特許 7382796 ピエゾバルブ、流体制御装置、及び、ピエゾバルブ診断方法

(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】2023-11-09

(45)【発行日】2023-11-17

(54)【発明の名称】ピエゾバルブ、流体制御装置、及び、ピエゾバルブ診断方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/02 20060101AFI20231110BHJP

   G01R 31/50 20200101ALI20231110BHJP

【ＦＩ】

F16K31/02 A

G01R31/50

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019200831

(22)【出願日】2019-11-05

(65)【公開番号】P2021076131

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-10-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(72)【発明者】

【氏名】ランズデル ジェフリー

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１１７４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０６３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３５６８４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１２００５９９４（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２００９－０１６７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５２２５７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／０２

Ｇ０１Ｒ ３１／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁座と、
前記弁座に対して接触する全閉位置と、全開位置との間で移動可能に設けられた弁体と、
弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、
ピエゾ制御信号が入力され、当該ピエゾ制御信号に応じた駆動電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力する駆動回路と、
前記駆動回路が前記弁体を前記全閉位置又は前記全開位置へ駆動する定格最大電圧以上を駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力している状態において、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出するリーク電流検出器と、を備え、
前記リーク電流検出器が前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出している状態又はその直前の状態で、前記弁座と前記弁体との間に流体が流れており、
前記駆動回路が、
入力された前記ピエゾ制御信号を増幅し、前記駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力する増幅器と、
前記ピエゾアクチュエータと、グラウンドとの間に設けられた第１スイッチング素子と、を具備し、
前記リーク電流検出器が、
前記第１スイッチング素子と並列に設けられた第２スイッチング素子と、
前記第２スイッチング素子に直列に設けられ、前記第１スイッチング素子がオフかつ前記第２スイッチング素子がオンの状態で前記リーク電流が流れ込むように構成された検出抵抗と、
前記検出抵抗に発生する電圧を検出する第１電圧検出部と、を具備することを特徴とするピエゾバルブ。

【請求項2】

前記リーク電流検出器が、前記駆動回路が定格最大電圧よりも大きい駆動電圧を所定時間出力している状態でリーク電流を検出する請求項１記載のピエゾバルブ。

【請求項3】

前記駆動回路が前記定格最大電圧以上の駆動電圧を出力している場合に、前記第１スイッチング素子をオフとし、前記第２スイッチング素子をオンとする第１診断タイミング制御部をさらに備えた請求項１又は２記載のピエゾバルブ。

【請求項4】

前記駆動回路が前記ピエゾアクチュエータに駆動電圧を出力していない状態において、前記ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを検出するキャパシタンス検出器をさらに備えた請求項１乃至３いずれかに記載のピエゾバルブ。

【請求項5】

前記キャパシタンス検出器が、前記ピエゾアクチュエータにテスト電流を所定時間供給し、そのときの電圧変化に基づいて当該ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを検出する請求項４記載のピエゾバルブ。

【請求項6】

前記キャパシタンス検出器が、
前記ピエゾアクチュエータにテスト電流を供給する電流供給部と、
前記ピエゾアクチュエータに印加されている電圧の変化を検出する第２電圧検出部と、を備えた請求項４又は５記載のピエゾバルブ。

【請求項7】

前記駆動回路が駆動電圧を出力していない場合に、前記電流供給部にテスト電流を出力させる第２診断タイミング制御部をさらに備えた請求項６記載のピエゾバルブ。

【請求項8】

請求項１乃至７いずれかに記載のピエゾバルブと、
前記ピエゾバルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えた流体制御装置。

【請求項9】

弁座と、前記弁座に対して接触する全閉位置と、全開位置との間で移動可能に設けられた弁体と、弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、ピエゾ制御信号が入力され、当該ピエゾ制御信号に応じた駆動電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力する駆動回路と、を備えたピエゾバルブの診断方法であって、
前記駆動回路が前記弁体を前記全閉位置又は前記全開位置へ駆動する定格最大電圧以上を駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力している状態において、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出することと、
前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出している状態又はその直前の状態で、前記弁座と前記弁体との間に流体が流れていることと、
前記ピエゾアクチュエータとグラウンドとの間に設けた第１スイッチング素子がオフ、かつ当該第１スイッチング素子と並列に設けた第２スイッチング素子がオンの状態で、前記第２スイッチング素子に直列に設けた検出抵抗に前記リーク電流が流れ込むようにし、当該検出抵抗に発生する電圧を検出することで、前記リーク電流を検出することと、
増幅器により、入力された前記ピエゾ制御信号を増幅し、当該増幅された前記ピエゾ制御信号を前記駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力することを特徴とするピエゾバルブ診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて用いられるピエゾバルブに関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスではプロセスガスの流量や圧力を高速で制御するために応答性のよいピエゾアクチュエータを具備するピエゾバルブが用いられる。例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスにおいては、原子１個分の層を形成するためにピエゾバルブを高速でオンオフを繰り返す事が行われる（特許文献１参照）。

【0003】

ピエゾバルブを使用し続けると、例えば上記のような動作によってピエゾアクチュエータに故障の原因になる損傷や劣化が少しずつ生じる。そのため、正確な流量や圧力の制御を保証するには、完全な故障が発生する時期を正確に予測できることが望まれている。

【0004】

しかしながら、現在のところピエゾバルブの寿命を正確に予測することは難しく、十分に寿命が残っていると考えられる期間内であっても、早期にピエゾバルブを交換することが行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００９－０１６７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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、ピエゾアクチュエータの寿命を正確に予測することが可能となるピエゾバルブ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】

【0007】

すなわち、本発明に係るピエゾバルブは、弁座と、前記弁座に対して接触する全閉位置と、全開位置との間で移動可能に設けられた弁体と、弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、ピエゾ制御信号が入力され、当該ピエゾ制御信号に応じた駆動電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力する駆動回路と、前記駆動回路が前記弁体を前記全閉位置又は前記全開位置へ駆動する定格最大電圧以上を駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力している状態において、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出するリーク電流検出器と、を備え、前記リーク電流検出器が前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出している状態又はその直前の状態で、前記弁座と前記弁体との間に流体が流れていることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係るピエゾバルブ診断方法は、弁座と、前記弁座に対して接触する全閉位置と、全開位置との間で移動可能に設けられた弁体と、弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、ピエゾ制御信号が入力され、当該ピエゾ制御信号に応じた駆動電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力する駆動回路と、を備えたピエゾバルブの診断方法であって、前記駆動回路が前記弁体を前記全閉位置又は前記全開位置へ駆動する定格最大電圧以上を駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力している状態において、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出することと、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流を検出している状態又はその直前の状態で、前記弁座と前記弁体との間に流体が流れていることを特徴とする。

【0009】

このようなものであれば、前記ピエゾバルブが動作しており、実際に圧力や流量を制御されているプロセス期間中においても前記ピエゾアクチュエータのリーク電流をモニタリングすることができる。このため、前記ピエゾアクチュエータの状態を例えばプロセスが停止している期間だけでなく、ほぼ常時診断することが可能となり、従来よりも寿命の予測精度を高めることができるようになる。

【0010】

また、プロセス中においてピエゾバルブが全閉又は全開しており、定格最大電圧以上の駆動電圧が前記駆動回路から出力されているときに前記リーク電流検出器はリーク電流の検出を行うので、リーク電流の検出によって圧力や流量の制御には影響が発生しない。

【0011】

前記ピエゾバルブが全閉又は全開している状態において、前記ピエゾアクチュエータのリーク電流をより正確に検出できるようにするには、前記リーク電流検出器が、前記駆動回路が定格最大電圧よりも大きい駆動電圧を所定時間出力している状態でリーク電流を検出するものであればよい。すなわち、ピエゾバルブに印加される駆動電圧は許容電圧よりも所定値だけ小さい定格最大電圧に抑えて余裕をもたせてあるため、全閉又は全開時にリーク電流が発生していたとしてもその値が小さく検出しにくい可能性がある。したがって、例えば定格最大電圧と許容電圧との間で通常よりも大きい電圧を全閉又は全開時に前記ピエゾアクチュエータに所定時間印加することで圧力や流量の制御性能を低下させずにリーク電流の検出精度を高めることができる。

【0012】

リーク電流が検出されるタイミングのみ、前記ピエゾアクチュエータに対してリーク電流を検出するための検出抵抗が作用するようにして、通常の動作時には前記検出抵抗が制御に悪影響を与えないようにするには、前記駆動回路が、入力された前記ピエゾ制御信号を増幅し、前記駆動電圧として前記ピエゾアクチュエータに出力する増幅器と、前記ピエゾアクチュエータと、グラウンドとの間に設けられた第１スイッチング素子と、を具備し、前記リーク電流検出器が、前記第１スイッチング素子と並列に設けられた第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子に直列に設けられ、前記第１スイッチング素子がオフかつ前記第２スイッチング素子がオンの状態で前記リーク電流が流れ込むように構成された検出抵抗と、前記検出抵抗に発生する電圧を検出する第１電圧検出部と、を具備すればよい。

【0013】

例えばユーザにより設定される設定圧力や設定流量において前記ピエゾアクチュエータに定格最大電圧が印加されるタイミングでのみ、前記リーク電流検出器が動作して、リーク電流をモニタリングできるようにするには、前記駆動回路が前記定格最大電圧以上の駆動電圧を出力している場合に、前記第１スイッチング素子をオフとし、前記第２スイッチング素子をオンとする第１診断タイミング制御部をさらに備えたものであればよい。

【0014】

前記ピエゾアクチュエータのキャパシタンスの変化から損傷や劣化を検知し、さらに精度よく寿命予測ができるようにするには、前記駆動回路が前記ピエゾアクチュエータに駆動電圧を出力していない状態において、前記ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを検出するキャパシタンス検出器をさらに備えたものであればよい。

【0015】

前記ピエゾアクチュエータに印加されている電圧前記ピエゾアクチュエータにテスト電流を所定時間供給し、そのときの電圧変化に基づいて当該ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを検出するものが挙げられる。

【0016】

前記ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを測定するための具体的な態様としては、前記キャパシタンス検出器が、前記ピエゾアクチュエータにテスト電流を供給する電流供給部と、前記ピエゾアクチュエータに印加されている電圧の変化を検出する第２電圧検出部と、を備えたものが挙げられる。

【0017】

前記駆動回路から駆動電圧が出力され、圧力や流量の制御が行われている間にはテスト電流が加えられないようにするとともに、テスト電流による前記ピエゾアクチュエータに発生する電圧の変化を捉えやすくするには、前記駆動回路が駆動電圧を出力していない場合に、前記電流供給部にテスト電流を出力させる第２診断タイミング制御部をさらに備えたものであればよい。

【0018】

本発明に係るピエゾバルブと、前記ピエゾバルブの開度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、前記ピエゾバルブで流体の流量や圧力を制御しながら、当該ピエゾバルブの状態をほぼ常時モニタリングできる。したがって、前記ピエゾバルブの寿命を正確に予測して、従来よりも交換頻度を減らしたり、メンテナンスに必要となる時間を短縮したりすることが可能となる。

【発明の効果】

【0019】

このようなものであれば、前記弁座と前記弁体との間に流体が流れており、前記駆動回路から出力される駆動電圧で流体の制御が行われている間でも前記リーク電流検出器によって前記ピエゾアクチュエータのリーク電流をモニタリングできる。したがって、ピエゾバルブが稼働中かどうかに関わりなく、前記ピエゾアクチュエータの状態をほぼ常時モニタリングできるので、寿命予測精度を従来よりも向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態におけるピエゾバルブを備えた流体制御装置の使用例を示す模式図。

【図2】同実施形態におけるピエゾバルブ及び流体制御装置を示す模式図。

【図3】同実施形態におけるピエゾバルブの構造を示す模式的断面図。

【図4】同実施形態における診断機構の構成を示す機能ブロック図。

【図5】同実施形態における診断機構を構成する回路を示す模式的回路図。

【図6】同実施形態におけるリーク電流及びキャパシタンスをモニタリングするタイミングを示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の一実施形態における、ピエゾバルブ４及び流体制御装置１００について各図を参照しながら説明する。

【0022】

図１に示す本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は流体を制御するものであり、本実施形態のようにガスを制御するものではなく、液体を制御するものであってもよい。

【0023】

まず、流体制御装置１００の概略について説明し、その後ピエゾバルブ４の詳細について説明する。

【0024】

図１に示すように流体制御装置１００は、チャンバＣＮに接続されている流路上に設けられ、チャンバＣＮに供給されるガスの流量を制御する。また、本実施形態では流体制御装置１００の上流側及び下流側のそれぞれには開閉バルブＶが設けられている。チャンバＣＮに対して流量制御されたガスが連続的又は間欠的に供給され、各種プロセスが実施されるプロセス期間中にはこれらの開閉バルブＶは開放される。一方、チャンバＣＮに対してガスの供給が所定期間以上停止されるオフ期間では各開閉バルブＶは閉止される。

【0025】

本実施形態では流体制御装置１００に用いられている図１及び図２に示されるピエゾバルブ４の損傷や劣化の程度を把握する、あるいは、ピエゾバルブ４の寿命を予測するためにピエゾバルブ４に用いられているピエゾアクチュエータ４１のリーク電流とキャパシタンスがモニタリングされる。このモニタリングは、チャンバＣＮへのガスの供給が行われていないオフ期間だけでなく、チャンバＣＮへのガスの供給が行われているプロセス期間中にも行われる。言い換えると、流体制御装置１００は流体の制御を行いつつ、ピエゾバルブ４自体の状態をほぼ常時把握できるように構成されている。

【0026】

図２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、ピエゾバルブ４と、流量センサ２と、制御等を司る制御ボードＢと、を備えたものである。ピエゾバルブ４と流量センサ２はボディ１の上面に対して取り付けられ、制御ボードＢ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。

【0027】

流量センサ２は圧力式の流量センサであり、流路Ｃに設けられた層流素子２３と、層流素子２３の上流側の圧力を測定できるように設けられた第１圧力センサ２１と、層流素子２３の下流側の圧力を測定できるように設けられた第２圧力センサ２２と、第１圧力センサ２１と第２圧力センサ２２で測定された第１圧力、第２圧力に基づいて流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部２４と、から構成される。なお、第１実施形態では圧力式の流量センサを用いているが、例えば熱式の流量センサを用いても構わない。

【0028】

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各種機能が実現される。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２４と、バルブ制御部３としての機能を発揮する。また、ピエゾバルブ４の一部を構成する診断機構６の論理演算についても制御ボードＢの計算資源を用いて実現される。

【0029】

バルブ制御部３は、外部から入力される設定流量と、流量センサ２で測定される測定流量とに基づいてピエゾバルブ４の開度を制御する。より具体的にはバルブ制御部３は、設定流量と測定流量の偏差が小さくなるようにピエゾバルブ４の開度を制御する。すなわち、設定流量と測定流量の偏差と、設定されている制御係数であるＰＩＤ係数に基づいてＰＩＤ演算を行い、その結果に応じたピエゾ制御信号を駆動回路５に対して出力する。なお、本実施形態ではピエゾバルブ４を全開状態にする場合に状況に応じて２種類のピエゾ制御信号のいずれかが出力される。具体的には、バルブ制御部３は、例えば設定流量において最大流量を維持する時間が所定時間以内の場合には、後述する駆動回路５から定格最大電圧である１００％の駆動電圧に対応するピエゾ制御信号を出力する。また、バルブ制御部３は設定流量において最大流量を維持する時間が所定時間よりも長い場合には、駆動回路５から定格最大電圧よりも大きい電圧のリーク電流検出用電圧に対応するピエゾ制御信号を出力する。ここで、リーク電流検出用電圧は例えば定格最大電圧が１００％に対して１２０％に設定される。なお、ピエゾアクチュエータ４１が故障せずに動作できる許容電圧は例えば１４０％である。

【0030】

ピエゾバルブ４は、図３に示すようにボディ１の上面において内部流路Ｃが開口する部分の周囲に形成された弁座４２と、当該弁座４２に対して接離可能に設けられた弁体４３と、弁座４２に対する弁体４３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４１と、弁体４３とピエゾアクチュエータ４１との間を接続するプランジャ４４及び変位反転機構４５を備えている。すなわち、ピエゾバルブ４はノーマルクローズタイプのバルブとして構成されており、変位反転機構４５の作用によってピエゾアクチュエータ４１が伸びると弁体４３が弁座４２に対して引き上げられるように構成されている。

【0031】

具体的には内部流路Ｃの開口の周囲に形成される弁座４２に対して、弁体４３は弁座４２に対して接触する全閉位置と弁座４２に対して所定距離離れた全開位置との間で移動可能に設けられている。弁体４３は全閉位置と全開位置と間の任意の位置に配置される。そして、弁座４２と弁体４３との間に形成されるオリフィスの大きさが変更され、対応する流量が実現される。

【0032】

本実施形態ではピエゾバルブ４は、ピエゾアクチュエータ４１の状態を診断するための機能を備えている。具体的にはピエゾバルブ４は、図２に示すようにピエゾアクチュエータ４１に対して駆動電圧を出力する駆動回路５と、ピエゾアクチュエータ４１のリーク電流及びキャパシタンスを検出し、当該ピエゾアクチュエータ４１の状態を診断する診断機構６と、をさらに備えている。なお、本実施形態では駆動回路５及び診断機構６は、独立した電気回路として構成されているが、流体制御装置１００の制御ボードＢの機能を利用して構成されてもよい。

【0033】

駆動回路５は、図２に示すようにバルブ制御部３からピエゾ制御信号が入力され、当該ピエゾ制御信号に応じた駆動電圧をピエゾアクチュエータ４１に出力する。図４に示すように駆動回路５は、入力されるピエゾ制御信号を増幅して、駆動電圧を生成する増幅器５１を備えたものであり、増幅器５１の出力端子がピエゾアクチュエータ４１に接続されている。また、駆動回路５はピエゾアクチュエータ４１とグラウンドとの間に第１スイッチング素子５２をさらに備えており、ピエゾアクチュエータ４１と第１スイッチング素子５２との間からは診断機構６に接続されるテストノードを分岐させてある。

【0034】

診断機構６は、各開閉弁Ｖが閉止されており流体制御装置１００がチャンバＣＮに対してガスの供給を行っていないオフ期間だけを診断期間とするのではなく、流体制御装置１００がガスの流量を制御し、チャンバＣＮへのガスの供給が行われているプロセス期間も診断期間とする。具体的には診断機構６は、図４、図５に示すようにピエゾアクチュエータ４１のリーク電流を検出するリーク電流検出器６１と、ピエゾアクチュエータのキャパシタンスを検出するキャパシタンス検出器６５と、を備えている。さらに本実施形態では診断機構６は、リーク電流検出器６１がリーク電流を検出するタイミングを制御する第１診断タイミング制御部６８と、キャパシタンス検出器６５がキャパシタンスを検出するタイミングを制御する第２診断タイミング制御部６９と、リーク電流検出器６１とキャパシタンス検出器６５の検出結果に基づいてピエゾアクチュエータ４１の寿命を予測する寿命予測部６Ａとを備えている。

【0035】

リーク電流検出器６１は、図４に示すようにテストノードを介してピエゾアクチュエータ４１に対して第１スイッチング素子５２と並列に設けられた第２スイッチング素子６３と、第２スイッチング素子６３に直列に設けられ、第１スイッチング素子５２がオフかつ前記第２スイッチング素子６３がオンの状態でピエゾアクチュエータ４１のリーク電流が流れ込むように構成された検出抵抗６２と、検出抵抗６２に発生する電圧を検出する第１電圧検出部６４と、第１電圧検出部６４が検出した電圧からリーク電流を算出するリーク電流算出部（図示しない）と、を具備する。なお、リーク電流によって検出抵抗６２に発生する電圧はリーク電流に対してほぼ比例するので、例えば検出された電圧を検出抵抗６２の抵抗値で割ることでリーク電流を算出することができる。

【0036】

ここで、リーク電流検出器６１がリーク電流を検出するタイミングは、第１診断タイミング制御部６８が第１スイッチング素子５２及び第２スイッチング素子６３のオンオフの切り替えられることで制御される。

【0037】

具体的には図５に記載の第１診断タイミング制御部６８は、バルブ制御部３から出力されているピエゾ制御信号又はユーザによって入力されるタイミング指令に基づいて、リーク電流を検出するタイミングを制御する。例えば図６に示すようにプロセス期間において駆動回路５から定格最大電圧以上の電圧が所定時間以上継続して出力され、ピエゾバルブ４が所定時間全開状態に維持されている場合にリーク電流の検出が行われる。なお、所定時間とは例えば１～２秒程度の間、全開状態が維持されている時間である。

【0038】

ここで、通常の流量制御時には第１スイッチング素子５２はオン、第２スイッチング素子６３はオフとして、検出抵抗６２は回路的に切り離されている。一方、上述したようにプロセス期間においてリーク電流を検出するのに適した定格最大電圧以上の電圧が駆動回路５から出力されている場合には、第１診断タイミング制御部６８は第１スイッチング素子５２をオフとし、第２スイッチング素子６３をオンとする。この結果、ピエゾアクチュエータ４１から検出抵抗６２を介してグラウンドへ電流が流れるように切り替えられる。

【0039】

本実施形態ではピエゾバルブ４の開度が全開であり、それ以上電圧を大きくしても開度変化が生じないタイミングにおいて全開に相当する定格最大電圧よりも大きい電圧が印加されるようにして、リーク電流の検出を行っても流量変化は生じないように構成されている。なお、プロセス期間中においてピエゾバルブ４の全閉状態が解除されると、第１診断タイミング制御部６８は第１スイッチング素子５２をオン、第２スイッチング素子６３をオフの状態に戻す。

【0040】

一方、各開閉バルブＶが全閉されているオフ期間においては例えばユーザがピエゾバルブ４の診断を実施するために設定する所定のタイミング指令に基づいて、図６に示すように駆動回路５は定格最大電圧よりも大きい電圧を出力するとともに、第１診断タイミング制御部６８は第１スイッチング素子５２をオフ、第２スイッチング素子６３をオンの状態にする。

【0041】

このようにしてリーク電流検出器６１は、プロセス期間中、オフ期間中のそれぞれにおいてピエゾアクチュエータ４１のリーク電流を検出する。すなわちリーク電流検出器６１は、プロセスを継続しながらほぼリアルタイムでピエゾバルブ４のリーク電流の状態をモニタリングすることができる。

【0042】

次にキャパシタンス検出器６５について説明する。キャパシタンス検出器６５は、ピエゾバルブ４を全閉状態とするために駆動回路５から駆動電圧が出力されていない状態でピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスを検出するものである。具体的にはキャパシタンス検出器６５は、ピエゾアクチュエータ４１に対して駆動電圧が印加されていない状態においてピエゾアクチュエータ４１にテスト電流を所定時間供給し、そのときの電圧変化に基づいてピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスを検出する。

【0043】

図４に示すようにキャパシタンス検出器６５は、テストノードを介してピエゾアクチュエータ４１にテスト電流を供給する電流供給部６６と、ピエゾアクチュエータ４１に印加されている電圧の変化を検出する第２電圧検出部６７と、第２電圧検出部６７で検出される電圧に基づいてピエゾアクチュエータのキャパシタンスを算出するキャパシタンス算出部（図示しない）と、を備えている。電流供給部６６は一定の電流値のテスト電流を例えば１秒程度ピエゾアクチュエータ４１に流す。キャパシタンス算出部は、ピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスをＣ、テスト電流の電流値をｉ、電流を流した時間をｔ、第２電圧検出部６７で検出される電圧Ｖとすると、Ｃ＝ｉｔ／Ｖからキャパシタンスを算出する。

【0044】

ここで、電流供給部６６がピエゾアクチュエータ４１に対してテスト電流を供給するタイミングは、第２診断タイミング制御部６９により制御される。具体的には第２診断タイミング制御部６９は、駆動回路５が駆動電圧を出力していない場合に、電流供給部６６にテスト電流を出力させる。すなわち、第２診断タイミング制御部６９は、図６に示すようにプロセス期間中において駆動回路５から駆動電圧が出力されておらず、所定時間全閉状態が保たれている場合に電流供給部６６からテスト電流を供給させる。例えば全閉状態が１～２秒間維持される場合に第２診断タイミング制御はテスト電流を供給させる。なお、テスト電流の電流値は十分に小さい値であり、ピエゾアクチュエータ４１に発生する電圧は弁座４２から弁体４３が離れて全閉状態が解除されないようにしてある。

【0045】

また、オフ期間ではユーザにより設定されるタイミング指令に基づき、第２診断制御部は、ピエゾバルブ４が全閉している状態において任意のタイミングで電流供給部６６にテスト電流の供給を行わせる。

【0046】

このようにしてキャパシタンス検出器６５は、プロセス期間中、オフ期間中のそれぞれにおいてピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスを検出する。

【0047】

寿命予測部６Ａは、リーク電流検出器６１で検出されるリーク電流の変化、又は、キャパシタンス検出器６５で検出されるキャパシタンスの変化に基づいて、ピエゾバルブ４の寿命を予測する。例えばピエゾバルブ４の劣化等に起因してリーク電流が増大し、予め定めた閾値を超えた場合には、寿命予測部６Ａはピエゾバルブ４が寿命に至る直前であると判定する。あるいは、ピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスが低下し予め定めた閾値を下回った場合には、寿命予測部６Ａはピエゾバルブ４が寿命に至る直前であると判定する。

【0048】

このように本実施形態の流体制御装置１００及びピエゾバルブ４によれば、プロセス期間中においても定格最大電圧以上の電圧が印加されるタイミングでリーク電流の検出を行うので、ほぼ常時ピエゾアクチュエータ４１のリーク電流の変化をモニタリングすることができる。同様にピエゾアクチュエータ４１のキャパシタンスも、プロセス期間においても検出されるので、ほぼ常時その変化をモニタリングすることができる。

【0049】

したがって、ピエゾバルブ４の劣化等の影響を受けるパラメータであるリーク電流とキャパシタンスをほぼ常時モニタリングできるので、リアルタイムでのピエゾバルブ４の寿命予測が可能となるとともに、その予測精度を従来よりも向上させることができる。

【0050】

またプロセス期間中のリーク電流の検出は、ピエゾバルブ４が全開にされる場合に全開に相当する定格最大電圧よりも高い電圧がピエゾアクチュエータ４１に印加されることで行われる。したがって、リーク電流を検出するための動作によってピエゾバルブ４の開度が変化することはなく、流量制御には影響を与えない。

【0051】

その他の実施形態について説明する。

【0052】

流体制御装置は、寿命予測部がリーク電流又はキャパシタンスが閾値を超える、又は、下回った場合に、オペレータやホスト端末に対してその旨を報知する報知部を備えていてもよい。

【0053】

診断機構は、ピエゾアクチュエータのリーク電流のみを検出するものであってもよい。すなわち、プロセス期間中においてピエゾアクチェエータに定格最大電圧以上の電圧が印加されている場合にリーク電流検出器が動作し、リーク電流を検出するものであればよい。また、前記実施形態ではノーマルクローズタイプのピエゾバルブにおいてピエゾアクチュエータのリーク電流を検出していたが、ノーマルオープンタイプのピエゾバルブに本発明を適用してもよい。すなわち、定格最大電圧が印加されている場合に全閉状態となるピエゾバルブでは、リーク電流検出器は全閉時にリーク電流を検出するものであればよい。この場合には、リーク電流検出器はプロセス期間において直前まで弁座と弁体との間に流体が流れており、全閉された後の所定期間を利用してリーク電流の検出を行うことになる。

【0054】

流体制御装置は、流量を制御するものに限られず、圧力を制御するものであってもよい。リーク電流検出器又はキャパシタンス検出器がそれぞれリーク電流やキャパシタンスを検出するタイミングも前記実施形態に示したものに限られない。また、各パラメータが検出されるタイミングは、予め設定された条件を満たした診断機構が判定した場合に自動的に設定されるものであってもよいし、ユーザがマニュアルで設定するものであってもよい。

【0055】

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、実施形態の一部を変更したり、様々な実施形態の一部同士を組み合わせたりしてもかまわない。

【符号の説明】

【0056】

１００・・・流体制御装置
４ ・・・ピエゾバルブ
４１ ・・・ピエゾアクチュエータ
４２ ・・・弁座
４３ ・・・弁体
５ ・・・駆動回路
５１ ・・・増幅器
５２ ・・・第１スイッチング素子
６ ・・・診断機構
６１ ・・・リーク電流検出器
６２ ・・・検出抵抗
６３ ・・・第２スイッチング素子
６４ ・・・第１電圧検出部
６５ ・・・キャパシタンス検出器
６６ ・・・電流供給部
６７ ・・・第２電圧検出部
６８ ・・・第１診断タイミング制御部
６９ ・・・第２診断タイミング制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】