JP2001147722A

JP2001147722A - ガス流量制御装置

Info

Publication number: JP2001147722A
Application number: JP33206099A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Ishikawa; 亨一石川; Katsumi Narasaki; 克巳奈良▲崎▼; Toshikatsu Meguro; 俊勝目黒
Original assignee: ACE Co Ltd; Motoyama Eng Works Ltd
Current assignee: ACE Co Ltd; Motoyama Eng Works Ltd
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスを正確、且つ安全に供給するガス流量制
御装置を提供する。【解決手段】（Ａ）駆動空気圧に応じてガス流路の開
度を変えることによりガス流量を制御する空気圧駆動バ
ルブと、（Ｂ）ソニックノズル及び圧力センサの組合わ
せからなるガス流量計測部と、前記ガス流量計測部で送
出する信号を演算処理して制御信号を送出する記憶演算
部とを有するガス流量計測器と、（Ｃ）空気圧駆動スト
ップバルブと、（Ｄ）前記空気圧駆動バルブと、ガス流
量計測器と、空気圧駆動ストップバルブとをその片面に
着脱自在に取付けると共にこれらをこの順序で連結する
ガス流路を穿設したプレートとからなり、前記プレート
のガス流路を流れるガス流量をガス流量計測器で検出演
算して外部の空気圧コントローラに制御信号を送り、こ
のデータに基づいて空気圧コントローラの送出す駆動空
気で、空気圧駆動バルブの開度を調節することによりガ
ス流路を流れるガス流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音速ノズルと圧力セ
ンサとからなる圧力計測器を用いるガス流量制御装置に
関する。このガス流量制御装置は特に半導体製造におけ
る原料ガスの流量制御に適している。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種の産業において、ガスの流量
制御が行われている。特に半導体製造においては、各種
の原料ガスが正確なシーケンス制御の下で供給される必
要があり、この目的のため各種のガス流量制御装置が用
いられている。

【０００３】図３（Ａ）は、一般のガスラインに従来か
ら採用されているガス流量制御装置の構成を示すフロー
図、図３（Ｂ）は上記フロー図に従い構成された制御装
置を示すものである。

【０００４】ガスライン８０を通って供給されるガス
は、手動の開閉バルブ８２を通ってレギュレータ８４に
よりほぼ一定圧力に制御された後、圧力センサ８６によ
りその圧力が表示される。圧力が制御されたガスは、次
いでフィルター８８、ストップバルブ９０を通ってマス
フローコントローラ９２（以下、ＭＦＣ）に送られ、こ
れにより、ガス流量が制御される。ガス流量が制御され
たガスは、その後、ストップバルブ９４を通り、所望の
箇所に供給される。

【０００５】フィルター８８は、ガスライン８０に混入
する微粒子を除去するもので、混入する微粒子が下流側
に流れることを防止すること、及びＭＦＣ９２に損傷を
与えることを防止することを目的として設けられる。

【０００６】９６は、パージガス導入用の分岐ライン
で、ＭＦＣ９２の上流側に連結されている。９８、１０
０はそれぞれ分岐ライン９６に介装された逆止弁、スト
ップバルブである。

【０００７】また、ＭＦＣ９２の下流側にも分岐ライン
１０２が連結されている。１０４は前記分岐ラインに介
装されたストップバルブである。

【０００８】上記フロー図に従い構成された制御装置は
（図３（Ｂ））に示すように、一方向（本図においては
矢印Ｘ方向）から各構成要素が着脱できるように構成さ
れており、このようなものは一般に表面実装型ガスパネ
ルと言われている。

【０００９】上記構成部品のうち、レギュレータ８４
は、ガス供給圧力を一定に保つことによりＭＦＣ９２の
動作安定性を確保するため、及びレギュレータ８４の下
流側で圧力上昇が生じた場合に上流側にガスが逆流する
ことを防止するために設けられている。

【００１０】ＭＦＣ９２の両側に配設されたバルブ９
０、９４は、ＭＦＣ９２に内蔵されているコントロール
バルブが完全に閉止しないこと、及びＭＦＣ９２をしば
しば交換する必要があり、この交換時にライン内に外気
が混入するのでこれを防止することを目的として配設さ
れている。

【００１１】なお、上記フロー図には記載されていない
が、ＭＦＣ９２の上流及び下流側に、パージ時のガス導
入や、真空排気を実施するために分岐ラインを更に設け
る場合もある。

【００１２】以上の説明から明らかなように、従来のガ
ス流量制御装置はＭＦＣを中心とし、それを保護する構
成部品と、異常時の安全性を確保するための構成部品で
構成されている。従って、ガス流量制御装置の本来の目
的である、ガスを必要なときに必要な流量で、正確、且
つ安全に供給すると言う目的に合致しているとは必ずし
も言い難いものである。そして、上記目的に合致するガ
ス流量制御装置を製造するためには、更なる構成部品を
追加して複雑な構成にする必要があり、この場合は高価
なものになる。

【００１３】また、構成部品が手動（レギュレータ）、
空気圧（開閉バルブ）、電動（ＭＦＣ）と各種の動力で
駆動されるようになっており、このため自動制御化は困
難である。

【００１４】更に、装置の現状の自己診断機能（例え
ば、バルブのシートリークや、ＭＦＣの実流量の変化
等）を持たせることにも困難を伴う。

【００１５】更に、従来のガス流量制御装置は、用いら
れている開閉バルブの駆動空気圧が監視されておらず、
このため正確な開閉タイミングが分かっていない。この
ため、バルブ間で予定されたタイミングのずれを生じ、
場合によってはガスの逆流等を生じることがある。

【００１６】また更に、従来のガス流量制御装置はＭＦ
Ｃの本質的問題点である、置換特性や応答速度が劣る問
題があり、またＭＦＣは電動バルブや流量センシング部
に加熱コイルを使用しているため、本質安全防爆構造に
することができない等の問題がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上記問
題を解決するために種々検討した。その結果、空気圧駆
動バルブとソニックノズルと圧力センサとを組合わせた
ガス流量計測器、及びガス流路を形成されたプレートを
用いて、ガス流量制御装置を構成すると、上記問題が解
決できることを知得し本発明を完成するに至ったもので
ある。

【００１８】従って、本発明の目的とするところは、上
記問題を解決したガス流量制御装置を提供することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、以下に記載されたものである。

【００２０】〔１〕（Ａ）駆動空気圧に応じてガス流
路の開度を変えることによりガス流量を制御する空気圧
駆動バルブと、（Ｂ）ソニックノズル及び圧力センサの
組合わせからなるガス流量計測部と、前記ガス流量計測
部で送出する信号を取込み演算処理して制御信号を送出
する記憶演算部とを有するガス流量計測器と、（Ｃ）空
気圧駆動ストップバルブと、（Ｄ）前記空気圧駆動バル
ブと、ガス流量計測器と、空気圧駆動ストップバルブと
をその片面に着脱自在に取付けると共にこれらをこの順
序で連結するガス流路を穿設したプレートとからなり、
前記プレートに穿設したガス流路を流れるガスの流量を
ガス流量計測器で検出演算して外部の空気圧コントロー
ラに制御信号を送り、このデータに基づいて空気圧コン
トローラの送出す駆動空気で、空気圧駆動バルブの開度
を調節することにより前記プレートに形成したガス流路
を流れるガス流量を制御するガス流量制御装置。

【００２１】〔２〕前記空気圧駆動バルブと、ガス流
量計測器と、空気圧駆動ストップバルブのプレートへの
取付け面の形状が規格化された前記〔１〕に記載のガス
流量制御装置。

【００２２】〔３〕記憶演算部が、ガスの種類毎の流
量検量特性を記憶している前記〔１〕に記載のガス流量
制御装置。

【００２３】〔４〕記憶演算部が、空気圧駆動バル
ブ、空気圧駆動ストップバルブのリーク判断機能を備え
た前記〔１〕に記載のガス流量制御装置。

【００２４】〔５〕記憶演算部が、ソニックノズル、
及びソニックノズルの下流部の閉塞状態を判断する機能
を備えた前記〔１〕に記載のガス流量制御装置。

【００２５】〔６〕空気圧駆動ストップバルブに空気
圧駆動バルブを用いる前記〔１〕に記載のガス流量制御
装置。

【００２６】以下、図面を参照しながら、本発明を詳細
に説明する。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のガス流量制御装
置を組込んだ、表面実装型ガスパネル２００の一例を示
すものである。本発明の構成は、２点鎖線Ｙにより囲ま
れる構成部分である。

【００２８】図１において、２はプレートの断面を示す
ものである。前記プレート２はステンレス、アルミ等の
金属製厚板である。プレート２は、その片面４（本図に
おいては上面）からプレート２内に略Ｕ字状のガス流路
６が所定間隔毎に穿設されている。前記Ｕ字状のガス流
路６の上端は、プレート上面に略円形の連絡孔８を形成
している。１０は、上記プレート２の上面に取付けら
れた空気圧駆動ストップバルブで、プレート２に穿設さ
れたガス流路６の連絡孔８とストップバルブ１０のガス
流路とが連結されるように着脱自在にプレート２に取付
けられている。これにより、ガス流路６を流れるガス
は、連絡孔８ａを通ってバルブ１０に送られた後、バル
ブ１０内通って連絡孔８ｂからガス流路６に再び送返さ
れる。

【００２９】なお、７ａ、７ｂはそれぞれパージガス導
入路で、ストップバルブ１０、及び後述するストップバ
ルブ１８を介して前記流路６に連結されている。

【００３０】１２は、前記バルブ１０と連設された空気
圧駆動バルブ、１４はガス流量計測器、１６及び１８は
ガス駆動ストップバルブで、何れも前記プレート２上に
所定間隔で順次連設されており、これらバルブ１２、１
６、１８及びガス流量計測器１４の各流路は何れも前記
バルブ１０と同様にしてＵ字状の流路６の各連絡孔に連
結されている。これにより、ガス流路６の上流側６ａか
らガス流路６に送られたガスは、順次バルブ、計測器を
通って、ガス流路６の下流側６ｂから流出する。

【００３１】上記バルブ１０、１２、１６、１８、及び
計測器１４の底面は全て同一の形状に形成されている。
したがって、これらは所定間隔で、且つ同一底面形状
で、プレート２上に規則正しく同一方向に配列されてい
ることになる。

【００３２】なお、前記空気圧駆動バルブ１２は、流体
制御系で任意開度に調整できる空気圧駆動コントロール
バルブである。このものとしては、メタルダイヤフラム
を駆動空気圧で駆動することによりガス流路の開度を調
節することによりガス流量を制御するものが例示され、
このようなバルブは公知のものである。特に好ましい空
気圧駆動バルブとしては、このような目的のために設計
された特開平１１ー１０１３５２号に記載されたバルブ
が挙げられる。

【００３３】図２はガス流量計測器１４の拡大図であ
る。図２中、６０はガス流入管で、前記Ｕ字状のガス流
路６を通ってガス流量計測器１４に流入するガスは、こ
の流入管６０を通って圧力測定室６２に送られ、ここで
圧力センサ６４により流入ガス圧力が測定される。７０
は、後述する記憶演算処理部で、前記圧力センサの測定
データがここで演算処理される。

【００３４】その後、ガスはソニックノズル６６を通っ
てガス流出管６８から、前記Ｕ字状のガス流路６に送ら
れる。

【００３５】図１中、２０は記憶演算処理部を備えた空
気圧コントローラで、前記ガス流量計測器１４の記憶演
算処理部７０の送出する信号を受取り駆動空気を駆動空
気ライン２２を通して空気圧駆動バルブ１２に送る。

【００３６】空気圧コントローラ２０としては、市販の
電空レギュレータや、比例ソレノイドを用いたガスコン
トローラが利用できる。

【００３７】２４は制御部で、所定のシーケンスに従っ
て、または手動で制御信号を空気圧コントローラ２０に
伝送し、これにより加圧空気が駆動空気ライン２６、２
８、３０にそれぞれ送られ、バルブ１０、１６、１８の
開閉が制御される。

【００３８】次に、上記ガス流量制御装置を用いてガス
の流量を制御する場合について説明する。

【００３９】ガス流路６を送られてガス流量計測器１４
に送られてきたガスは、前述のように図２に示す圧力測
定室６２に入り、ここで圧力センサ６４により圧力が測
定される。

【００４０】前記圧力センサ６４により測定された圧力
信号は、記憶演算処理部７０に送られ、比較演算処理等
の所定の演算処理が行われる。

【００４１】記憶演算処理部７０による演算結果は電気
信号に変換され図１に示される空気圧コントローラ２０
に伝送される。

【００４２】前記電気信号を受けた空気圧コントローラ
２０により、駆動空気ライン２２を通して加圧された駆
動空気が空気圧駆動バルブ１２に供給される。この駆動
空気の供給により、バルブ１２の開度が予め設定された
所望の流量になるように調整される。流量が設定値より
も少ない場合は空気圧が上昇され、多い場合は空気圧が
減少される操作が自動的に行われる。これにより、ガス
流量制御装置から流出するガスの流量は所定流量に保た
れるものである。

【００４３】次に、上記装置を用いて自己診断を行う場
合につき、説明する。

【００４４】（１）シートリークの診断空気圧駆動バルブ１２は完全クローズ機能を有してい
る。即ち、シートリークが無い状態を保証してガス流量
制御装置に組込まれている。しかし、駆動バルブのシー
ト部（弁座）に異物が付着したり、バルブが故障した
り、バルブの寿命が来ると、駆動バルブがシートリーク
を起す場合がある。この場合のシートリークの判断は、
以下のようにして行う。

【００４５】先ず、ガス流量計測器１４の両側のバルブ
１２、１６を閉じる。次いで圧力センサ６４の出力を観
察する。圧力上昇がある場合は、上流側のバルブ１２に
リークがあると判断できる。また、センサ６４の出力が
圧力降下を示す場合は、下流側バルブ１６にリークがあ
ると判断できる。

【００４６】（２）ソニックノズル、及びその下流側の状態診断ソニックノズル６６にパーティクル等の異物が付着した
り、ソニックノズル６６の下流側が閉塞状態に近づく
と、ノズルを通過するガスの音速状態を維持できず、実
流量の変化が生じてくる。この状態を定期的に診断する
ため、以下の操作が行なわれる。

【００４７】まず、ガス流量計測器１４の上流側の空気
圧駆動バルブ１２を閉じ、時間に対する圧力降下状態
（初期特性）を圧力センサ６４により測定し、空気圧コ
ントローラ２０に記録する。

【００４８】次に、所望の期間経過後、同様にして圧力
降下状態を測定する。この経過後の特性と、初期特性と
を比較することにより、装置の状態を判断できる。

【００４９】降下特性が音速域の降下の場合はノズル
に、亜音速域の降下の場合は下流側の流路の閉塞と診断
される。また、変化の度合に応じて、メンテナンス時期
の判断資料とすることもできる。

【００５０】（３）検量特性ガスの種類に応じてガスのＣＦ（今バージョンファクタ
ー）をガス流量計測器の記憶演算処理部７０に記憶させ
ておき、このデータをガス種を変更したときに用いる。
温度に対するガス流量の補正も同様にして行うことが出
来る。

【００５１】なお、上記説明においては、圧力センサ６
４の検出信号を記憶演算処理部７０で設定値と比較処理
して空気圧コントローラ２０に伝送したが、これに限ら
れず、空気圧コントローラ２０内で比較処理を行うよう
にしても良い。更に、ガス流量計測器１４と空気圧駆動
バルブ１２との間に、パージ用の分岐ラインを設けるよ
うにしても良く、また適宜流路にフィルター等を設置し
ても良い。例えば、市販されているガスケット状フィル
ターをガス流量制御装置の上流側の継ぎ手部に取付けて
も良い。

【００５２】また更に、プレート内のガス流路を略Ｕ字
状に形成したがこれに限られず、Ｖ字状、円弧状等任意
の形状にすることが出来る。

【００５３】

【発明の効果】本発明においては、上記のように構成し
たので、以下のような効果を奏する。（１）表面実装型ガスパネルにおいて、全ての構成部品
の底面形状を同一としたので、プレートで流路を簡単に
設計することが出来る。このため、ラインの増設、改造
に対して簡単に対処できる。（２）空気圧駆動バルブと、ソニックノズルを用いるガ
ス流量計測器でガス流量の制御を行うので、装置の構成
が簡素化され、製造コストが低減される。（３）バルブの駆動に空気圧を使用することで、本質安
全防爆装置を構築できる。（４）空気圧駆動バルブを空
気圧駆動ストップバルブとして使用できる。この場合
は、空気圧駆動バルブの開度と空気圧との関係を予め求
めて記憶しておくことで、バルブの開度を任意に調節す
ることが出来る。これにより、パージガス導入時に急激
な圧力上昇を避けることが出来、ガス流量計測器の圧力
センサに対する圧力衝撃を低減させ、ベント時にガスが
真空ポンプや除外装置にその処理能力の許容限度以上に
流出することのないように制御することができる。ま
た、ソフトにバルブを閉止できるので、バルブのシート
部の損傷を最小限に出来、このためパーティクルの発生
も最小限度に抑制できる。（５）ガス流量制御装置は自己診断機能を持たせること
が出来るので、この場合はガスの実流量やバルブの完全
閉止等のプロセス条件が変化していないことを事前に確
認できる。またメンテナンス時期の判断も可能になり、
突然プロセスが運転不能に陥る等の事故を最小限度にく
い止められる。（６）本発明のガス流量制御装置は、制御できるガス種
が多く、ガス流量のレンジ変更がガス流量計測部の交換
だけで可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す一部断面概略構成図で
ある。

【図２】ガス流量計測器の構造の一例を示す概略図であ
る。

【図３】従来のガス流量制御装置の一例を示す、（Ａ）
はフロー図、（Ｂ）は概略構成図である。

【符号の説明】

２プレート４片面６ガス流路６ａ上流側６ｂ下流側７ａ、７ｂパージガス導入路８連絡孔１０、１６、１８ストップバルブ１２空気圧駆動バルブ１４ガス流量計測器２０空気圧コントローラ２２駆動空気ライン２４制御部６０ガス流入管６２圧力測定室６４圧力センサ６６ソニックノズル６８ガス流出管７０記憶演算処理部８０ガスライン８２開閉バルブ８４レギュレータ８６圧力センサ８８フィルタ９０、９４、１００ストップバルブ９２マスフローコントローラ９６分岐ライン９８逆止弁１００、１０４ストップバルブ２００ガスパネル

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月２４日（１９９９．１１．
２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】ガス流量制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奈良▲崎▼ 克巳東京都大田区蒲田５丁目36番５号第10坂入ビル５Ｆ株式会社エー・シー・イー内 (72)発明者目黒俊勝宮城県黒川郡大衡村大衡字亀岡５ー２株式会社本山製作所大衡工場内Ｆターム(参考） 5H307 AA20 BB01 DD11 DD13 DD17 DD18 DD20 EE02 EE08 FF03 FF12 GG01 HH04 JJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）駆動空気圧に応じてガス流路の開
度を変えることによりガス流量を制御する空気圧駆動バ
ルブと、（Ｂ）ソニックノズル及び圧力センサの組合わ
せからなるガス流量計測部と、前記ガス流量計測部で送
出する信号を取込み演算処理して制御信号を送出する記
憶演算部とを有するガス流量計測器と、（Ｃ）空気圧駆
動ストップバルブと、（Ｄ）前記空気圧駆動バルブと、
ガス流量計測器と、空気圧駆動ストップバルブとをその
片面に着脱自在に取付けると共にこれらをこの順序で連
結するガス流路を穿設したプレートとからなり、前記プレートに穿設したガス流路を流れるガスの流量を
ガス流量計測器で検出演算して外部の空気圧コントロー
ラに制御信号を送り、このデータに基づいて空気圧コン
トローラの送出す駆動空気で、空気圧駆動バルブの開度
を調節することにより前記プレートに形成したガス流路
を流れるガス流量を制御するガス流量制御装置。
【請求項２】前記空気圧駆動バルブと、ガス流量計測
器と、空気圧駆動ストップバルブのプレートへの取付け
面の形状が規格化された請求項１に記載のガス流量制御
装置。
【請求項３】記憶演算部が、ガスの種類毎の流量検量
特性を記憶している請求項１に記載のガス流量制御装
置。
【請求項４】記憶演算部が、空気圧駆動バルブ、空気
圧駆動ストップバルブのリーク判断機能を備えた請求項
１に記載のガス流量制御装置。
【請求項５】記憶演算部が、ソニックノズル、及びソ
ニックノズルの下流部の閉塞状態を判断する機能を備え
た請求項１に記載のガス流量制御装置。
【請求項６】空気圧駆動ストップバルブに空気圧駆動
バルブを用いる請求項１に記載のガス流量制御装置。