特許 7183989 バルブ制御装置、真空バルブおよびバルブ制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-28

(45)【発行日】2022-12-06

(54)【発明の名称】バルブ制御装置、真空バルブおよびバルブ制御方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 13/02 20060101AFI20221129BHJP

   F16K 51/02 20060101ALI20221129BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20221129BHJP

【ＦＩ】

G05B13/02 A

F16K51/02 Z

G05B11/36 N

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019139006

(22)【出願日】2019-07-29

(65)【公開番号】P2021022224

(43)【公開日】2021-02-18

【審査請求日】2021-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100121382

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 託嗣

(72)【発明者】

【氏名】小崎 純一郎

【審査官】大古 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１１２２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９９２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１２９６４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １／００ － ７／０４

Ｇ０５Ｂ １１／００ －１３／０４

Ｇ０５Ｂ １７／００ －１７／０２

Ｇ０５Ｂ ２１／００ －２１／０２

Ｆ１６Ｋ ５１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バルブの弁体開度に依存するパラメータに対応して設定されたフィードバックゲインが記憶される記憶部と、
前記フィードバックゲインに基づいて前記弁体開度をフィードバック制御するフィードバック制御器と、を備え、
前記フィードバックゲインは、
弁体駆動系の主要振動に起因する前記フィードバック制御器の振動的な周波数における感度関数の大きさの極大値が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている、バルブ制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載のバルブ制御装置において、
前記パラメータは、弁体開度に対応する実効排気速度とバルブが装着されるチャンバの容積とから算出される時定数の逆数、前記実効排気速度および前記弁体開度のいずれかである、バルブ制御装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のバルブ制御装置において、
前記フィードバック制御器の伝達関数は、前記バルブを含む排気系プラントに基づいて設定される静的なゲイン補正処理と前記フィードバックゲインとを含む、バルブ制御装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のバルブ制御装置において、
前記フィードバックゲインは、前記パラメータに対して単調減少に設定されている、バルブ制御装置。

【請求項5】

弁体と、
前記弁体を駆動する弁体駆動部と、
前記弁体駆動部を制御して前記弁体の開度をフィードバック制御する請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のバルブ制御装置と、を備える真空バルブ。

【請求項6】

目標圧力に対する圧力偏差に基づいて弁体開度をフィードバック制御するバルブ制御方法において、
前記フィードバック制御のフィードバックゲインＧfbは、
弁体駆動系の主要振動（ωc）に起因する前記フィードバック制御の振動的な周波数（ω_min）における感度関数Ｇs(jω)の大きさの極大値|Ｇs(jω_min)|が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている、バルブ制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブ制御装置、真空バルブおよびバルブ制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＶＤ装置等の真空処理装置では、プロセスチャンバと真空ポンプとの間に調圧用の真空バルブ（例えば、特許文献１参照）を設け、真空バルブの開度を制御してチャンバ圧力を所定圧力に自動調整するようにしている。そのような真空バルブでは、チャンバの目標設定圧Ｐsと検出圧Ｐrとの差（圧力偏差）に対して制御器（比例要素や積分要素）にて設定開度信号を生成し、弁体開度がその設定開度値になるように弁体を駆動するフィードバック制御が行われている。

【0003】

その際、特許文献１では、弁体開度変化量に対する圧力変化量の特性が弁体開度に応じて異なるので、開度変化量と圧力変化量との関係を表すプラントゲインを用いて補正処理を行っている。このようなゲイン補正処理を行うことによって弁体開度依存性が小さくなり、異なる圧力領域において同一のフィードバック制御パラメータ値で良好な圧力制御応答が得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１１２２６３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、上述したゲイン補正処理は静的特性のゲイン補正に留まり、動的特性のゲイン補正ができていない。そのため、圧力領域（目標圧力値）によっては圧力応答が振動的になりやすく、圧力制御の安定性に問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様によるバルブ制御装置は、バルブの弁体開度に依存するパラメータに対応して設定されたフィードバックゲインが記憶される記憶部と、前記フィードバックゲインに基づいて前記弁体開度をフィードバック制御するフィードバック制御器と、を備え、前記フィードバックゲインは、弁体駆動系の主要振動に起因する前記フィードバック制御器の振動的な周波数における感度関数の大きさの極大値が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている。
本発明の第２の態様による真空バルブは、弁体と、前記弁体を駆動する弁体駆動部と、前記弁体駆動部を制御して前記弁体の開度をフィードバック制御する上記バルブ制御装置と、を備える。
本発明の第３の態様によるバルブ制御方法は、目標圧力に対する圧力偏差に基づいて弁体開度をフィードバック制御するバルブ制御方法において、前記フィードバック制御のフィードバックゲインは、弁体駆動系の主要振動に起因する前記フィードバック制御の振動的な周波数における感度関数の大きさの極大値が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、フィードバック制御の制御安定性を確保しつつ応答性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、バルブ装置の概略構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、フィードバック制御系の伝達関数ブロック図である。

【図3】図３は、開度θと実効排気速度Ｓeとの関係を示す図である。

【図4】図４は、伝達関数Ｇ３(S)の振幅に関するボード線図を示す図である。

【図5】図５は、伝達関数Ｇ２(S)の振幅に関するボード線図を示す図である。

【図6】図６は、伝達関数Ｇ１(S)の振幅に関するボード線図を示す図である。

【図7】図７は、ナイキスト線図による安定性評価を説明する図である。

【図8】図８は、伝達関数Ｇ１’(S) の振幅に関するボード線図を示す図である。

【図9】図９は、伝達関数Ｇ３’(S) の振幅に関するボード線図を示す図である。

【図10】図１０は、開ループ伝達関数Ｇ_opn(S)の伝達関数ブロック図である。

【図11】図１１は、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)と感度関数Ｇs(jω)との関係を示す図である。

【図12】図１２は、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)の各値において設定すべきＧfb(Se/V)の上限値を表すラインＬ２を示す図である。

【図13】図１３は、変形例１を示す図である。

【図14】図１４は、変形例２を示す図である。

【図15】図１５は、変形例３を示す図である。

【図16】図１６は、変形例４を示す図である。

【図17】図１７は、変形例５を示す図である。

【図18】図１８は、変形例６を示す図である。

【図19】図１９は、第１の実施の形態および変形例１～６における調圧制御器の構成を示す図である。

【図20】図２０は、第２の実施の形態における調圧制御器の構成を示す図である。

【図21】図２１は、フィードバック制御の手順の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
－第１の実施の形態－
図１は、真空処理装置に装着された真空バルブの概略構成を示すブロック図である。真空バルブは、弁体１２が設けられたバルブ本体１と、弁体駆動を制御するバルブ制御装置２とから構成される。バルブ本体１は、真空チャンバ３と真空ポンプ４との間に装着されている。真空チャンバ３には、流量コントローラ３２を介してプロセスガス等のガスが導入される。流量コントローラ３２は真空チャンバ３に導入されるガスの流量Ｑinを制御する装置であり、真空チャンバ３が設けられている真空処理装置のメインコントローラ（不図示）により制御される。真空チャンバ３内の圧力（チャンバ圧力）は真空計３１によって計測される。

【0010】

バルブ本体１には、弁体１２を開閉駆動するモータ１３が設けられている。なお、図１に示す例では弁体１２をスライドして開閉駆動する構成としたが、本発明は、これに限らず種々の開閉形態の真空バルブに適用することができる。弁体１２は、モータ１３により揺動駆動される。モータ１３には、弁体１２の開閉角度を検出するためのエンコーダ１３０が設けられている。エンコーダ１３０の検出信号は、弁体１２の開度信号θr（以下では、開度計測値θrと称することにする）としてバルブ制御装置２に入力される。

【0011】

バルブ本体１を制御するバルブ制御装置２は、調圧制御器２１、モータ駆動部２２および記憶部２３を備えている。記憶部２３には、バルブ制御に必要なパラメータ（後述するフィードバックゲインＧfbを含む）が記憶される。モータ駆動部２２はモータ駆動用のインバータ回路とそれを制御するモータ制御部と備え、エンコーダ１３０からの開度計測値θrが入力される。調圧制御器２１には、真空計３１で計測されたチャンバ圧力Ｐrが入力されると共に、上述した真空処理装置のメインコントローラから真空チャンバ３の目標圧力Ｐsが入力される。

【0012】

調圧制御器２１は、計測されるチャンバ圧力Ｐrが目標圧力Ｐsとなるように弁体１２の開度θを制御するための開度θsetをモータ駆動部２２へ出力する。モータ駆動部２２は、調圧制御器２１から入力された開度θsetとエンコーダ１３０から入力された弁体１２の開度計測値θrとに基づいて、弁体１２の開度θが開度θsetとなるようにモータ１３を駆動する。バルブ制御装置２は、例えば、ＣＰＵ，メモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）および周辺回路等を有するマイコン等の演算処理装置を備え、ＲＯＭに記憶されているソフトウェアプログラムにより、調圧制御器２１およびモータ駆動部２２のモータ制御部の機能を実現する。記憶部２３はマイコンのメモリにより構成される。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のデジタル演算器とその周辺回路により構成しても良い。

【0013】

図２は、本実施の形態におけるフィードバック制御系の伝達関数ブロック図である。特許文献１に記載の従来のフィードバック制御においては、図２の構成の内、調圧制御器系の伝達関数にて排気系プラントの静的な影響のみしか考慮していなかった。一方、本実施の形態では、弁体駆動系の伝達関数Ｇ２(S)、および排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)を導入し、これら２つの動的な影響を考慮して調圧制御器系の伝達関数Ｇ１(S)の最適化を図った上で、このような３つの制御ブロックにより調圧フィードバック制御を行うようにした。

【0014】

［排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)］
排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)の導出について説明する。チャンバ圧力Ｐrに関しては、通常、次式（１）で示す排気の式が成立する。
Ｑin＝Ｖ×(ｄＰr/ｄt)＋Ｓe×Ｐr …（１）

【0015】

式（１）において、左辺のＱinは真空チャンバ３への導入ガス流量である。式（１）の右辺において、Ｖは真空チャンバ３の容積、ｄＰr/ｄtはチャンバ圧力Ｐrの時間微分、Ｓeは真空チャンバ３の排気に関する真空排気系の実効排気速度である。実効排気速度Ｓeは、チャンバ構造および弁体１２の開度θrにより決まるコンダクタンスと、真空ポンプ４の排気速度とで決まる量である。弁体１２の開度θと実効排気速度Ｓeとの関係は、一般的に図３に示すような単調増加の関係にある。

【0016】

排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)は、目標圧力Ｐsに収束したある平衡状態(状態０)の近傍にて微小変化するとして、排気の式（１）を線形化およびラプラス変換することで得られる。平衡状態(状態０)におけるＰr，Ｑin，Ｓeおよびθrを、それぞれＰ0，Ｑin0，Ｓe0およびθ0のように表す。平衡状態の近傍におけるＰr，Ｑin，Ｓeおよびθrは、微小変化量ΔＰ，ΔＱin，ΔＳeおよびΔθを用いて、Ｐr＝Ｐ0＋ΔＰ、Ｑin＝Ｑin0＋ΔＱin、Ｓe＝Ｓe0＋ΔＳe、θr＝θ0＋Δθのように表される。

【0017】

上述した平衡状態の近傍におけるＰr，Ｑin，Ｓe，θrを排気の式（１）に適用すると、平衡状態(状態０)の近傍において線形化した排気の式（２）が得られる。
ΔＱin ＝Ｖ×(ｄ(ΔＰ)/ｄt)＋Ｓe0×ΔＰ＋Ｐ0×ΔＳe …（２）
ここで、平衡状態ではＱin0＝Ｓe0×Ｐ0、ｄＰ0/ｄt＝０であることを用いると共に、ΔＳe×ΔＰを二次微小量として無視した。

【0018】

平衡状態(状態０)の近傍におけるΔＳeはΔＳe＝(∂Ｓe/∂θ|状態０)×Δθと表されるので、式（２）は次式（３）のようになる。なお、(∂Ｓe/∂θ|状態０)は、平衡状態(状態０)における∂Ｓe/∂θの値を表す。
ΔＱin ＝Ｖ×(ｄ(ΔＰ)/ｄt)＋Ｓe0×ΔＰ＋Ｐ0×(∂Ｓe /∂θ|状態０)×Δθ
…（３）

【0019】

さらに、式（３）に対してラプラス変換を施すと、ｄ/ｄtはラプラス変換の複素変数Ｓで置き換えられ、次式（４）が得られる。ただし、ラプラス変換後の各量の表記は変換前の表記と同じとした。
ΔＱin ＝Ｖ×ΔＰ×Ｓ＋Ｓe0×ΔＰ＋Ｐ0×(∂Ｓe/∂θ|状態０)×Δθ …（４）

【0020】

式（４）は式（５）のように変形できる。
ΔＰ/Ｐ0＝{ΔＱin /Ｐ0－(∂Ｓe/∂θ|状態０)×Δθ}/(Ｖ×Ｓ＋Ｓe0) …（５）
式（５）は、ΔＱinおよびΔθと圧力応答ΔＰとの関係を示している。ここで、ΔＱinは外乱入力であり、Δθが制御入力である。

【0021】

式（５）において制御入力Δθによる圧力応答ΔＰのみに着目すると、式（５）は次式（６）のように表される。
ΔＰ/Ｐ0＝－{１/(Ｖ×Ｓ＋Ｓe0)}×(∂Ｓe/∂θ|状態０)×Δθ …（７）
式（７）をさらに変形すると、式（８）が得られる。
ΔＰ/Δθ＝－[Ｐ0×(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0] /[(Ｖ/Ｓe0)×Ｓ＋１] …（８）
すなわち、排気系プラントの一次系の伝達関数Ｇ３(S)は次式（９）で表される。
Ｇ３(S)＝－ΔＰ/Δθ
＝[Ｐ0×(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0] /[(Ｖ/Ｓe0)×Ｓ＋１] …（９）

【0022】

式（９）においてＳ＝ｊω（ωは角振動数（角周波数）、ｊは虚数）とおいて周波数領域の伝達関数Ｇ３(jω)に変換すると、式（１０）になる。
Ｇ３(jω)＝[Ｐ0×(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0] /[(Ｖ/Ｓe0)×ｊω＋１] …（１０）
式（１０）の右辺で角周波数ωをω→０とした場合は、Ｇ３(jω)＝Ｐ0×(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0となる。ここで、(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0は、特許文献１に記載のプラントゲインＧp＝(ｄＳe/ｄθ)/Ｓeそのものである。すなわち、Ｇpは静的なプラントゲインを表しており、式（９）に示した伝達関数Ｇ３(S)は動的なプラントゲインを表している。

【0023】

式（９）において、(∂Ｓe/∂θ|状態０)/Ｓe0の部分を静的なプラントゲインＧpで置き換えると式（１１）になる。
Ｇ３(S)＝[Ｐ0×Ｇp] /[(Ｖ/Ｓe0)×Ｓ＋１] …（１１）
前述したように平衡状態（状態０）は目標圧力Ｐsに収束した状態なので、目標圧力Ｐsにおける開度をθsとすると、式（９）におけるＰ0，θ0はＰs，θsで置き換えることができる。また、平衡状態（状態０）における実効排気速度Ｓe0およびプラントゲインＧpをＳe(θ0)およびＧp(θ0)と表すと、Ｓe(θ0)＝Ｓe(θs)、Ｇp(θ0)＝Ｇp(θs)なので、式（１１）は次式（１２）のように表されることになる。伝達関数Ｇ３(S)の振幅に関するボード線図の一例を図４に示す。
Ｇ３(S)＝[Ｐs×Ｇp(θs)] / [Ｓ×Ｖ/Ｓe(θs)＋ 1] …（１２）

【0024】

［弁体駆動系の伝達関数Ｇ２(S)］
弁体駆動系は、慣性モーメントを有する弁体１２をモータ１３で旋回駆動し、エンコーダ１３０で検出した開度検出値θrが設定開度θsetになるようにフィードバック制御する系である。なお、図２では図示していないが、弁体駆動系によるフィードバック制御は、調圧制御系による調圧制御のフィードバックループに対してマイナーループとなっている。

【0025】

弁体駆動系の運動方程式は、弁体１２の慣性モーメントをＩp、弁体１２の回転角速度をΩ、抵抗係数をＢ、モータの駆動トルクをＴとすると「Ｉp×(ｄΩ/ｄt)＋Ｂ×Ω＝Ｔ」のように表される。さらに設定開度θsetと実開度（開度検出値）θrの差分偏差がモータの駆動トルクＴと比例関係にあること、また、回転速度Ωは実開度θｒの微分値であることを使うと、入力を設定開度θset、出力を実開度（開度検出値）θrとする伝達関数Ｇ２(S)は、一般に、次式（１３）のように２次系の伝達関数となる。
Ｇ２(S)＝１/[(1/ωc)^２×Ｓ^２＋(１/(Ｑ×ωc)×Ｓ＋１)] …（１３）
式（１３）において、ωcは弁体１２の主要な振動の角周波数[rad/s]であり、Ｑは減衰の逆数に関与する係数である。因みに、Ｑが1/2よりも大きいほどωcでより振動的になる。図５は、伝達関数Ｇ２(S)の振幅に関するボード線図の一例を示したものである。

【0026】

［調圧制御器系の伝達関数Ｇ１(S)］
調圧制御では、通常ＰＩ制御（比例＋積分要素）が適用されるが、積分要素は上述した主要振動の角周波数ωcよりも低い周波数のみにしか影響を及ぼさない。そのため、以下では比例要素のみを扱うこととし、伝達関数は一定値のフィードバックゲインＧfbで表される。

【0027】

さらに、特許文献１で提案されているプラントゲインＧpを用いた静的なゲイン補正処理、すなわち、ゲイン処理「１/(Ｐs×Ｇp(θs))」を同様に適用する。従って、調圧制御系の伝達関数Ｇ１(S)は、目標圧収束した平衡状態（状態０）の近傍では、次式（１４）のように一定値のＧfb/(Ｐs×Ｇp(θs))となる。図６は、伝達関数Ｇ１(S)の振幅に関するボード線図の一例を示したものである。
Ｇ１(S)＝Ｇfb/(Ｐs×Ｇp(θs)) …（１４）

【0028】

［制御安定性について］
一般に閉ループ系の安定性評価は、対象とする振動的な角周波数付近で開ループ伝達関数（Ｇ_opn(S)）の角周波数ω（Ｓ＝ｊω）をスイープして、Ｇ_opn(jω)を複素平面上にプロットしたナイキスト線図（図７参照）にて相対的に評価できる。図７では、一例として、Ｇ_opn1(jω)、Ｇ_opn2(jω)、Ｇ_opn3(jω)の３つの軌跡をプロットしている。

【0029】

ナイキスト線図において、複素平面上の軌跡が実軸上の（－１）の点Ｐ０から離れているほど安定性余裕が大きく、すなわち安定性が高い。図７では、軌跡Ｇ_opn1(jω)は点Ｐ１において点Ｐ０に最も近づきそのときの距離はＬmin1、軌跡Ｇ_opn2(jω)は点Ｐ２において点Ｐ０に最も近づきそのときの距離はＬmin2、軌跡Ｇ_opn3(jω)は点Ｐ３において点Ｐ０に最も近づきそのときの距離はＬmin3となる。図７では、Ｌmin1＜Ｌmin2＜Ｌmin3となっており、安定性はＧ_opn1(jω)＜Ｇ_opn2(jω)＜Ｇ_opn3(jω)の順に高くなっている。

【0030】

軌跡上の点Ｐ０に接近した位置ほど安定性が低く振動的になるので、点Ｐ０に最接近した点における角周波数ω_minが調圧制御器系の振動的な周波数になる。例えば、軌跡Ｇ_opn1(jω)の場合には、点Ｐ１における角周波数がω_minになる。

【0031】

また、点Ｐ０から軌跡上の点までの距離（＝|１＋Ｇ_opn(jω)|）の逆数で定義される感度関数Ｇs(jω)＝１/|１＋Ｇ_opn(jω)|を用いて安定性を表現すると、次のようになる。感度関数Ｇs(jω)の大きさ|Ｇs(jω)|の極大値は|Ｇs(jω_min)|であり、その極大値|Ｇs(jω_min)|が小さい軌跡Ｇ_opn(jω)ほど安定性が高いと言える。

【0032】

図２に示す閉ループ系の安定性を評価するために、ループを開いた開ループ伝達関数Ｇ_opn(S)＝Ｇ１(S)×Ｇ２(S) ×Ｇ３(S)を考える。そして、開ループ伝達関数Ｇ_opn(S)を、弁体駆動系が有している主要な振動の角周波数ωc付近で周波数スイープしてナイキスト線図をプロットする。Ｓ＝ｊωc付近で図７の点Ｐ０に最も近くなる点の角周波数が上述した角周波数ω_minであり、そのときの距離の逆数が感度関数Ｇs(jω)の大きさの極大値|Ｇs(jω_min)|である。なお、角周波数ω_minは角周波数ωc付近にあるが必ずしも一致しない。

【0033】

ここで、排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)を導入したことにより、式（１４）に示す伝達関数Ｇ１(S)と式（１２）に示す伝達関数Ｇ３(S)とでは、静的なプラントゲインＧp(θs)に関する部分が相殺される。そこで、改めて、相殺後の開ループの調圧制御器系および排気系プラントの伝達関数を、それぞれ式（１５）、（１６）のＧ１’(S)、Ｇ３’(S)で表すことにする。
Ｇ１’(S)＝Ｇfb …（１５）
Ｇ３’(S)＝１ / [Ｓ×Ｖ/Ｓe(θs)＋ 1] …（１６）

【0034】

伝達関数Ｇ１’(S)、Ｇ３’(S) の振幅に関するボード線図は、それぞれ図８、９のようになる。そして、図１０に示すように、開ループ伝達関数Ｇ_opn(S)はＧ_opn(S)＝Ｇ１’(S)×Ｇ２(S) ×Ｇ３’(S)となる。なお、伝達関数Ｇ２(S)は上述した式（１３）をそのまま用いる。
Ｇ２(S)＝１/[(1/ωc)^２×Ｓ^２＋(１/(Ｑ×ωc)×Ｓ＋１)] …（１３）

【0035】

（具体例）
以下では、口径２５０ｍｍの自動調圧バルブを例に、バルブ特性に基づいて各伝達関数Ｇ１’(S)，Ｇ２(S)およびＧ３’(S)のパラメータ値を具体的に与えて、開度が異なる場合の安定性を比較してみる。なお、伝達関数Ｇ１’(S)のゲイン係数ＧfbはＧfb＝１とする。伝達関数Ｇ２(S)については、弁体応答の主要振動(振動的な角周波数)をωc＝２０[rad/s]とし、減衰の逆数に関与する係数ＱについてはＱ＝２とする。伝達関数Ｇ３’(S)については、真空チャンバ３の容積ＶをＶ＝５０[L]とし、開度θを０％から１００％まで変化させたときに実効排気速度Ｓeは２０[L/s]（θ＝０％）から２０００[L/s]（θ＝１００％）まで変化するものとする。

【0036】

ここで、Ｓe＝２０[L/s](θ＝０％)、Ｓe＝２００[L/s]、Ｓe＝２０００[L/s](θ＝１００％)の３ケースについて安定性を比較してみる。ωc＝２０[rad/s]を含むω＝２[rad/s]からω＝２００[rad/s]まで角周波数ωをスイープして、ナイキスト線図より距離Ｌminとそのときの角周波数ω_minを求めると、Ｓe＝２０[L/s]では（ω_min、Ｌmin）＝（１８．５、０．９６）、Ｓe＝２００[L/s]では（ω_min、Ｌmin）＝（１９．９、０．６２）、Ｓe＝２０００[L/s]では（ω_min、Ｌmin）＝（２５．７、０．２１）であった。これら３つの場合を比較すると、Ｌminが最も小さなＳe＝２０００[L/s]の場合には安定性が最も悪く、Ｌminが最も大きなＳe＝２０[L/s]の場合に最も安定となることがわかる。

【0037】

このように、実効排気速度Ｓeが小さくなるほど安定性が高くなるのは、以下のような理由による。開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω) において、伝達関数Ｇ１’， Ｇ２のパラメータＧfb，ωc，Ｑは固定である。一方、新たに導入した伝達関数Ｇ３’のパラメータである実効排気速度Ｓeは、目標圧力Ｐsに対応する弁体開度調整により変化する。そのため、開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω)の軌跡を決定する複数のパラメータの内、実効排気速度Ｓeのみが可変パラメータとなっている。すなわち、排気系プラントに対して上述のような伝達関数Ｇ３を導入することにより、実効排気速度Ｓeをパラメータとして、フィードバック制御の安定性をコントロールできることがわかった。

【0038】

例えば、弁体開度を変化させて実効排気速度Ｓeを２０[L/s]，２００[L/s]，２０００[L/s]のように変化させた場合、真空チャンバ３の容積ＶはＶ＝５０[L]であるので、図９に示す伝達関数Ｇ３’(jω)の振幅のコーナー周波数、すなわち、時定数(Ｖ/Ｓe)の逆数(Ｓe/Ｖ)はそれぞれ０．４[rad/s]，４[rad/s]，４０[rad/s]となる。

【0039】

Ｓe/Ｖ＝４０[rad/s]のように排気系プラントの伝達関数Ｇ３’(jω)のコーナー周波数(Ｓe/Ｖ)が高いと、弁体駆動系の伝達関数Ｇ２(jω)の主要振動の角周波数ωc＝２０[rad/s]付近で、開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω)のゲインが高くなる。一方、実効排気速度Ｓeが２００[L/s]，２０[L/s] と小さくなってコーナー周波数(Ｓe/Ｖ)が４[rad/s]、０．４[rad/s]のように小さくなるに従い、角周波数ωc＝２０[rad/s]付近における伝達関数Ｇ３’(jω)の振幅の大きさが大きく減少する。すなわち、角周波数ωc＝２０[rad/s]付近において開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω)のゲインが低下し、安定性が改善される。

【0040】

前述した感度関数Ｇs(jω)＝１/|１＋Ｇ_opn(jω)|の大きさ|Ｇs(jω)|の極大値|Ｇs(jω_min)|を用いて、上述した具体例の安定性について説明する。コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)がＳe/Ｖ＝０．４～４０[rad/s]の場合のω＝ωc＝２０[rad/s]付近における感度関数Ｇs(jω)の極大値|Ｇs(jω_min)|を求めると、図１１のラインＬ１のようになる。図１１は、Ｓe/Ｖ＝０．４～４０[rad/s] を定義域（横軸）として極大値|Ｇs(jω_min)|をプロットしたものである。

【0041】

図１１に示す例では、感度関数に関する安定性の基準の一例として、ISO規格ISO14839-3に従った２．５を安定性基準値とした。すなわち、極大値|Ｇs(jω_min)|が２．５以下であれば安定性良好と判定し、極大値|Ｇs(jω_min)|が２．５を超過した場合には安定性が不適切であると判定する。|Ｇs(jω_min)|を示すラインＬ１は、Ｓe/Ｖ≦７．２において|Ｇs(jω_min)| ≦２．５となり、その領域では安定性が良好となる。一方、|Ｇs(jω_min)| ＞２．５となるＳe/Ｖ＞７．２においては、安定性が不適切となる。言い換えると、実効排気速度ＳeがＳe≦７．２×Ｖ＝３６０[L/s]（ただし、容積ＶがＶ＝５０[L]の場合）となる開度ならば安定性良好で、Ｓe＞３６０[L/s]となる開度では安定性不適切となる。

【0042】

なお、図１１では、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)が主要振動の角周波数ωc＝２０[rad/s]よりも大きくなると、極大値|Ｇs(jω_min)|が減少して安定性がやや改善している。これは、その周波数領域では、ゲインはそれ以上増えないが位相遅れがやや改善されることに起因している。ただし、あくまで改善効果は限定的である。

【0043】

（安定性改善方法）
上述した図１１のラインＬ１は、調圧制御器系のゲインパラメータであるフィードバックゲインＧfbを、図８に示すようにＧfb＝１とした場合である。図１１のラインＬ１ではＳe/Ｖ＞７．２の領域において安定性不適切であったが、以下では、全領域で安定性が良好となるようにフィードバックゲインＧfbをコーナー周波数(Ｓe/Ｖ)の関数として設定する。これは、従来の静的なプラントゲイン補正処理とは別に必要な、動的なプラントゲインの補正処理といえる。

【0044】

Ｇfb＝１の場合を示す図１１のラインＬ１を参照すると、全領域で安定性が良好となるためには、Ｇfb(Se/V)＝２．５/|Ｇs(jω_min)|＝１になる点（Ｓe/Ｖ＝７．２）を境にＳe/Ｖ＜７．２ではＧfb(Se/V)＞１のように設定し、Ｓe/Ｖ＞７．２ではＧfb(Se/V)＜１のように設定すれば良い。例えば、Ｓe/Ｖ＝７．２以外でも|Ｇs(jω_min)|＝２．５となるようにフィードバックゲインＧfbを設定した場合、Ｇfb(Se/V)は図１２のラインＬ２のように表される。なお、図１２のラインＬ２は２．５/|Ｇs(jω_min)|で表されるラインと類似のカーブ傾向となっているが、非線形性が強いため値は２．５/|Ｇs(jω_min)|とは異なっている。

【0045】

図１２に示すラインＬ２は、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)の各値において設定すべきＧfb(Se/V)の上限値になっている。実際の適用では、本発明で対象としている弁体駆動系の主要振動以外にも種々の課題があるので、理想的に上限値にフィットさせられるとは限らない。すなわち、実際の制御環境に合わせて上限値から割り引いたゲイン値を設定することになる。ただし、(Ｓe/Ｖ)＜７．２の領域においては、ラインＬ２はＧfb＝１を示すラインＬ０を上回っている。そのため、特に(Ｓe/Ｖ)が小さい領域において、すなわち、排気系プラントの応答が遅い領域においてゲインを大幅にアップさせることが可能となり、調圧制御の安定性を維持しつつ応答性の向上を図ることができる。

【0046】

一方、図１２の(Ｓe/Ｖ)＞７．２の領域においては、安定性確保を優先してゲインＧfb(Se/V)をラインＬ０のゲインＧfb＝１よりも低下させる。なお、(Ｓe/Ｖ)＞７．２の領域は応答が速い領域なので、駆動系応答以上に応答性を上げても調圧性能向上は期待できない。このように、(Ｓe/Ｖ)＞７．２においてゲインＧfb(Se/V)を１よりも低下させることで、制御安定性の向上を図ることができる。

【0047】

図２１は、フィードバック制御の手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１では、記憶部２３に記憶されているフィードバックゲインＧfbを読み込む。記憶部２３に記憶されているフィードバックゲインＧfbの設定方法は上述したが、簡単にまとめると、以下のような手順で設定される。まず、弁体駆動系の伝達関数Ｇ２(S)および排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)を導入し、調圧制御器系の伝達関数Ｇ１(S)と伝達関数Ｇ２(S)およびＧ３(S)に基づいて感度関数Ｇs(jω)を設定する。次いで、感度関数Ｇs(jω)の大きさの極大値|Ｇs(jω_min)|が、制御安定性に関する所定基準値以下となるように、例えば、図１２のようにフィードバックゲインＧfbを設定する。勿論フィードバックゲインＧfbは予め求めておき記憶部２３に記憶、設定しておいても良い。

【0048】

ステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだフィードバックゲインＧfbに基づいてフィードバック制御を開始する。ステップＳ３では、圧力計測値（チャンバ圧力）Ｐrを読み込む。ステップＳ４では、偏差ε（＝Ｐr－Ｐs）の絶対値|ε|が目標圧力到達の閾値以上になったか否かを判定する。ステップＳ４で|ε|＜閾値と判定されるとステップＳ６へ進む。一方、ステップＳ４で|ε|≧閾値と判定されると、ステップＳ５へ進んで弁体開度を変更した後、ステップＳ３へ戻る。ステップＳ６では、目標圧力Ｐsの変更指令を受信したか否かを判定する。目標圧力Ｐsの変更指令を受信すると、ステップＳ６からステップＳ３へ戻り、変更された目標圧力Ｐsに基づいてフィードバック制御を行う。なお、上記閾値は０であっても良い。

【0049】

(変形例１)
図１３は、ゲインＧfb(Se/V)の設定に関する変形例１を示す図である。変形例１ではラインＬ３のようにゲインＧfb(Se/V)を設定する。ラインＬ３において、点Ｐ１０より左側は図１２に示すラインＬ２と同一であり、点Ｐ１０より右側はラインＬ２と異なり一定値に設定されている。点Ｐ１０は、Ｇfb(Se/V)の上限プロットであるラインＬ２においてゲインＧfbが最小となる点である。そのため、ラインＬ３は単調減少関数（非増加関数）になっている。

【0050】

(変形例２)
図１４は変形例２を示す図である。変形例２では、(Ｓe/Ｖ)の範囲を複数の区間に分割し、各区間の始点（前の区間の終点に一致）と終点とを単調減少の直線または一定値を与える直線で結んだラインＬ４によりゲインＧfb(Se/V)を設定する。いずれの区間の直線もＧfb(Se/V)の値が上述したラインＬ２の値以下となるように設定される。図１４に示す例では(Ｓe/Ｖ)の範囲０～４０[rad/s]が５つの区間に分割され、第１および第５の区間ではＧfb(Se/V)＝一定に設定され、その他の区間ではＧfb(Se/V)は傾き一定の単調減少関数に設定されている

【0051】

(変形例３)
図１５は変形例３を示す図である。変形例３では、階段状に変化するラインＬ５でゲインＧfbを設定するようにした。ラインＬ５も図１４のラインＬ４と同様に、上述したラインＬ２を上回らないように設定される。

【0052】

(変形例４)
図１６は変形例４を示す図である。変形例４では、変形例３の場合と同様にゲインＧfbをラインＬ６のように階段状に変化させ、さらに、ヒステリシスを設けた。ヒステリシスを設けることで、例えば、(Ｓe/Ｖ)が、すなわち開度が、ラインＬ６が階段状に変化する境界を挟んで前後した際に、開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω)が開度の前後に対応して上下するのを防止することができる。

【0053】

(変形例５)
図１７は変形例５を示す図である。上述した図１４に示す例では、ゲインＧfbの設定の定義域をコーナー周波数(Ｓe/Ｖ)で表したが、変形例５では、図１７に示すようにゲインＧfbの設定の定義域を実効排気速度Ｓeで表すようにした。通常、チャンバ容積Ｖは一定の固定値なので、実効排気速度Ｓeを定義域としてゲインＧfbを表すことができる。図１７に示す例では、ゲインＧfb(Se)は、ラインＬ７で示すように実効排気速度Ｓeの増加に対して単調減少する関数として設定される。なお、図１２，１３，１５，１６に示すゲイン設定においても、定義域を実効排気速度Ｓeで表すようにしても良い。

【0054】

(変形例６)
図１８は変形例６を示す図である。変形例６では、ラインＬ８で示すゲインＧfbの設定の定義域を開度θで表すようにした。図３に示したように、実効排気速度Ｓeは開度θrに対して単調増加の関係にあるので、ゲインＧfbの設定の定義域を開度θで表すことができる。なお、図１２，１３，１５，１６に示すゲイン設定においても、定義域を開度θで表すようにしても良い。

【0055】

－第２の実施の形態－
上述した第１の実施の形態および変形例１～６では、図１９に示すように、調圧制御器系の伝達関数Ｇ１(S)においてプラントゲインＧpを用いた静的なゲイン補正処理（１/(Ｇp(θs)×Ｐs)）を適用している。しかしながら、図２０に示すように、調圧制御器系において静的なゲイン補正処理を適用しない場合であっても、全領域で安定性が良好となるようにゲインＧfbをコーナー周波数(Ｓe/Ｖ)等の関数として設定するという動的なプラントゲインの補正処理を行うことにより、調圧制御性能の向上を図ることができる。

【0056】

上述した複数の例示的な実施の形態および変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0057】

［１］一態様に係るバルブ制御装置は、バルブの弁体開度に依存するパラメータに対応して設定されたフィードバックゲインが記憶される記憶部と、前記フィードバックゲインに基づいて前記弁体開度をフィードバック制御するフィードバック制御器と、を備え、前記フィードバックゲインは、弁体駆動系の主要振動に起因する前記フィードバック制御器の振動的な周波数における感度関数の大きさの極大値が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている。

【0058】

フィードバックゲインＧfbを、図１２に示すように設定することで、すなわち、弁体駆動系の主要振動（角周波数ωｃ）に起因する調圧制御器２１の振動的な周波数ω_minにおける感度関数の大きさの極大値|Ｇs(jω_min)|が制御安定性に関する所定基準値（例えば、図１１の安定性基準値２．５）以下となるように設定することで、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)の高い開度領域では安定性向上が図れ、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)の低い開度領域では、応答性の向上を図ることができる。その結果、フィードバック制御の制御安定性を確保しつつ応答性向上を図ることができる。なお、記憶部２３へのフィードバックゲインＧfbの入力は、オペレータが手動で入力しても良いし、真空処理装置のメインコントローラから入力するようにしても良い。

【0059】

［２］上記［１］に記載のバルブ制御装置において、バルブの弁体開度θに依存する前記パラメータには、弁体開度θに対応する実効排気速度Ｓeとバルブが装着されるチャンバの容積Ｖとから算出される時定数の逆数(Ｓe/Ｖ)、実効排気速度Ｓeおよび弁体開度θのいずれかを用いることができる。

【0060】

［３］上記［１］または［２］に記載のバルブ制御装置において、前記フィードバック制御器である調圧制御器２１の伝達関数Ｇ１(S)は、前記バルブを含む排気系プラントに基づいて設定される静的なゲイン補正処理１/(Ｇp(θs)×Ｐs)と前記フィードバックゲインＧfb(Ｓe/Ｖ)とを含む。

【0061】

排気系プラントの伝達関数Ｇ３(S)は「Ｇ３(S)＝[Ｐs×Ｇp(θs)] / [Ｓ×Ｖ/Ｓe(θs)＋ 1]」のように表されるが、右辺分子のＰs×Ｇp(θs)は、伝達関数Ｇ１(S)に含まれる静的なゲイン補正処理の１/(Ｇp(θs)×Ｐs)と相殺される。その結果、フィードバック制御系の開ループ伝達関数Ｇ_opn(jω) の軌跡を決定するパラメータの内、実効排気速度Ｓeのみが可変パラメータとなり、フィードバックゲインＧfbを図１２のように設定することで、容易に安定性および応答性の向上を図ることができる。

【0062】

［４］上記［１］から［３］までのいずれかに記載のバルブ制御装置において、フィードバックゲインＧfbを図１３のラインＬ３のようにパラメータ(Ｓe/Ｖ) に対して単調減少に設定しても良い。図１２に示すラインＬ２は、感度関数の大きさ|Ｇs(jω_min)|が安定性基準値（＝２．５）と等しくなるフィードバックゲインＧfbをプロットしたものであり、Ｇfbは図１３に示す点Ｐ１０（極小点）より図示右側ではやや上昇している。そのため、図１３に示すラインＬ３のようにパラメータ(Ｓe/Ｖ) に対して単調減少に設定することで、設計が容易となる。

【0063】

［５］一態様に係る真空バルブは、弁体と、前記弁体を駆動する弁体駆動部と、前記弁体駆動部を制御して前記弁体の開度をフィードバック制御する上記［１］から［４］までのいずれかに記載のバルブ制御装置と、を備える。それにより、フィードバック制御の制御安定性および応答性に優れた真空バルブが提供できる。

【0064】

［６］一態様に係るバルブ制御方法は、目標圧力に対する圧力偏差に基づいて弁体開度をフィードバック制御するバルブ制御方法において、前記フィードバック制御のフィードバックゲインは、弁体駆動系の主要振動に起因する前記フィードバック制御の振動的な周波数における感度関数の大きさの極大値が制御安定性に関する所定基準値以下となるように、設定されている。例えば、図１２のようにフィードバックゲインＧfbを設定することで、感度関数の大きさの極大値|Ｇs(jω_min)|は安定性基準値以下に抑えられ、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)が７．２より低い領域では安定性を維持しつつ応答性が向上し、コーナー周波数(Ｓe/Ｖ)が７．２より高い領域では安定性が向上する。

【0065】

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0066】

１…バルブ本体、２…バルブ制御装置、３…真空チャンバ、４…真空ポンプ、１２…弁体、１３…モータ、２１…調圧制御器、２２…モータ駆動部、２３…記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】