CN108469803A - 维护判断指标推断装置、流量控制装置以及维护判断指标推断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供维护判断指标推断装置、流量控制装置以及维护判断指标推断方法。在装置的运行中对判断流量控制装置及其相关设备是否需要维护的判断指标进行推断。本发明的维护判断指标推断装置包括：阀开度获取部(3)，其构成为获取在使用阀来控制流体的流量的流量控制中流体的流量被维持在预先规定的目标流量时的阀的开度；以及流量上限推断部(4)，其构成为基于对阀的开度与流体的流量的关系加以近似而得的函数以及由阀开度获取部(3)获取到的阀的开度，将假定在该获取的时间点阀的开度达到上限情况下的流量上限值推断为流量控制装置的维护判断指标。

Description

维护判断指标推断装置、流量控制装置以及维护判断指标推 断方法

技术领域

本发明涉及一种对质量流量控制器等流量控制装置和过滤器等相关设备是否需要维护的判断指标进行推断的技术。

背景技术

在半导体制造装置等中，为了将材料气体等以一定流量导入至真空腔室内，采用有图6所示那样的质量流量控制器等流量控制装置(参考专利文献1)。在图6中，100为主体块，101为传感器组件，102为传感器组件101的头部，103为搭载于头部102的流体传感器，104为阀，105为形成于主体块100的内部的流路，106为流路105的入口侧的开口，107为流路105的出口侧的开口。

流体从开口106流入至流路105并通过阀104而从开口107排出。流体传感器103测量在流路105中流动的流体的流量。质量流量控制器的未图示的控制电路以流体传感器103所测量出的流体的流量与设定值一致的方式驱动阀104。

当通过这种质量流量控制器来持续进行材料气体的流量控制时，材料气体中所含的成分的影响等有时会导致污物附着于质量流量控制器本身或者材料气体的流路上配备的过滤器等相关设备等而发生故障。

因此，提出一种以在质量流量控制器中内置的流体传感器的整个测定范围内只在容许精度范围内产生流量误差、压力误差的方式来操作、校正阀开度的装置(参考专利文献2)。然而，在专利文献2所揭示的诊断机构中，存在如下问题：虽然能够诊断流体传感器的测量值与实际的流量的误差是否是在精度上能够容许的程度，但为了诊断，需要将设置于流路上的阀维持为全闭状态，或者使阀从全闭状态变化为开发状态，在装置的运行中难以进行诊断。在质量流量控制器例如被设置在半导体制造装置的情况下，难以为了进行质量流量控制器的诊断而使半导体制造装置整体停止。

此外，在专利文献2所揭示的诊断机构中，存在如下的问题：当在半导体制造装置的运行停止的时刻进行质量流量控制器的诊断的情况下，在该运行停止期间，在使流体流入质量流量控制器的流路之后需要使阀变化为全闭状态，诊断作业花费工夫。在半导体制造装置等中，如果能够在装置的运行中判断维护的必要性，则进行运行管理会变得容易，因此寻求改进。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2008-039588号公报

专利文献2：日本专利第5931668号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明为了解决上述问题而做出，其目的在于提供一种能够在装置的运行中对流量控制装置及其相关设备是否需要维护的判断指标进行推断的维护指标推断装置、流量控制装置及维护指标推断方法。

解决问题的技术手段

本发明的维护判断指标推断装置的特征在于，具备：阀开度获取部，其构成为获取在使用阀来控制流体的流量的流量控制中所述流体的流量被维持在预先规定的目标流量时的所述阀的开度；以及流量上限推断部，其构成为基于对所述阀的开度与所述流体的流量的关系加以近似而得的函数以及由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度，将假定在该获取的时间点所述阀的开度达到上限的情况下的流量上限值推断为流量控制装置的维护判断指标。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，所述流量上限推断部将与所述流量上限值对应的所述阀的开度的上限设为100％。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，所述函数至少由与所述阀的开度有关的项和作为与该项相乘的数值的增益来加以定义，所述流量上限推断部基于假定所述增益随着时间的经过而减少时从所述函数获得的数式以及由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度，来推断所述流量上限值。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，所述函数是对所述阀的开度与所述流体的流量的非线性关系加以近似而得的函数，与所述阀的开度有关的项使用指数函数表示。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，所述函数是对所述阀的开度与所述流体的流量的非线性关系加以近似而得的函数，与所述阀的开度有关的项使用分数函数表示。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，所述流量上限推断部由增益算出部和流量上限算出部构成，该增益算出部基于在想要推断所述流量上限值的当前时间点由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度和所述目标流量，算出当前时间点的所述增益，该流量上限算出部基于由该增益算出部算出的增益来算出所述流量上限值。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，还具备对由所述流量上限推断部推断出的流量上限值进行数值显示的推断结果输出部。

此外，本发明的维护判断指标推断装置的1构成例的特征在于，还具备在由所述流量上限推断部推断出的流量上限值不满预先规定的阈值时发出警报的推断结果输出部。

此外，本发明的流量控制装置的特征在于，具备：流量测量部，其测量在流路中流动的流体的流量；阀，其被设置在所述流路上；流量控制部，其操作所述阀，以使由所述流量测量部测量出的所述流量与预先规定的目标流量一致；以及维护判断指标推断装置，并且，所述维护判断指标推断装置的所述阀开度获取部获取在所述流路上设置的所述阀的开度。

此外，本发明的维护判断指标推断方法的特征在于，包含：第1步骤，获取在使用阀来控制流体的流量的流量控制中所述流体的流量被维持在预先规定的目标流量时的所述阀的开度；以及第2步骤，基于对所述阀的开度与所述流体的流量的关系加以近似而得的函数以及由所述第1步骤获取到的所述阀的开度，将假定在该获取的时间点所述阀的开度达到上限的情况下的流量上限值推断为流量控制装置的维护判断指标。

发明的效果

根据本发明，能够在装置的运行中推断流量控制及其相关设备是否需要维护的判断指标(流量上限值)。其结果是，对于操作人员而言，容易进行设置有流量控制装置的半导体制造装置等的运行管理。此外，在本发明中，能够大幅降低是否需要维护的判断所花费的工夫。

附图说明

图1是表示在质量流量控制器中设置的阀的开度与流体的流量的关系的一例的图。

图2是表示在质量流量控制器中设置的阀的开度与流体的流量的关系的另一例的图。

图3是表示本发明的实施例所涉及的流量控制装置的构成的框图。

图4是说明本发明的实施例所涉及的流量控制装置的流量控制动作的流程图。

图5是说明本发明的实施例所涉及的流量控制装置的维护判断指标推断动作的流程图。

图6是质量流量控制器的截面图。

具体实施方式

大多数情况下，质量流量控制器的用途是将流体的流量稳定地维持在预先以限定方式决定的目标流量。因而，若以这种用途为前提，则能以可靠性较高的检测条件推断过滤器的堵塞的影响等。具体而言，检测被稳定地维持在任意的目标流量的状态，并获取该条件下的阀开度指示信号。

若考虑发生了设置在质量流量控制器的上游的过滤器的堵塞的情况，则在该时间点使阀开度饱和到100％的状态下可达到的流量是该时间点的可控制的流量的上限值，换言之，推断该上限值并判断是否进行维护是有效的。因此，发明者想到，基于质量流量控制器特有的使用条件，获取可靠性较高的阀开度的信息，并将从中推断的流量上限值(例如阀开度100％时的推断流量)作为是否需要维护的判断指标是妥当的。

[实施例]

下面，参考附图对于本发明的实施例进行说明。在专利文献2中示出了如下内容：在使设置于质量流量控制器中的阀的开度在时间上呈线性变化的情况下，越是高开度侧，在流路中流动的流体的流量体积的变化越少。由此可知，阀开度MV与流量PV为非线性关系，越是高开度侧，相对于开度MV的变化量而言，流量PV的变化量越是减少。这种质量流量控制器的特性的概略示于图1。再者，在图1的例子中，将流量PV归一化为0～100％的值。图1所示那样的特性为非线性收敛现象，因此能以下式的指数函数来表现。

PV＝K{1.0-exp(-MV/A)}···(1)

如此，对阀开度MV与流量PV的关系加以近似而得的函数由常数项(1.0)、与阀开度MV有关的项、以及作为与这各项相乘的数值的增益K加以定义。式(1)的A为赋予非线性收敛状态的系数。图1的曲线cur1表示质量流量控制器的初始特性。以能够预先掌握的供给压力为基准，设定在阀开度MV＝100％时流量PV达到最大值100％，此外，结合普通的非线性的图像，曲线cur1能以下式那样的系数值的指数函数来表现。

PV＝104.0{1.0-exp(-MV/30.0)}···(2)

式(2)的K＝104.0、A＝30.0为这些数值的1例。在设置于流路上的过滤器等的堵塞现象中，能够推断处于该过滤器的下游的质量流量控制器的阀本身的特性即非线性是不会变化的，因此，系数A可以视为固定。因此，假定只有增益K会因为过滤器的堵塞现象等而减少。

在判断质量流量控制器、质量流量控制器的相关设备是否需要维护之后，虽然推测若干因素会对质量流量控制器的运行时间产生影响，但假定增益K以与运行时间大致成比例的形式、即以没有急剧恶化的程度的一定的缓和的速度减少较为妥当。

此处，将预先规定的目标流量PVx假定为PVx＝60.0％。即，作为质量流量控制器的流量设定值SP而赋予的最基准的数值为SPx＝60.0％。若将用于使流体的流量整定为PVx＝60.0％的质量流量控制器的初始状态的阀开度设为MV1，则根据曲线cur1，MV1＝25.8％。由于可以预先掌握非线性特性的系数A＝30.0，因此，可以根据PVx＝60.0％和MV1＝25.8％而像下式那样倒过来计算初始状态的增益K1。另外，在该初始状态下，阀开度100％时的流量(流量上限值PVh)如上述那样为PVh＝100％。

K1＝PVx/{1.0-exp(-MV1/A)}

＝60.0/{1.0-exp(-25.8/30.0)}＝104.0···(3)

接下来，获取在经过了发生过滤器的堵塞程度的质量流量控制器的运行时间的时间点的用于维持目标流量PVx的阀开度MV。此时，目标流量PVx是与初始状态的目标流量PVx不同的值即可。此处，目标流量PVx设为40.0％。例如在从运行开始之后经过了72小时的时间点，检测出MV2＝16.2％作为用于维持目标流量PVx＝40.0％的阀开度MV。该值意味着由于过滤器的堵塞现象而流入至质量流量控制器的点的压力降低，用于维持目标流量PVx＝40.0％的阀开度MV必须变为MV2＝16.2％。

在运行开始之后经过了72小时的时间点的增益K2可以基于PVx＝40.0％和MV2＝16.2％，如下式那样倒过来计算。

K2＝PVx/{1.0-exp(-MV2/A)}

＝40.0/{1.0-exp(-16.2/30.0)}＝96.0···(4)

因此，推断增益K在72小时内从初始状态的K1＝104.0减少到了K2＝96.0，在数值上仅减少了8.0。在该情况下，质量流量控制器的特性变为图1的曲线cur2的样子。并且，在该cur2的状态下，阀开度100％时的流量(流量上限值PVh)能够如下式那样算出。

PVh＝96.0{1.0-exp(-100.0/30.0)}＝96.6···(5)

如此，PVh＝96.6％为cur2的状态下的可控制的流量的上限值，可以判断为并不是严重的状态。即，成为还不需要质量流量控制器的维护这样的判断指标。

由于假定增益K与质量流量控制器的运行时间大致成比例地以一定的速度减少，因此能够推断，当从cur2的状态开始再经过大约72小时的时候，恐怕增益K会再减少大约8.0，质量流量控制器的特性会变为图1的曲线cur3(K3＝88.0)那样。在该cur3的状态下，阀开度100％时的流量(流量上限值PVh)可以如下式那样算出。但是，仅限于增益K以一定的速度减少的情况。

PVh＝88.0{1.0-exp(-100.0/30.0)}＝84.9···(6)

当整理以上内容时，如下所述。在初始状态(cur1)下，根据PVx＝60.0％和MV1＝25.8％的实绩可以推断PVh＝100％。在从运行开始起经过了72小时后的状态(cur2)下，根据PVx＝40.0％和MV2＝16.2％的实绩可以推断PVh＝96.6％。在又经过72小时之后的状态(cur3)下，可以推断PVh＝84.9％。

接下来，获取又经过了时间的时间点用于维持目标流量PVx的阀开度MV。此时，设定为目标流量PVx＝30.0％，检测到MV4＝19.8％。在该情况下，基于PVx＝30.0％和MV4＝19.8％，可以如下式那样倒过来计算增益K4。

K4＝PVx/{1.0-exp(-MV4/A)}

＝30.0/{1.0－exp(-19.8/30.0)}＝62.0···(7)

在该情况下，质量流量控制器的特性如图1的曲线cur4那样。并且，在该cur4的状态下，能够如下式那样算出阀开度100％下的流量(流量上限值PVh)。

PVh＝62.0{1.0-exp(100.0/30.0)}＝59.8···(8)

如此，PVh＝59.8％为cur4状态下的可控制的流量的上限值。作为过去的实绩，有目标流量PVx设为PVx＝60.0的例子，由于PVh＝59.8％低于过去的目标流量PVx，因此判断为严重的状态。即，成为需要质量流量控制器的维护这样的判断指标。

根据以上内容，求出质量流量控制器及其相关设备的维护的必要性的判断指标的步骤可以整理为以下的(I)、(II)。根据本实施例，即使在由于是以低流量、低开度(阀开度为充分远离上限的开度)进行控制而看起来阀开度有余量的情况下，也能够得到妥当的判断指标。

(I)能够获取用于将流体的流量维持为任意的目标流量PVx的阀开度MV。基于该阀开度MV算出增益K。但是，非线性的系数A是预先规定的。

K＝PVx/{1.0-exp(-MV/A)}···(9)

(II)算出阀开度MV成为上限100％情况下的流量作为可控制的流量上限值PVh，将该流量上限值PVh作为质量流量控制器及其关联设备是否需要维护的判断指标。

PVh＝K{1.0-exp(-100.0/A)}···(10)

另外，只要是能够近似出图1的非线性的函数，即便不是指数函数也能运用同样的方法。例如，若是下述的分数函数，则仅靠四则运算便能记述阀开度与流量的非线性。

PV＝K[{-A/(MV+B)}+C]

＝1.0[{-3130.0/(MV+25.0)}+125.2]···(11)

K＝PVx/[{-A/(MV+B)}+C]···(12)

PVh＝K/[{-A/(100.0+B)}+C]···(13)

与式(1)同样地，式(11)的函数由常数项(C＝125.2)、与阀开度MV有关的项、以及与这些项相乘的增益K加以定义。根据式(11)～式(13)，能够以与图1同样的图2表示质量流量控制器的特性。图2的曲线cur1的状态下的增益K1为1.0，曲线cur2的状态下的增益K2为0.923，曲线cur3的状态下的增益K3为0.846，曲线cur4的状态下的增益K4为0.596。即，与图1的例子同样地，增益K与运行时间成比例地以一定的速度减少。

接下来，对本实施例的流量控制装置(质量流量控制器)的构成进行说明。如图3所示，本实施例的流量控制装置具备：流量测量部1，其测量在流路中流动的流体的流量；流量控制部2，其操作阀以使由流量测量部1测量出的流量与目标流量PVx一致；阀开度获取部3，其获取在流量控制中流体的流量被维持在预先规定的目标流量PVx时的阀开度MV；流量上限推断部4，其将假定在阀开度MV的获取的时间点阀开度达到上限(例如100％)的情况下的流量上限值PVh推断为维护判断指标；以及推断结果输出部5，其输出与流量上限推断部4的推断结果有关的信息。

接下来，参考图4、图5说明本实施例的流量控制装置的动作。图4是说明流量控制动作的流程图，图5为说明维护判断指标推断动作的流程图。

流量测量部1持续地测量在流路(图6的流路105)中流动的流体的流量(图4步骤S100)。该流量测量部1相当于图6的流体传感器103，是设置在质量流量控制器中的公知构成。

流量控制部2持续地操作阀(图6的阀104)以使流量测量部1测量出的流体的流量与例如由操作人员设定的目标流量PVx一致(图4步骤S101)。该流量控制部2也是设置在质量流量控制器中的公知构成。

如此，按照预先规定的每一周期(例如50msec.)来反复执行步骤S100、S101的处理直到例如由操作人员指示结束装置的动作为止(图4步骤S102中的是)。

另一方面，阀开度获取部3获取流体的流量被维持在目标流量PVx时的阀的开度MV(目标维持阀开度)(图5步骤S200)。具体地说，在从一定时间前开始到当前时间点为止的期间内流量测量部1测量出的流量与目标流量PVx的偏差的绝对值持续地处于规定值以内的情况下，阀开度获取部3判定流体的流量被维持在目标流量PVx，并获取当前时间点的阀开度MV。一定时间t的值作为规定值而被设定在阀开度获取部3中。

另外，虽然也可以检测阀开度本身，但在安装上并不是检测严格的阀开度，获取从流量控制部2输出至阀的信号(例如阀开度指示信号或阀驱动电流)并基于该信号来判断阀开度即可。

接下来，流量上限推断部4基于由阀开度获取部3获取到的阀开度MV(目标维持阀开度)，将假定在该获取时间点阀开度达到上限(例如100％)的情况下的流量上限值PVh推断为可控制的流量这样的判断指标。如图3所示，流量上限推断部4由增益算出部40和流量上限算出部41构成，该增益算出部40算出增益K，该流量上限算出部41算出流量上限值PVh。

流量上限推断部4的增益算出部40利用式(9)来算出想要算出流量上限值PVh的当前时间点的增益K(图5步骤S201)。式(9)的系数A作为规定值而被设定在流量上限推断部4中。为了掌握该系数A，例如事先进行流量控制装置的流量试验而调查好系数A的值即可。

然后，流量上限推断部4的流量上限算出部41基于由增益算出部40算出的增益K,通过式(10)算出流量上限值PVh(图5步骤S202)。以上，结束流量上限推断部4的处理。

推断结果输出部5输出流量上限推断部4的推断结果(图5步骤S203)。作为推断结果的输出方法，例如有流量上限值PVh的数值显示、基于流量上限值PVh的警报输出、推断结果的信息向外部的发送等。在警报输出的情况下，在流量上限值PVh不足预先规定的阈值(例如不到60％)时，使通知警报的LED点亮即可。

阀开度获取部3、流量上限推断部4以及推断结果输出部5按照规定的每一周期ΔT(例如24小时)来反复执行步骤S200～S203的处理，直至例如由操作人员指示结束装置的动作为止(图5步骤S204中的是)。

根据以上内容，在本实施例中，能够在装置的运行中对于流量控制装置及其相关设备(设置于流路上的过滤器等)推断是否需要维护的判断指标(流量上限值PVh)。操作人员能够基于流量控制装置的推断结果来判断是否达到了需要维护的严重情况，所以易于执行半导体制造装置等的运行管理。此外，在本实施例中，由于在半导体制造装置的运行停止中不需要进行使流体流入质量流量控制器的流路的作业，所以能够大幅减少是否需要维护的判断所需要的工夫。

另外，在阀开度获取部3判断为流体的流量没有被维持在目标流量PVx的情况下，则无法获取阀开度MV，因此在这种情况下，无法算出流量上限值PVh。

此外，即使在目标流量PVx在中途变化的情况下也能够适用本实施例，但在阀开度获取部3判定流体的流量是否被维持在目标流量PVx的一定时间t(t<ΔT)的期间，目标流量PVx需要被维持在相同的值。当目标流量PVx在一定时间t的期间内改变时，无法进行阀开度MV的获取。

此外，流量上限推断部4使用式(12)、式(13)代替式(9)、式(10)来计算增益K和流量上限值PVh。式(12)、式(13)的系数A、B、C作为规定的值而被设定在流量上限推断部4中。为了掌握该系数A、B、C，例如事先进行流量控制装置的流量试验即可。

此外，在本实施例中，是将图3所示的构成全部设置在流量控制装置(质量流量控制器)内，但并不限于此。也可以将阀开度获取部3、流量上限推断部4以及推断结果输出部5作为维护判断指标推断装置而设置在上位设备(例如可编程逻辑控制器PLC)中，并与包含流量测量部1和流量控制部2的普通的微流量控制器结合使用。

在本实施例中所说明的流量控制装置可以通过具备CPU(Central ProcessingUnit中央处理器)、存储装置及接口的计算机和控制这些硬件资源的程序来实现。同样地，由阀开度获取部3、流量上限推断部4以及推断结果输出部5构成的维护判断指标推断装置可以通过计算机和程序来实现。各装置的CPU根据各自的存储装置中存储的程序来执行本实施例中说明过的处理。由此，能够实现本实施例的维护判断指标推断方法。

产业上的可利用性

本发明可以适用于管理流量控制装置及其相关设备的技术中。

符号说明

1…流量测量部、2…流量控制部、3…阀开度获取部、4…流量上限推断部、5…推断结果输出部、40…增益算出部、41…流量上限算出部。

Claims (10)

1.一种维护判断指标推断装置，其特征在于，包括：

阀开度获取部，其构成为：获取在使用阀来控制流体的流量的流量控制中所述流体的流量被维持在预先规定的目标流量时的所述阀的开度；以及

流量上限推断部，其构成为：基于对所述阀的开度与所述流体的流量的关系加以近似而得的函数、以及由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度，将假定在该获取的时间点所述阀的开度达到上限情况下的流量上限值推断为流量控制装置的维护判断指标。

2.根据权利要求1所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，

所述流量上限推断部将与所述流量上限值对应的所述阀的开度的上限设为100％。

3.根据权利要求1或者2所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，

所述函数至少由与所述阀的开度有关的项以及作为与该项相乘的数值的增益加以定义，

所述流量上限推断部基于假定所述增益随着时间的经过而减少时从所述函数获得的数式、以及由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度，推断所述流量上限值。

4.根据权利要求3所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，

所述函数是对所述阀的开度与所述流体的流量的非线性关系加以近似而得的函数，与所述阀的开度有关的项使用指数函数表示。

5.根据权利要求3所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，

所述函数是对所述阀的开度与所述流体的流量的非线性关系加以近似而得的函数，与所述阀的开度有关的项使用分数函数表示。

6.根据权利要求3所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，

所述流量上限推断部包括：

增益算出部，其基于在想要推断所述流量上限值的当前时间点由所述阀开度获取部获取到的所述阀的开度和所述目标流量，算出当前时间点的所述增益；以及

流量上限算出部，其基于由该增益算出部算出的增益，来算出所述流量上限值。

7.根据权利要求1或者2所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，还包括推断结果输出部，其对于由所述流量上限推断部推断出的流量上限值进行数值显示。

8.根据权利要求1或者2所述的维护判断指标推断装置，其特征在于，还包括推断结果输出部，其在由所述流量上限推断部推断出的流量上限值不足预先规定的阈值时发出警报。

9.一种流量控制装置，其特征在于，包括：

流量测量部，其测量在流路中流动的流体的流量；

阀，其被设置在所述流路上；

流量控制部，其操作所述阀，以使由所述流量测量部测量出的所述流量与预先规定的目标流量一致；以及

根据权利要求1至8中任一项所述的维护判断指标推断装置，

所述维护判断指标推断装置的所述阀开度获取部获取在所述流路上设置的所述阀的开度。

10.一种维护判断指标推断方法，其特征在于，包括：

第1步骤，获取在使用阀来控制流体的流量的流量控制中所述流体的流量被维持在预先规定的目标流量时的所述阀的开度；以及

第2步骤，基于对所述阀的开度与所述流体的流量的关系加以近似而得的函数以及由所述第1步骤获取到的所述阀的开度，将假定在该获取的时间点所述阀的开度达到上限情况下的流量上限值推断为流量控制装置的维护判断指标。