、駆動軸６２の軸方向に進退可能なように支持している。駆動軸６２の軸方向は、図１中の上下方向であり、後述する弁体３２の開閉方向と一致されている。なお、図中の上側が開方向であり、下側が閉方向である。

【0023】

駆動軸６２は、ケース６１に挿通されている部分の外周にマグネット６２１を備えている。また、ケース６１は、駆動軸６２のマグネット６２１を取り囲むようにして位置するコイル６４を備える。コイル６４に通電する電圧、電流の大きさに応じて、マグネット６２１は開閉方向に移動される。これにより、マグネット６２１と結合されている駆動軸６２が、開閉方向に駆動される。

【0024】

駆動軸６２は、接続ブラケット７側とは反対側の端部（図中の上端部）に、リニアスケール６２２を備えている。また、サーボモータ６は、ケース６１の上端部に、リニアスケール６２２の上下位置の変位を検出するリニアエンコーダ６５を備えている。リニアエンコーダ６５がリニアスケール６２２の上下位置の変位を検出することで、駆動軸６２の開閉方向の位置を検出可能である。

【0025】

駆動軸６２の接続ブラケット７側の端部（図中の下端部）は、ケース６１から突出し、接続ブラケット７内で、カップリング８により、円柱状のロッド９と連結している。ロッド９は、スプリング部５に挿通されており、接続ブラケット７内から弁部３まで延在している。

【0026】

次にスプリング部５について説明する。スプリング部５は、ハウジング５１と、スプリング５２（弾性部材の一例）と、を備えている。ハウジング５１は中空状で、中央部にロッド９が挿通されている。そして、ロッド９と同軸上に、スプリング５２が位置している。スプリング５２は、圧縮コイルばねであり、弁部３側の端部（図中の下端部）が、後述する弁体３２のスプリング部５側の端面（図中の上端面）に当接することで、弁体３２を、常に閉方向（図中の下方向）に付勢している。

【0027】

次に弁部３について説明する。弁部３は、ボディ３１と、弁体３２と、を備えている。ボディ３１は、スプリング部５と接続する筒状部３１５を備えている。また、ボディ３１には、該筒状部３１５の内側に、弁室３１１が穿設されている。

【0028】

弁室３１１は、中央部で、弁口３１２を介して、入力流路３１３と連通している。この入力流路３１３は、プロセスガスを弁室３１１に入力するために用いられる。また、弁室３１１の底面において、弁口３１２の外周部には、弁口３１２と同軸上に、円環状の弁座３３が設けられている。さらに、弁室３１１は、弁座３３の半径方向外側において、出力流路３１４と連通している。この出力流路３１４は、プロセスガスを弁室３１１から出力するために用いられる。つまり、入力流路３１３と、弁室３１１と、出力流路３１４により、プロセスガスが流れる一連の流路が形成されている。

【0029】

弁座３３は、例えば、耐熱性の優れたＰＩ（ポリイミド）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）からなる。弁座３３の、弁体３２に対向する端面は、弁体３２が当接する当接面３３１（図２参照）である。

【0030】

図２に示す当接面３３１の開閉方向における位置Ｙ１１は、常温下おける位置である。流体制御弁１を流れるプロセスガスは、例えば２００℃等、非常に高温であるため、弁座３３はプロセスガスに加熱され、膨張する。この膨張後の当接面３３１の開閉方向における位置が、位置Ｙ１２に示す位置である。例えば、弁座３３の材質をＰＦＡとし、弁座３３の、開閉方向における寸法（厚み寸法）を約１．５ｍｍとすれば、膨張量Δｔ１１は、２０～３０μｍになる。

【0031】

一方、弁体３２と弁座３３が当接離間を繰り返すことで弁座３３が摩耗するおそれや、クリープ等により変形するおそれもある。摩耗やクリープすることにより、当接面３３１の開閉方向における位置が、位置Ｙ１３に示す位置である。この時の位置Ｙ１１と位置Ｙ１３との差を収縮量Δｔ１２とする。

【0032】

弁体３２は、本体部３２１と、ダイアフラム３２２と、を備えている。本体部３２１の材質は、例えばステンレス鋼である。本体部３２１は、上端部でロッド９に連結されており、駆動軸６２が進退するに伴い、開閉方向（図中の上下方向）に動作される。そして、本体部３２１の下端面が、弁座３３と当接する当接面である。

【0033】

ダイアフラム３２２は、材質をＮｉ合金とする、円盤状の薄膜部材である。本体部３２１とダイアフラム３２２とは、例えばレーザ溶接により接合されている。さらに、ダイアフラム３２２の外周縁は、ハウジング５１に固定されている。これにより、ダイアフラム３２２は、ボディ３１の筒状部３１５の内部を、弁室３１１とその上部とに区画するとともに、本体部３２１が開閉方向（図中の上下方向）に動作されるに合わせて弾性変形を繰り返すようになっている。

【0034】

（流体制御弁の制御系について）
流体制御弁１の制御系について、図３を用いて説明する。図３は、流体制御弁１の制御系のブロック図である。サーボモータ６を制御するドライバ１０は、位置制御用コントローラ１０１と、推力制御用コントローラ１０２と、位置ループ制御器１０３と、速度ループ制御器１０４と、電流ループ制御器１０５と、変換器１０６，１０７，１０８と、制御切替スイッチ１０９と、を備えている。サーボモータ６は、駆動軸６２が目標位置に移動するように駆動軸６２を制御する位置制御モードと、駆動軸６２が目標推力を得られるように駆動軸６２を制御する推力制御モードと、を備えており、制御切替スイッチ１０９により、位置制御モードと推力制御モードの切り替えを行うことが可能になっている。

【0035】

位置制御モードによる制御は以下のようにして行われる。まず、位置制御用コントローラ１０１が、駆動軸６２の目標位置に基づいて、位置指令を位置ループ制御器１０３に出力する。

【0036】

そして、位置ループ制御器１０３は、位置指令とリニアエンコーダ６５からフィードバックされる駆動軸６２の現在位置とに基づき、例えばＰＤ制御を行い、速度指令を算出する。なお、リニアエンコーダ６５からフィードバックされる駆動軸６２の現在位置とは、リニアエンコーダ６５が出力するパルス数に基づき、変換器１０７が出力する信号である。

【0037】

そして、速度ループ制御器１０４は、位置ループ制御器１０３が算出する速度指令と、リニアエンコーダ６５からフィードバックされる駆動軸６２の現在速度と、に基づき、例えばＰＩＤ制御を行い、トルク指令を算出する。なお、リニアエンコーダ６５からフィードバックされる駆動軸６２の現在速度とは、リニアエンコーダ６５が出力するパルス数に基づき、変換器１０８が出力する信号である。

【0038】

そして、電流ループ制御器１０５は、速度ループ制御器１０４により算出されたトルク指令に基づいて電流指令を出力する。この電流指令に基づいて、変換器１０６が必要な電流をサーボモータ６に供給し、これによりサーボモータ６の駆動軸６２の位置が制御される。

【0039】

推力制御モードによる制御は以下のようにして行われる。まず、推力制御用コントローラ１０２が、駆動軸６２の目標推力に基づいて、推力指令を電流ループ制御器１０５に出力する。そして、電流ループ制御器１０５は、推力制御用コントローラ１０２から出力された推力指令に基づいて電流指令を出力する。この電流指令に基づいて、変換器１０６が必要な電流をサーボモータ６に供給し、これによりモータ２の駆動軸６２の推力が制御される。

【0040】

（流体制御弁の動作について）
以上のような制御系において、流体制御弁１は、以下のように動作される。図４は、流体制御弁１の初期設定プログラムのフローである。図５は、流体制御弁１の制御プログラムのフローである。図６（ａ）は、弁体３２が弁開位置から弁閉位置まで動作する際のサーボモータ６の制御モードの状態を表す図である。図６（ｂ）は、弁体３２が弁開位置から弁閉位置まで動作する際の、弁体３２の位置を表すグラフである。図６（ｃ）は、弁体３２が弁開位置から弁閉位置まで動作する際の、駆動軸６２の推力値を表すグラフである。

【0041】

流体制御弁１の使用を開始する前に、初期設定プログラムに従って、流体制御弁１の制御に必要なパラメータ（図４中のＳ１１－Ｓ１７に示す項目）について、初期設定を行う。以下に具体的に説明する。

【0042】

まず、サーボモータ６の原点位置の設定を行う（図４中のＳ１１）。具体的には、常温下において、弁体３２を弁座３３に当接させる。つまり、弁体３２を弁閉位置に位置させる。そして、この状態における駆動軸６２の位置を、原点位置として設定する。なお、この時、弁体３２が当接する弁体３２の当接面３３１の開閉方向における位置は、位置Ｙ１１である。

【0043】

次に、目標位置を設定する（図４中のＳ１２）。この目標位置とは、駆動軸６２の原点位置から開方向への移動量であり、位置制御モードにおいては、位置制御用コントローラ１０１（図３参照）が、この目標位置に基づいて位置指令を出力する。駆動軸６２が原点位置から開方向へ移動する分だけ、弁体３２が弁閉位置から開方向に移動されるため、目標位置の設定とは、弁体３２の弁閉位置から弁開位置までのストロークの設定を行うのと同義である。この目標位置は、半導体製造工程の成膜処理において求められるプロセスガスの流量等に基づき、適宜定められる。例えば、本実施形態では約１ｍｍである。

【0044】

次に、サーボモータ６の制御の切り替え位置（所定の位置の一例）を設定する（図４中のＳ１３）。具体的には、弁体３２を弁開位置から弁閉位置に動作させる際に、弁開位置から弁閉位置までの間のどの位置で、サーボモータ６の制御を位置制御モードから推力制御モードに切り替えるのかを設定する。

【0045】

切り替え位置は、弁座３３の、弁体３２の開閉方向の熱膨張量Δｔ１１に基づき定められる。具体的には、例えば、弁座３３の熱膨張量Δｔ１１とすれば、切り替え位置を、サーボモータ６の原点位置よりも熱膨張量Δｔ１１＋数μｍ前の位置に設定する。この位置は、弁体３２の弁開位置から弁閉位置までのストローク（例えば1ｍｍ）中、弁体３２が弁開位置から閉方向へ９０－９５％進んだ位置である。

【0046】

次に、サーボモータ６の加減速度時間を設定する（図４中のＳ１４）。これは、駆動軸６２が原点位置から目標位置まで移動するのにかかる時間を設定するものである。これは、弁体３２の弁開位置と弁閉位置との間の移動にかかる時間を設定することと同義である。

【0047】

次に、弁開位置でのサーボモータ６の停止時間を設定する（図４中のＳ１５）。これは、弁体３２を弁開位置させた後、その弁開状態を維持する時間を設定するものである。

【0048】

次に、弁閉位置でのサーボモータ６の停止時間を設定する（図４中のＳ１６）。これは、弁体３２を弁閉位置させた後、その弁閉状態を維持する時間を設定するものである。以上の図４中のＳ１４－Ｓ１６において設定される時間は、半導体製造工程の成膜処理において要求される開閉動作のサイクルタイムに応じて適宜設定される。

【0049】

次に、目標推力を設定する（図４中のＳ１７）。これは、推力制御モードによりサーボモータ６を制御する際の、駆動軸６２を駆動する推力を設定する。ここでは、目標推力をゼロに設定する。目標推力の設定が完了すると、パラメータの初期設定を完了する。なお、各パラメータ（図４中のＳ１１－１７）を設定する順番は、上記に限定されない。また、図４中のＳ１７を省略し、予め目標推力がゼロに設定されているものとしても良い。

【0050】

流体制御弁１の開閉動作は、以下に説明する制御プログラムによって行われる。

【0051】

まず、流体制御弁１の動作を開始させると、リニアエンコーダ６５が駆動軸６２の現在位置を検出する（図５中のＳ２１）。駆動軸６２の現在位置とは、すなわち弁体３２の現在位置である。弁体３２は、常にスプリング５２に閉方向に付勢されているため、流体制御弁１の動作開始時は、弁閉位置にある。そのため、ここでは、原点位置にあると検出する。

【0052】

次に、弁開動作が行われる（図５中のＳ２２）。つまり、弁体３２が弁開位置に向かって駆動される。これは、位置制御モードにより行われるもので、初期設定にて設定された目標位置（図４中のＳ１２参照）に基づき行われる。本実施形態では、ストロークが１ｍｍに設定されているため、弁体３２は、原点位置から開方向に１ｍｍ移動する。この時の移動速度は、初期設定にて設定されたサーボモータ６の加減速度時間（図４中のＳ１４参照）に基づく。

【0053】

なお、図６中の時点ｔ０が、弁体３２が弁開位置に達した時点である。図６（ａ）に示すように、時点ｔ０において、サーボモータ６の制御モードは、位置制御モードである。また、図６（ｂ）に示すように、弁体３２の位置は弁開位置に位置している。また、駆動軸６２の推力は、ゼロよりも大きい値（Ｆ１１）を示している。駆動軸６２に推力が生じているのは、スプリング５２の付勢力に抗して駆動軸６２の位置を開弁位置に維持しているためである。なお、弁体３２が弁開位置に到達したか否かは、駆動軸６２の現在位置の変化量が任意の偏差パルスの範囲内に収まるか否かにより監視しており、当該範囲内に収まったときに、弁体３２が弁開位置に到達したと判断される。

【0054】

次に、弁体３２は、弁開位置まで移動した後、弁開位置に保持される（図５中のＳ２３）。この保持される時間は、初期設定にて設定された、弁開位置におけるサーボモータ６の停止時間（図４中のＳ１５参照）に基づき行われる。

【0055】

なお、図６中の時点ｔ０から時点ｔ１が、この停止時間に当たる。時点ｔ０から時点ｔ１の間、位置制御モードにより、弁体３２が弁開位置に維持されている（図６（ａ），（ｂ）参照）。駆動軸６２に生じている推力も、時点ｔ０から時点ｔ１の間、一定である（図６（ｃ）参照）。

【0056】

上記停止時間が経過すると、次に、弁閉動作が行われる（図５中のＳ２４）。これは、位置制御モードにより行われるもので、サーボモータ６の駆動軸６２が原点位置に向かうように制御されることで、弁体３２が弁閉位置に向かって駆動される。この時の移動速度は、初期設定にて設定されたサーボモータ６の加減速度時間（図４中のＳ１４参照）に基づく。

【0057】

なお、図６中の時点ｔ１が、弁閉動作が開始される時点である。時点ｔ１から、位置制御モードが維持された状態で、弁体３２が、弁閉位置に向かって動作を開始している（図６（ａ），（ｂ）参照）。そして、駆動軸６２の推力は、弁閉動作の開始直後に最大値（Ｆ１２）を示している。これは、動作開始時に、駆動軸６２を閉方向に急激に加速させるためである。そして、弁体３２が弁閉位置に近づくにつれ、駆動軸６２にブレーキを働かせるために推力を開方向に働かせるため、図６（ｃ）においては、推力がマイナスの値（Ｆ１３）にまで低下している。

【0058】

次に、弁閉動作が開始されると、駆動軸６２が、サーボモータ６の制御の切り替え位置に達したか否かの監視を行う（図５中のＳ２５）。サーボモータ６の制御の切り替え位置とは、初期設定で設定された、サーボモータ６の制御を位置制御モードから推力制御モードに切り替える位置である（図４中Ｓ１３参照）。切り替え位置に達するまでは、位置制御モードにより、サーボモータ６の駆動軸６２が原点位置に向かうよう制御され続ける（Ｓ２５：ＮＯ）。そして、駆動軸６２が切り替え位置に達すると（Ｓ２５：ＹＥＳ）、推力制御モードへの切り替えが行われる（図５中のＳ２６）。これは、制御切替スイッチ１０９（図３参照）の切り替えにより行われる。

【0059】

推力制御モードに切り替えられると、サーボモータ６は、目標推力に基づき制御される。目標推力とは、初期設定で設定されるパラメータであり（図４中のＳ１７参照）、ここでは目標推力がゼロに設定されている。したがって、変換器１０６（図３参照）からサーボモータ６への電流の供給は行われず、弁体３２は、スプリング５２の付勢力のみで弁体３２が弁座３３に当接する位置（弁閉位置）まで移動される。

【0060】

常温下においては、サーボモータ６の原点位置が弁閉位置であるが、弁座３３が膨張していれば、弁閉位置は、その熱膨張量Δｔ１１（図２参照）の分だけ、原点位置よりも開方向側にずれる。つまり、サーボモータ６が原点位置に到達する前に、弁体３２と弁座３３が当接する。しかし、弁体３２は、切り替え位置からスプリング５２の付勢力のみで駆動されるため、弁座３３が膨張し、サーボモータ６が原点位置に達する前に、弁体３２と弁座３３が当接したとしても、その後にサーボモータ６が原点復帰をしようとすることはない。よって、サーボモータ６に高負荷がかかることもなく、コイル６４の焼損等、サーボモータ６の故障を防止することができる。

【0061】

また、位置制御モードから推力制御モードへの切り替え位置が、弁体３２の弁開位置から弁閉位置までのストローク中、弁体３２が弁開位置から閉方向へ９０－９５％進んだ位置に定められているため、弁体３２を弁開位置から弁閉位置まで駆動する際の応答性が高められている。半導体製造装置のガス供給系に配設される流体制御弁１は小型であるため、スプリング５２の付勢力が、通常のエアオペレイト式のバルブに比べて低い。このため、応答性を高めるためには、切り替え位置を可能な限り弁座３３に近くし、弁開位置から弁閉位置までの間における、スプリング５２の付勢力のみに頼る範囲を可能な限り狭くすることが望ましい。切り替え位置を上記のように設定することで、弁体３２は、膨張した弁座３３に当接する直前の位置まで、サーボモータ６の位置制御モードにより駆動されるため、応答性高く弁閉することができる。

【0062】

一方で、弁座３３が、摩耗やクリープし、当接面３３１の位置が下がっていれば、弁閉位置は、その収縮量Δｔ１２（図２参照）の分だけ、原点位置よりも閉方向側にずれる。つまり、サーボモータ６が原点位置に到達しても、弁体３２が弁座３３に当接しない。しかし、弁体３２は、切り替え位置からスプリング５２の付勢力のみで駆動されるため、サーボモータ６が原点位置に到達したとしても、原点位置で止まることなく、弁座３３に当接する弁閉位置まで確実に駆動される。よって、シール不良による流体漏れの発生を防ぐことができる。

【0063】

なお、図６中の時点ｔ２が、弁体３２が切り替え位置に達した時点であり、サーボモータ６の制御が位置制御モードから推力制御モードに切り替えられた時点である。推力制御モードに切り替えられると、駆動軸６２の推力は、設定された目標推力に基づき、ゼロになっている。そして、推力制御モードに切り替えられた時点ｔ２から、弁体３２の移動速度が低下している（図６（ｂ）のグラフの傾きが緩やかになっている）。これは、スプリング５２の付勢力のみで弁体３２が移動されているからである。そして、図６中の時点ｔ３が、弁体３２が弁閉位置に到達した時点である。なお、弁体３２が弁閉位置に到達したか否かは、駆動軸６２の現在位置の変化量が任意の偏差パルスの範囲内に収まるか否かにより監視しており、当該範囲内に収まったときに、弁体３２が弁閉位置に到達したと判断される。

【0064】

次に、弁閉位置に達すると、弁体３２は、弁閉位置に保持される（図５中のＳ２７）。この保持される時間は、初期設定にて設定された、弁閉位置におけるサーボモータ６の停止時間（図４中のＳ１６参照）に基づき行われる。弁閉位置に保持されている間、サーボモータ６は、目標推力をゼロとした推力制御モードにより制御されている。つまり、サーボモータ６には負荷がかかっておらず、スプリング５２の付勢力のみで、弁閉状態が維持された状態である。これにより、サーボモータ６にかかる負荷を減らし、長寿命化を図ることができる。また、例えば、流体制御弁１が故障したり、停電等により流体制御弁１への電源供給が遮断されたりした場合でも、スプリング５２の付勢力のみで弁閉状態が維持されるため、フェールセーフの観点から、安全性が高い。

【0065】

上記の停止時間が経過すると、次に、位置制御モードに切り替えが行われ（図５中のＳ２８）、その後、位置制御モードによる弁閉動作が行われる（図５中のＳ２４）。以上のように、図５中のＳ２２－Ｓ２８の処理を繰り返すことで、流体制御弁１の開閉動作が行われる。

【0066】

以上説明したように、本実施形態に係る流体制御弁１は、
（１）モータ（例えば、サーボモータ６）と、弁体３２と、弁座３３と、流路（入力流路３１３と、弁室３１１と、出力流路３１４により形成される一連の流路）と、を備え、モータ（サーボモータ６）により、弁体３２が、弁座３３から離間する弁開位置と弁座３３に当接する弁閉位置との間を動作することで、流路を流れる制御流体（例えば、プロセスガス）の制御を行う流体制御弁１において、弁体３２に対し、閉方向に付勢力を与える弾性部材（例えば、スプリング５２）を備えること、モータ（サーボモータ６）は、弁体３２を動作させる駆動軸６２を備えること、駆動軸６２が目標位置に移動するように駆動軸６２を制御する位置制御モードと、駆動軸６２が目標推力を得られるように駆動軸６２を制御する推力制御モードと、を備えること、弁体３２が弁開位置から弁閉位置への動作するとき、弁開位置から、弁体３２が弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置（切り替え位置）に達するまで、モータ（サーボモータ６）を位置制御モードにより制御し、所定の位置（切り替え位置）から、モータ（サーボモータ６）の制御を位置制御モードから目標推力をゼロとした推力制御モードに切り替え、弁体３２を付勢力のみで弁閉位置に到達させる制御プログラム（図５中のＳ２１－Ｓ２８）を備えること、を特徴とする。

【0067】

（１）に記載の流体制御弁１によれば、弁体３２が弁開位置から弁閉位置への動作するとき、弁開位置から、弁体３２が弁閉位置に到達するよりも前の所定の位置に達するまで、モータ（サーボモータ６）を位置制御モードにより制御し、所定の位置から、モータ（サーボモータ６）の制御を位置制御モードから目標推力をゼロとした推力制御モードに切り替え、弁体を弾性部材の付勢力のみで弁閉位置に到達させるよう制御する。つまり、弁体３２は、所定の位置（切り替え位置）から弁閉位置まで、弾性部材（スプリング５２）の付勢力のみで駆動されるため、弁座３３が膨張し、モータ（サーボモータ６）が原点位置に達する前に、弁体３２と弁座３３が当接したとしても、その後にモータ（サーボモータ６）が原点復帰をしようとすることはない。よって、モータ（サーボモータ６）に高負荷がかかることもなく、モータコイル６４の焼損等、モータ（サーボモータ６）の故障を防止することができる。

【0068】

また、弁座３３が摩耗して小さくなり、モータ（サーボモータ６）が原点位置に達しても弁体３２と弁座３３が当接しないような場合でも、弁体３２は、所定の位置（切り替え位置）から弾性部材（スプリング５２）の付勢力のみで駆動されるため、原点位置で止まることなく、弁座３３に当接する弁閉位置まで確実に駆動される。よって、シール不良による流体漏れの発生を防ぐことができる。

【0069】

（２）（１）に記載の流体制御弁１において、制御プログラム（図５中のＳ２１－Ｓ２８）は、弁体３２が弁閉位置に到達した後、目標推力をゼロとした推力制御モードにより、弁体３２が弁閉位置にある状態を維持すること、が望ましい。

【0070】

（２）に記載の流体制御弁１によれば、弁閉状態を維持する場合、すなわち弁体３２が弁閉位置にある状態は、目標推力をゼロとした推力制御モードにより維持される。つまり、モータ（サーボモータ６）には負荷がかかっておらず、弾性部材（スプリング５２）の付勢力のみで、弁閉状態が維持される。これにより、モータ（サーボモータ６）にかかる負荷を減らし、長寿命化を図ることができる。また、例えば、流体制御弁１が故障したり、停電等により流体制御弁１への電源供給が遮断されたりした場合でも、弾性部材（スプリング５２）の付勢力のみで弁閉状態が維持されるため、フェールセーフの観点から、安全性が高い。

【0071】

（３）（１）または（２）に記載の流体制御弁１において、前記所定の位置（切り替え位置）は、弁座３３の、弁体３２の開閉方向の熱膨張量Δｔ１１に基づき定められること、が望ましい。

【0072】

弁体３２を弁開位置から弁閉位置まで駆動する際の応答性を高めるためには、所定の位置（切り替え位置）を可能な限り弁座３３に近くし、弁開位置から弁閉位置までの間における、弾性部材（スプリング５２）の付勢力のみに頼る範囲を可能な限り狭くすることが望ましい。そこで、所定の位置（切り替え位置）は、弁座３３の、弁体３２の開閉方向の熱膨張量Δｔ１１に基づき定める。具体的には、例えば、所定の位置を、モータ（サーボモータ６）の原点位置よりもΔｔ１１＋数μｍ前の位置に設定する。この位置は、弁体３２の弁開位置から弁閉位置までのストローク中、弁体３２が弁開位置から閉方向へ９０－９５％進んだ位置である。所定の位置（切り替え位置）をこのように設定することで、弁体３２は、膨張した弁座３３に当接する直前の位置まで、モータ（サーボモータ６）の位置制御モードにより駆動されるため、応答性高く弁閉することができる。

【0073】

なお、上記の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、本実施形態に係る流体制御弁１の開閉動作は、弁体３２の本体部３２１の下端面が弁座３３と当接離間することで行われるが、特開２０１７－２２３３１８号公報に開示される流体制御弁のように、ダイアフラムが弁座と当接離間することで、開閉動作を行うものとしても良い。

【符号の説明】

【0074】

１ 流体制御弁
６ サーボモータ（モータの一例）
３２ 弁体
３３ 弁座
５２ スプリング（弾性部材の一例）
６２ 駆動軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】