CN114063658A - 流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质 - Google Patents

流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质，即使设定流量的大小发生变化，最终也能将内部的压力保持为较低、将流量传感器的灵敏度保持为较高，并提高流量控制精度，装置包括：阻力流量计算器，根据第一压力传感器测量的第一压力以及第二压力传感器测量的第二压力，计算流过流体阻力的流体的流量即阻力流量；第一阀流量换算器，根据第一压力从阻力流量换算通过第一阀的流体的流量即第一阀流量；第二阀流量换算器，根据第二压力从阻力流量换算通过第二阀的流体的流量即第二阀流量；第一阀控制器，以使第一设定流量与第一阀流量的偏差变小的方式控制第一阀；第二阀控制器，以使第二设定流量与第二阀流量的偏差变小的方式控制第二阀。

Description

流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质
技术领域
本发明涉及对流体的例如流量进行控制的流量控制装置。
背景技术
在半导体制造工序中，将各种气体以控制为所希望的流量的状态向腔室内供给。近年，在该领域中要求流量的高速控制以及流量精度的进一步的提高(参照专利文献1)，为了回应这样的要求，提出有使用了两个控制阀的流量控制装置。
具体地说，该流量控制装置针对流道从上游侧开始依次设置有第一阀、压力式流量传感器以及第二阀。例如，将设置在构成流量传感器的层流元件的上游侧的第一压力传感器的第一压力反馈给第一阀，并控制第一阀以使该第一压力固定在所希望的设定压力。另外，将由流量传感器测量的测量流量反馈给第二阀，并控制第二阀以使测量流量与设定流量一致。
但是，由于流量与压力之间的关系是非线性的，所以压力式流量传感器越是低压则灵敏度越好。因此，将设定压力设定为尽可能小的值并将层流元件的上游侧的压力亦即第一压力保持为低压，这样能够提高第二阀的流量控制的精度。
但是，如果使设定压力过低，会导致第一压力无法充分超过层流元件以及第二阀的压力损失、第二阀的下游侧的压力，变得无法使流体以大流量向第二阀的下游侧流动。另一方面，如果与设定流量的大小对应地也增大设定压力，会发生层流元件的前后的压力上升。因此，存在在流量传感器特性根据设定流量而大幅不同的状态下进行流量控制的可能性，相对于设定流量的变化，难以将控制精度保持为恒定。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2015-109022号
发明内容
本发明是鉴于上述那样的问题而做出的发明，目的在于提供流量控制装置，即使设定流量的大小发生变化，最终也能将内部的压力保持为较低、将流量传感器的灵敏度保持为较高，并提高流量控制精度。
即，本发明的流量控制装置，其特征在于包括：第一阀，设置在流道上；第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力；阻力流量计算器，根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；第一阀流量换算器，根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；第二阀流量换算器，根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；第一阀控制器，以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；以及第二阀控制器，以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
另外，本发明的流量控制方法，其特征在于，所述流量控制方法使用流量控制装置，所述流量控制装置包括：第一阀，设置在流道上；第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；以及第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力，所述流量控制方法包括：根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；以及以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
按照这样的流量控制装置以及流量控制方法，能够分别个别地得到在位于所述阻力流量的上游侧的所述第一阀中实际流过的所述第一阀流量以及在位于所述阻力流量的下游侧的所述第二阀中实际流过的所述第二阀流量。例如，当流过所述流道的流体的流量未稳定在一定的流量而流量上升时或下降时，通过所述第一阀与所述第二阀的流量不一致，但是按照本发明，能够根据所述第一阀流量以及所述第二阀流量，实现分别使所述第一阀以及所述第二阀成为在所述第一阀以及所述第二阀中实现各设定流量所需要的开度。
更具体地说，在使流量比现状变大的情况下，所述第一阀控制器以使所述第一压力变大的方式控制所述第一阀，并且所述第二阀控制器以使所述第二压力变小的方式控制所述第二阀。在使流量比现状变小的情况下，实现与所述的动作相反的动作。因此，由于能够通过两个阀使所述第一压力与所述第二压力分别向相反的方向变化，所以能够对流量的增减进行高速调节，并且能够将所述第一压力与所述第二压力的平均压力保持为大致恒定的压力。另外，通过将该平均压力调节为适合所述阻力流量的计算的压力，还能够将压力式流量传感器的灵敏度保持为较高。
为了能够以用于流量控制的精度以及速度从所述阻力流量得到流过比所述流体阻力更靠上游侧的所述第一阀流量，只要所述第一阀流量换算器根据所述第一压力的时间微分值以及所述阻力流量计算所述第一阀流量即可。
为了能够以用于流量控制的精度以及速度从所述阻力流量得到流过比所述流体阻力更靠下游侧的所述第二阀流量，只要所述第二阀流量换算器根据所述第二压力的时间微分值以及所述阻力流量计算所述第二阀流量即可。
可以举出如下的方式：根据流体相对于由所述第一压力传感器测量所述第一压力的第一容积或由所述第二压力传感器测量所述第二压力的第二容积的流出流入量、以及气体的状态方程式，当将所述阻力流量设为QFR、将所述第一阀流量设为QV1、将所述第二阀流量设为QV2、将所述第一压力设为p1、将所述第二压力设为p2、将第一换算系数设为A1、将第二换算系数设为A2时，所述第一阀流量换算器根据QV1＝QFR+A1×d(p1)/dt计算所述第一阀流量，所述第二阀流量换算器根据QV2＝QFR－A2×d(p2)/dt计算所述第二阀流量。
为了考虑理想气体与实际气体的差异从而得到更准确的所述第一阀流量以及所述第二阀流量，只要采用下述方式即可：当将所述第一容积的大小设为VL1、将所述第二容积的大小设为VL2、将气体常数设为R、将温度设为T、将压缩率因子设为Z时，A1＝Z×VL1/RT，A2＝Z×VL2/RT。
为了即使在发生了流量变化的情况下也能够使所述第一压力以及所述第二压力对称地变化，将所述第一压力或所述第二压力的绝对值保持为较小值并将流量的测量灵敏度保持为较高，只要所述第一设定流量以及所述第二设定流量被设定为相同的时间函数即可。换句换说，只要在各时刻设定相同的目标流量值作为所述第一设定流量以及所述第二设定流量即可。另外，分别对所述第一设定流量以及所述第二设定流量设定不存在相位差的设定流量。
为了在流体未从所述流量控制装置流出的状态下在接下来流出时向内部充入足够的供给压力的流体，只要采用下述方式即可：在所述第二阀控制器使所述第二阀全闭的状态下，所述第一阀控制器以使所述第一压力与设定压力的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
为了在流量上升时或下降时以能够使流量以高速变化到最终的目标值的方式控制各阀，只要采用下述方式即可：从由所述第二阀全闭的状态变成所述第二设定流量成为零以外的值的时点开始在规定期间内，所述第一阀控制器以使所述第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度，并且所述第二阀控制器以使所述第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀的开度。
为了边维持流过所述流道的流量接近最终的目标值的状态边使所述第一压力或所述第二压力降低，从而提高作为流量传感器的灵敏度，只要采用下述方式即可：在所述第一阀控制器或所述第二阀控制器中的偏差的绝对值变成规定值以下的状态下，当将所述第一设定流量设为Qr1、将修正值设为x时，所述第一阀控制器以使修正后的所述第一设定流量Qr1－x与第一阀流量QV1的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
为了当在流量的上升或下降结束后持续维持一定流量的情况下，减小所述流量控制装置本身对流体的阻力，使流体变得容易流动，只要采用下述方式即可：在从所述第二阀流出的所述第二阀流量稳定在设定流量后，所述第二阀控制器将所述第二阀的开度控制成全开状态，并且所述第一阀控制器以使所述第一设定流量与作为所述第一阀流量的QFR+A1×d(p1)/dt的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
为了即使存在例如所述流量控制装置的仪器误差、老化的影响，也能够对在所述第一阀流量换算器或所述第二阀流量换算器中使用的参数进行校准，准确地计算所述第一阀流量或所述第二阀流量，只要采用下述方式即可：所述流量控制装置还具备：第一容积，是形成在所述第一阀与所述流体阻力之间且由所述第一压力传感器测量第一压力的空间；第二容积，是形成在所述流体阻力与所述第二阀之间且由所述第二压力传感器测量第二压力的空间；以及诊断器，根据所述阻力流量、所述第一压力或所述第二压力，确定所述第一容积或所述第二容积的大小，所述诊断器根据所述第一容积或所述第二容积的大小，修正在所述第一阀流量换算器或所述第二阀流量换算器中用于流量换算的参数。
为了使所述第一阀的流量控制成为与所述第一设定流量以及流体的压力对应的流量控制，能够实现更高速的流量控制，只要采用下述方式即可：所述流量控制装置还具备供给压传感器，所述供给压传感器设置在所述第一阀的上游侧，所述第一阀控制器具备：第一操作量输出部，向所述第一阀输出根据所述第一设定流量与所述第一阀流量的偏差、以及设定的控制系数计算出的操作量；以及第一控制系数调节部，根据由所述供给压传感器测量的供给压p0、由所述第一压力传感器测量的第一压力p1的压差Δp1、以及所述第一设定流量QV1，调节在所述第一操作量输出部中设定的控制系数。
为了使所述第二阀的流量控制成为与所述第二设定流量以及流体的压力对应的流量控制，能够实现更高速的流量控制，只要采用下述方式即可：所述第二阀控制器具备：第二操作量输出部，向所述第二阀输出根据所述第二设定流量与所述第二阀流量的偏差、以及设定的控制系数计算出的操作量；以及第二控制系数调节部，根据由所述第二压力传感器测量的第二压力p2、作为所述第二阀的下游侧的压力的下游侧压力pd的压差Δp2、以及所述第二设定流量QV2，调节在所述第二操作量输出部中设定的控制系数。
为了设定反映了形成在所述第一阀内的阀体与阀座之间的节流孔的状态的控制系数，只要采用下述方式即可：当将B1设为正数、将C1设为大于0且小于1的正数时，所述第一控制系数调节部根据压差Δp1的函数B1×(Δp1)C1调节控制系数。
为了设定反映了形成在所述第二阀内的阀体与阀座之间的节流孔的状态的控制系数，只要采用下述方式即可：当将B2设为正数、将C2设为大于0且小于1的正数时，所述第二控制系数调节部根据压差Δp2的函数B2×(Δp2)C2调节控制系数。
为了在所述第一阀以及所述第二阀内在音速条件成立的情况下尤其提高流量控制的速度，只要采用下述方式即可：C1或C2为1/2。
为了在例如流过大流量的情况下能够改善流量的上升特性，只要采用下述方式即可：第一设定流量或第二设定流量的值越大，将控制系数的值设定成越大的值。
作为适合以高速控制流量的具体的实施方式，可以举出如下的方式：所述控制系数是PID系数，所述第一控制系数调节部以及所述第二控制系数调节部至少调节比例增益。
为了针对现存的具备两个阀的流量控制装置，例如通过对程序进行升级而得到与本发明的流量控制装置相同的效果，只要使用下述的流量控制程序即可：在流量控制装置中使用所述流量控制程序，所述流量控制装置包括：第一阀，设置在流道上；第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；以及第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力，计算机通过执行所述流量控制程序而发挥作为阻力流量计算器、第一阀流量换算器、第二阀流量换算器、第一阀控制器以及第二阀控制器的功能，所述阻力流量计算器根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；所述第一阀流量换算器根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；所述第二阀流量换算器根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；所述第一阀控制器以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；所述第二阀控制器以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
另外，程序可以电子发布，也可以存储在CD、DVD、闪存器等程序存储介质中。
这样，按照本发明的流量控制装置，能够根据所述阻力流量以及所述第一压力或所述第二压力计算实际流过所述第一阀或所述第二阀的流量，能够根据该计算出的各个流量以及设定流量分别个别地对所述第一阀或所述第二阀进行流量控制。因此，能够边以高速向设为目标的流量值变化、边使所述第一压力与所述第二压力的变化的方向分别朝向相反的方向，从而将流量控制装置内的内压保持为较低，并且能够将所述阻力流量的灵敏度保持为较高。因此，能够使成为测量的各流量的基础的所述阻力流量成为高灵敏度，所以也能够提高作为流量控制装置实现的流量控制的精度。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的流量控制装置的构成的示意图。
图2是表示气体相对于第一实施方式的第一容积或第二容积的流出流入与压力变化的关系的示意图。
图3是表示第一实施方式的流量控制装置的控制方式的变化的流程图。
图4是表示第一实施方式的流量控制装置的流量控制产生的压力变化的图表。
图5是表示本发明的第二实施方式的流量控制装置的构成的示意图。
图6是表示本发明的第三实施方式的流量控制装置的构成的示意图。
图7是表示第三实施方式的第一阀控制器以及第二阀控制器的详细的示意图。
附图标记说明
100 流量控制装置
V1 第一阀
V2 第二阀
FS 流量传感器
SM 检测机构
FC 阻力流量计算器
P1 第一压力传感器
P2 第二压力传感器
11 第一阀流量换算器
12 第一阀控制器
121 第一操作量输出部
122 第一控制系数调节部
21 第二阀流量换算器
22 第二阀控制器
221 第二操作量输出部
222 第二控制系数调节部
3 设定流量接收部
D 诊断器
具体实施方式
参照图1至图4对本发明的第一实施方式的流量控制装置100进行说明。
第一实施方式的流量控制装置100例如用于在半导体制造工序中以预先设定的设定流量向腔室内供给气体。即，设置有流量控制装置100的流道与抽真空的腔室连接。
如图1所示，流量控制装置100具备：流体设备，包括设置在流道上的传感器和阀；以及控制计算机构COM，掌管该流体设备的控制。
流体设备包括针对流道设置的供给压传感器P0、第一阀V1、第一压力传感器P1、流体阻力FR、第二压力传感器P2以及第二阀V2。各设备从上游侧开始按该顺序设置。
在此，流体阻力FR为层流元件，根据其前后的压差产生流过该流体阻力FR内的气体的流量。第一压力传感器P1、流体阻力FR、第二压力传感器P2以及后述的阻力流量计算器FC构成流量传感器FS，该流量传感器FS测量流过第一阀V1与第二阀V2之间的流道的流体的流量。即，第一压力传感器P1、流体阻力FR以及第二压力传感器P2是输出与流过流道的流体的流量对应的输出信号的检测机构SM，阻力流量计算器FC根据检测机构SM的输出信号，计算流过流道的流体的流量。该流量传感器FS是所谓的压力式流量传感器，所以具有由各压力传感器测量的压力越低则测量的流量的测量精度变得越高的特性。
供给压传感器P0用于监测从上游侧供给的气体的压力。另外，对于供给压传感器P0，在保证了供给压稳定的情况下等，可以省略。
第一压力传感器P1测量充入第一容积VL1内的气体的压力(以下也称为第一压力)，第一容积VL1是流道上的第一阀V1与流体阻力FR之间的容积。
第二压力传感器P2测量充入第二容积VL2的气体的压力(以下也称为第二压力)，所述第二容积VL2是流道上的流体阻力FR与第二阀V2之间的容积。
这样，第一压力传感器P1以及第二压力传感器P2分别测量由第一阀V1、流体阻力FR、第二阀V2形成的两个容积即第一容积VL1、第二容积VL2的压力。另外，如果用另外的表现方式，则第一压力传感器P1以及第二压力传感器P2测量配置在流体阻力FR的前后的各个容积内的压力。
第一阀V1以及第二阀V2在该实施方式中是同型的，例如是通过压电元件相对于阀座驱动阀体的压电阀。另外，第一阀V1以及第二阀V2不限于压电阀，例如也可以是电磁阀等利用了其它驱动原理的阀。第一阀V1以及第二阀V2以流体阻力FR为中心分别对称地配置在上游侧与下游侧，可以构成为使第一容积VL1以及第二容积VL2成为大致相同的大小。另外，在本实施方式中，第一阀V1以及第二阀V2双方都分别通过流量反馈控制来控制其开度。更具体地说，在某个控制周期中，计算实际上流过第一阀V1以及第二阀V2的阀流量，根据这些各阀流量分别进行第一阀V1以及第二阀V2各自的流量反馈控制。即，如图1所示，分别独立地形成控制第一阀V1的第一流量反馈环、以及控制第二阀V2的第二流量反馈环。
接着，对控制计算机构COM进行详述。控制计算机构COM例如是具备CPU、存储器、A/D转换器、D/A转换器以及输入输出装置等的所谓的计算机，执行存储在存储器中的流量控制程序从而使各种设备协作，由此至少发挥作为设定流量接收部3、阻力流量计算器FC、第一阀流量换算器11、第二阀流量换算器21、第一阀控制器12以及第二阀控制器22的功能。
设定流量接收部3例如以时间函数的形式从用户接收想要通过流量控制装置100实现的设定流量。该设定流量接收部3根据从用户设定的设定流量，分别向第一阀控制器12以及第二阀控制器22输入第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2。在本实施方式中，第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2被设定为与用户设定的设定流量相同。即，对第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2设定与用户设定的时间函数相同的流量，在各时刻在控制计算中使用相同的目标流量。例如，第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2也可以分别不同。具体地说，在所述的例子中，第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2不存在相位差，但是也可以设定相对于用户设定的设定流量个别地赋予了规定的相位超前、相位延迟的第一设定流量Qr1、第二设定流量Qr2。
阻力流量计算器FC根据检测机构SM的输出信号表示的测量值以及与测量值对应的流量特性值计算流量。具体地说，阻力流量计算器FC根据作为检测机构SM的输出信号表示的测量值的流体阻力FR的上游侧的压力亦即第一压力p1以及下游侧的压力亦即第二压力p2，计算流过流体阻力FR内的流体的流量。在此，阻力流量计算器FC不仅根据第一压力p1以及第二压力p2而且根据基于流体阻力FR的特性确定的流量特性值来计算流量。
即，例如在将阻力流量设为QFR、将流体阻力FR产生的流道阻力设为RV、将第一压力设为p1、将第二压力设为p2时，阻力流量计算器FC根据QFR＝(p1－p2)/RV的式子计算流量。在此，流道阻力RV受到第一压力p1以及第二压力p2的影响而发生变化。即，根据第一压力p1以及第一压力p1与第二压力p2的压差ΔP能够确定作为流量特性值的流道阻力RV。阻力流量计算器FC也可以构成为根据将第一压力p1以及压差ΔP作为参数的多变量函数来计算流道阻力RV。另外，阻力流量计算器FC也可以构成为参照预先通过试验等确定的流道阻力RV、第一压力p1、压差ΔP的表来确定流道阻力RV。
第一阀流量换算器11根据第一压力p1从阻力流量QFR换算通过第一阀V1的流体的流量即第一阀流量QV1。在此，第一阀V1相对于流体阻力FR配置在规定距离上游侧，所以在阻力流量QFR的测量点与第一阀V1的流量的控制点之间存在偏离。因此，第一阀流量也可以说是流过第一阀V1的控制点的气体的流量。更具体地说，在某个控制周期中从阻力流量计算器FC输出的阻力流量QFR是与第一阀流量QV1已经在规定时间前实现的流量接近的值，不表示当前的流量。因此，第一阀流量换算器11根据如图2的(a)所示相对于第一容积VL1流出流入的气体的流量的变化量以及伴随于此的第一压力p1的变化，计算第一阀流量QV1。
即，第一容积VL1中的流量的变化量与压力的变化量之间的关系可以根据理想气体的状态方程式记述为以下所示的关系。
(d(p1)/dt)VL1＝(QV1－QFR)RT
在此，d(p1)/dt是第一压力的时间微分值，表示极短时间内的第一容积VL1中的压力变化，R为气体常数，T为气体的温度，VL1为第一容积VL1的容积值。对于气体的温度，流量控制装置100例如使用通过设置在形成有内部流道的块内的未图示的温度传感器测量到的值。
根据上述的式子，第一阀流量QV1可以如下记述。
QV1＝QFR+A1d(p1)/dt
在此，A1为第一换算系数，在本实施方式中，例如作为值设定为1。第一阀流量换算器11利用上述的式子，根据阻力流量QFR以及第一压力p1的时间微分值来计算第一阀流量QV1。另外，对于第一换算系数A1，可以是不将理想气体作为前提而是考虑了理想气体与实际气体的偏离而设定的值。即，在将压缩率因子设为Z的情况下，可以将第一换算系数定义为A1＝Z×VL1/RT。
第二阀流量换算器21根据第二压力p2从阻力流量QFR换算通过第二阀V2的流体的流量即第二阀流量QV2。在此，第二阀V2相对于流体阻力FR配置在规定距离下游侧，所以在阻力流量QFR的测量点与第二阀V2的流量的控制点之间存在偏离。因此，第二阀流量QV2也可以说是流过第二阀V2的控制点的气体的流量。更具体地说，在某个控制周期中从阻力流量计算器FC输出的阻力流量QFR是与第二阀流量QV2已经在规定时间后实现的流量接近的值，不表示当前的流量。因此，第二阀流量换算器21根据如图2的(b)所示相对于第二容积VL2流出流入的气体的流量的变化量以及伴随于此的第二压力p2的变化，计算第二阀流量QV2。
即，第二容积VL2中的流量的变化量与压力的变化量之间的关系可以根据理想气体的状态方程式记述为以下所示的关系。
(d(p2)/dt)VL2＝(QFR－QV2)RT
在此，d(p2)/dt是第二压力的时间微分值，表示极短时间内的第二容积VL2中的压力变化，R为气体常数，T为气体的温度，VL2为第二容积VL2的容积值。
因此，第二阀流量QV2可以如下记述。
QV2＝QFR－A2d(p2)/dt
在此，A2为系数，在本实施方式中，例如作为值设定为1。第二阀流量换算器21利用上述的式子，根据阻力流量QFR以及第二压力p2的时间微分值来计算第二阀流量QV2。另外，对于第二换算系数A2，可以是不将理想气体作为前提而是考虑了理想气体与实际气体的偏离而设定的值。即，在将压缩率因子设为Z的情况下，可以将第二换算系数定义为A2＝Z×VL2/RT。
图1所示的第一阀控制器12以使第一设定流量Qr1与第一阀流量QV1的偏差变小的方式控制第一阀V1。在本实施方式中，第一阀控制器12对第一阀V1施加与偏差对应的电压作为操作量。在此，第一阀控制器12不仅进行基于第一设定流量Qr1与第一阀流量QV1的偏差的流量反馈控制，而且根据控制状态，也进行基于第一压力p1与预先设定的设定压力的偏差的压力反馈控制。另外，在流量从过渡响应状态向稳定状态转移的转移期间中，第一阀控制器12有时也对由第一阀流量换算器11输出的第一阀流量QV1进一步进行修正，进行流量反馈控制。对于各控制，虽然可以应用例如PID控制，但是也可以构成为第一阀控制器12基于其它控制规则控制第一阀V1。
图1所示的第二阀控制器22以使第二设定流量Qr2与第二阀流量QV2的偏差变小的方式控制第二阀V2。在本实施方式中，第二阀控制器22对第二阀V2施加与偏差对应的电压作为操作量。在此，对于基于第二设定流量Qr2与第二阀流量QV2的偏差的流量反馈控制，虽然可以应用例如PID控制，但是也可以构成为第二阀控制器22基于其它的控制规则控制第二阀V2。
接着，参照图3的流程图说明对设定流量赋予了从零到规定的目标值以阶梯状变化的阶梯函数的情况下的第一阀控制器12以及第二阀控制器22的动作。
在设定流量维持在零的待机期间，在第二阀控制器22使第二阀V2全闭的状态下，第一阀控制器12以使第一压力p1与预先设定的设定压力的偏差变小的方式对第一阀V1的开度进行压力反馈控制(关闭模式：步骤S1)。即，第一阀控制器12以向第一容积VL1以及第二容积VL2充入规定的供给压的方式控制第一阀V1，以准备流量的上升。该设定压力例如被设定为与例如在流量传感器FS中用户想要实现的灵敏度对应的压力(低压)。
接着，在从第二阀V2全闭的状态到第二设定流量Qr2成为零以外的值的时点开始的规定期间，即，在设定流量上升、流过流道的气体的流量大幅变化的过渡响应期间，第一阀控制器12以使第一设定流量Qr1与第一阀流量QV1的偏差变小的方式控制第一阀V1的开度，并且第二阀控制器22以使第二设定流量Qr2与第二阀流量QV2的偏差变小的方式控制第二阀V2的开度(过渡响应模式：步骤S2)。在过渡响应期间，由于通过两个阀同时进行流量控制，所以第一容积VL1内的压力上升，并且第二容积VL2内的压力下降，快速地形成用于实现目标值的流量所需要的压差。因此，能够提高流量上升时的响应性。另外，在流量下降时，通过与所述的动作相反的动作，能够实现成为目标的响应性。
在流过流道的气体的流量接近设定流量的最终的目标值、在第一阀控制器12或第二阀控制器22中计算出的偏差的绝对值成为规定值以下的状态持续规定时间后，第一阀控制器12的控制方式发生变化。即，在将第一设定流量设为Qr1、将修正值设为x的情况下，第一阀控制器12以使修正后的第一设定流量Qr1－x与修正后的第一阀流量QV1的偏差变小的方式控制第一阀V1的开度(转移模式：步骤S3)。即，第一阀控制器12使第一阀V1的开度比现状变小，以实现比第一设定流量Qr1仅小修正值x的流量。这是为了在接下来说明的稳定期间的流量控制中使第一阀V1的开度与全开开度相比仅具有规定量的余裕。另外，即使以第一阀V1成为与用户设定的设定流量仅有微小量不同的流量的方式控制第一阀V1，也由于第二阀控制器22以使位于第一阀V1的下游侧的第二阀V2实现设定流量的方式持续进行流量反馈控制，所以不会向腔室供给与目标不同的流量。
在从第二阀V2流出的第二阀流量QV2稳定在用户设定的设定流量Qr后、或在d(p1)/dt、d(p2)/dt基本为零的稳定期间，第二阀控制器22将第二阀V2的开度控制为全开状态，并且第一阀控制器12以使第一设定流量Qr1与作为第一阀流量的QFR+d(p1)/dt的偏差变小的方式控制第一阀V1的开度(稳定状态模式：步骤S4)。即，在稳定期间，不是通过两个阀进行流量控制，而是第二阀V2以全开状态停止，仅通过位于上游侧的第一阀V1进行流量控制。由于第二阀V2全开，所以能够使流量控制装置100的流道阻力变小，从而能够使气体容易流动，并且能够提高流量控制的精度。另外，步骤S1～S4的控制方式的变化不限于该顺序，也存在从各步骤S2～S4的状态变化为步骤S1的状态的情况。另外，根据设定，也存在跨过各步骤进行状态变化的情况。
对于上述那样的流量控制产生的第一压力p1以及第二压力p2的变化，参照图4的图表对本实施方式的流量控制装置100的效果进行说明。
如果如粗实线所示使设定流量增减，则以流量为零时维持的设定压力为中心，用细线表示的第一压力p1以及用实线表示的第二压力p2的变化方向变成相反方向，其变化量也以成为大致相同的方式对称地变化。更具体地说，判明了，第一压力p1以及第二压力p2以设定流量变得越大则压差变得越大的方式变化，并且其平均压力保持在与最初的设定压力大致相同的值。即，按照本实施方式的流量控制装置100，能够快速地实现用于实现设定流量所需要的压差，并且能够防止流量控制装置100内的第一容积VL1以及第二容积VL2的压力持续上升导致流量传感器FS的灵敏度降低。
接着，参照图5对本发明的第二实施方式的流量控制装置100进行说明。
第二实施方式的流量控制装置100不仅具备在第一实施方式中说明过的用于流量控制的构成，而且还具备对第一容积VL1以及第二容积VL2的容积进行自诊断并进行校准的诊断器D。更具体地说，诊断器D在不向腔室进行气体供给的工序停止期间中进行规定的阀动作，根据由此产生的第一容积VL1或第二容积VL2的压力变化，确定第一容积VL1以及第二容积VL2的大小。另外，诊断器D在对腔室进行气体供给的工序中，根据在为了暂时停止气体的供给而使第一阀V1以及第二阀V2全闭的情况下产生的第一压力p1或第二压力p2的变化，确定第一容积VL1或第二容积VL2。
对于第一容积VL1以及第二容积VL2的大小，该诊断器D根据第一压力传感器P1、第二压力传感器P2、流量传感器FS以及未图示的温度传感器的输出来进行确定。
首先，对第二容积VL2的确定进行说明。诊断器D在使流量控制装置100内减压到规定压力后，使第一阀V1全开，使第二阀V2全闭，向第一容积VL1以及第二容积VL2内填充气体。到第一压力p1以及第二压力p2变成大致相同的压力的压力平衡点为止持续该气体的填充。诊断器D根据从气体填充开始时或填充开始时附近的第一压力p1以及第二压力p2的压力差的最大时点开始至达到压力平衡点的时点为止的阻力流量QFR的累计值、阻力流量QFR的累计开始时与累计结束时的第二压力p2的压力差亦即Δp2、以及气体的状态方程式，计算第二容积VL2的容积VL2。
接着，对第一容积VL1的确定进行说明。诊断器D在使流量控制装置100内增压到规定压力后，使第一阀V1全闭，使第二阀V2全开，从第一容积VL1以及第二容积VL2内排出气体。到第一压力p1以及第二压力p2变成大致相同的压力的压力平衡点为止持续该气体的排放。诊断器D根据从气体排气开始时或排气开始时附近的压力最大时点至达到压力平衡点的时点为止的阻力流量QFR的累计值、阻力流量QFR的累计开始时与累计结束时的第一压力p1的压力差亦即Δp1、以及气体的状态方程式，计算第一容积VL1的容积VL1。
诊断器D通过用确定出的容积VL1以及容积VL2替换在第一阀流量换算器11以及第二阀流量换算器21中使用的值，对在换算中使用的参数进行校准。
这样，按照第二实施方式，仅根据流量控制装置100具备的各种传感器的输出，对第一容积VL1以及第二容积VL2的大小进行自诊断，能够对在第一阀流量换算器11以及第二阀流量换算器21中使用的各容积的值进行自校准。
因此，即使在流量控制装置100存在仪器误差而从设计值偏离的情况下、或第一容积VL1以及第二容积VL2起作用的大小由于老化等而发生了变化，也能够校准为准确的值，能够保证计算出的各阀流量的准确度以及精度。因此，能够持续长期间保持流量控制精度。另外，能够在工序的间歇实现这样的诊断而无需进行特殊的动作。
接着，参照图6以及图7对第三实施方式的流量控制装置100进行说明。
第三实施方式的流量控制装置100的第一阀控制器12以及第二阀控制器22的构成与第一实施方式不同。更具体地说，第一阀控制器12以及第二阀控制器22根据设定流量以及前后的压差，变更控制系数。因此，第一阀控制器12构成为从供给压传感器P0取得供给压p0，并且从第一压力传感器P1取得第一压力p1。同样地，第二阀控制器22构成为从第二压力传感器P2取得第二压力p2，并且从例如设置于腔室等的真空计取得第二阀V2的下游侧的下游侧压力pd。
如图7的(a)所示，第一阀控制器12具备：第一操作量输出部121，对第一设定流量Qr1与从第一阀流量换算器11输出的第一阀流量QV1的偏差进行PID计算，将与PID计算的结果对应的电压作为操作量向第一阀V1输出；以及第一控制系数调节部122，根据第一设定流量Qr1以及供给压p0与第一压力p1的压差亦即Δp1调节用于第一操作量输出部121的PID计算的控制系数亦即PID系数。
第一操作量输出部121根据针对每个控制周期设定的PID系数以及计算出的流量的偏差，对通过第一阀V1的气体的流量进行PID控制。
第一控制系数调节部122根据取得的第一设定流量Qr1以及压差Δp1，调节第一操作量输出部121的PID系数中的至少比例增益Kp。第一设定流量Qr1的目标流量的值越大，第一控制系数调节部122使比例增益Kp的值越大。另外，压差Δp1越大，第一控制系数调节部122使比例增益Kp的值越大。更具体地说，在将B1设为正数、将C1设为大于0且小于1的正数的情况下，第一控制系数调节部122根据压差Δp1的函数B1×(Δp1)C1，调节比例增益Kp的值。另外，在该实施方式中，将C1设定为1/2。
如图7的(b)所示，第二阀控制器22具备：第二操作量输出部221，根据第二设定流量Qr2与从第二阀流量换算器21输出的第二阀流量QV2的偏差进行PID计算，将与PID计算的结果对应的电压作为操作量向第二阀V2输出；以及第二控制系数调节部222，根据第二设定流量Qr2以及第二压力p2与下游侧压力pd的压差亦即Δp2调节用于第二操作量输出部221的PID计算的控制系数亦即PID系数。
第二操作量输出部221根据针对每个控制周期设定的PID系数以及计算出的流量的偏差，对通过第二阀V2的气体的流量进行PID控制。
第二控制系数调节部222根据取得的第二设定流量Qr2以及压差Δp2，调节第二操作量输出部221的PID系数中的至少比例增益Kp。第二设定流量Qr2的目标流量的值越大，第二控制系数调节部222使比例增益Kp的值越大。另外，压差Δp1越大，第二控制系数调节部222使比例增益Kp的值越大。更具体地说，在将B2设为正数、将C2设为大于0且小于1的正数的情况下，第二控制系数调节部222根据压差Δp2的函数B2×(Δp2)C2，调节比例增益Kp的值。另外，在该实施方式中，将C2设定为1/2。
按照这样构成的第三实施方式的流量控制装置100，能够设定与各时点的设定流量的目标流量的值、第一阀V1或第二阀V2的前后的压差对应的比例增益Kp。因此，例如，在各状态下作为流量控制装置100能够持续维持能够以最高速实现流量控制的状态。另外，由于与压差的1/2次方成比例地变更比例增益Kp的值，所以通过在第一阀V1以及第二阀V2内形成的节流孔，能够尤其提高与压差的2次方成比例地增加流量的情况下的控制性。
另外，如上所述，由于能够逐渐地变更比例增益Kp，所以相比以往能够大幅提高实际流量对设定流量的变化的追随性，能够实现例如在半导体制造工序中所要求的高速流量控制。
对其它实施方式进行说明。
第一阀流量换算器、第二阀流量换算器根据阻力流量以及第一压力的时间微分值或第二压力的时间微分值计算第一阀流量或第二阀流量，但是不限于此。即，第一阀流量换算器只要根据阻力流量以及第一压力计算第一阀流量即可，第二阀流量换算器只要根据阻力流量以及第二压力计算第二阀流量即可。更具体地说，可以不使用第一压力或第二压力的时间微分值，而是例如使用微小时间变化的第一压力或第二压力的差。另外，也可以使用第一压力的时间变化量、第二压力的时间变化量，也可以对这些值乘以适当的修正系数等。
第一阀流量换算器以及第二阀流量换算器即使在分别使用同样的流量换算式的情况下也可以配合流量特性使系数不同，也可以进行适当的修正。
第一阀控制器在控制状态下切换流量反馈控制、压力反馈控制进行实施，但是也可以实施其它控制。例如可以构成为，在第二阀控制器以使设定流量与第二阀流量的偏差变小的方式控制第二阀的状态下，第一阀控制器以使施加于第一阀的电压与目标电压的偏差变小的方式控制第一阀。
对于第二阀控制器，也可以构成为根据流量控制状态切换成流量反馈控制以外的例如压力反馈控制等。
在第三实施方式中，在第一阀控制器以及第二阀控制器双方中，根据设定流量以及各阀的前后的压差变更控制系数，但是例如也可以构成为第一阀控制器和第二阀控制器中的仅任意一方逐渐地变更控制系数。另外，对于第一阀控制器或第二阀控制器的构成，也可以应用到仅具备一个阀的流量控制装置。第一控制系数调节部或第二控制系数调节部调节的控制系数不限于比例增益，也可以调节PID系数的积分增益、微分增益。另外，对于第一操作量输出部或第二操作量输出部中在根据PID控制以外的控制规则进行流量控制的情况下，可以构成为由第一控制系数调节部或第二控制系数调节部调节在该控制规则中使用的控制系数。
此外，只要不违反本发明的主旨，可以进行各种各样的实施方式的变形、将各实施方式的一部分彼此组合。

Claims (20)

1.一种流量控制装置，其特征在于包括：
第一阀，设置在流道上；
第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；
流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；
第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；
第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力；
阻力流量计算器，根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；
第一阀流量换算器，根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；
第二阀流量换算器，根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；
第一阀控制器，以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；以及
第二阀控制器，以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第一阀流量换算器根据所述第一压力的时间微分值以及所述阻力流量计算所述第一阀流量。
3.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第二阀流量换算器根据所述第二压力的时间微分值以及所述阻力流量计算所述第二阀流量。
4.根据权利要求3所述的流量控制装置，其特征在于，
当将所述阻力流量设为QFR、将所述第一阀流量设为QV1、将所述第二阀流量设为QV2、将所述第一压力设为p1、将所述第二压力设为p2、将第一换算系数设为A1、将第二换算系数设为A2时，
所述第一阀流量换算器根据QV1＝QFR+A1×d(p1)/dt计算所述第一阀流量，
所述第二阀流量换算器根据QV2＝QFR－A2×d(p2)/dt计算所述第二阀流量。
5.根据权利要求4所述的流量控制装置，其特征在于，
当将所述第一容积的大小设为VL1、将所述第二容积的大小设为VL2、将气体常数设为R、将温度设为T、将压缩率因子设为Z时，
A1＝Z×VL1/RT，A2＝Z×VL2/RT。
6.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第一设定流量以及所述第二设定流量被设定为相同的时间函数。
7.根据权利要求6所述的流量控制装置，其特征在于，
在所述第二阀控制器使所述第二阀全闭的状态下，
所述第一阀控制器以使所述第一压力与设定压力的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
8.根据权利要求7所述的流量控制装置，其特征在于，
从由所述第二阀全闭的状态变成所述第二设定流量成为零以外的值的时点开始在规定期间内，
所述第一阀控制器以使所述第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度，
并且所述第二阀控制器以使所述第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀的开度。
9.根据权利要求8所述的流量控制装置，其特征在于，
在所述第一阀控制器或所述第二阀控制器中的偏差的绝对值变成规定值以下的状态下，
当将所述第一设定流量设为Qr1、将修正值设为x时，
所述第一阀控制器以使修正后的所述第一设定流量Qr1－x与第一阀流量QV1的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
10.根据权利要求9所述的流量控制装置，其特征在于，
在从所述第二阀流出的所述第二阀流量稳定在设定流量后，
所述第二阀控制器将所述第二阀的开度控制成全开状态，
并且所述第一阀控制器以使所述第一设定流量与作为所述第一阀流量的QFR+A1×d(p1)/dt的偏差变小的方式控制所述第一阀的开度。
11.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量控制装置还具备：
第一容积，是形成在所述第一阀与所述流体阻力之间且由所述第一压力传感器测量第一压力的空间；
第二容积，是形成在所述流体阻力与所述第二阀之间且由所述第二压力传感器测量第二压力的空间；以及
诊断器，根据所述阻力流量、所述第一压力或所述第二压力，确定所述第一容积或所述第二容积的大小，
所述诊断器根据所述第一容积或所述第二容积的大小，修正在所述第一阀流量换算器或所述第二阀流量换算器中用于流量换算的参数。
12.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量控制装置还具备供给压传感器，所述供给压传感器设置在所述第一阀的上游侧，
所述第一阀控制器具备：
第一操作量输出部，向所述第一阀输出根据所述第一设定流量与所述第一阀流量的偏差、以及设定的控制系数计算出的操作量；以及
第一控制系数调节部，根据由所述供给压传感器测量的供给压p0、由所述第一压力传感器测量的第一压力p1的压差Δp1、以及所述第一设定流量QV1，调节在所述第一操作量输出部中设定的控制系数。
13.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第二阀控制器具备：
第二操作量输出部，向所述第二阀输出根据所述第二设定流量与所述第二阀流量的偏差、以及设定的控制系数计算出的操作量；以及
第二控制系数调节部，根据由所述第二压力传感器测量的第二压力p2、作为所述第二阀的下游侧的压力的下游侧压力pd的压差Δp2、以及所述第二设定流量QV2，调节在所述第二操作量输出部中设定的控制系数。
14.根据权利要求13所述的流量控制装置，其特征在于，
当将B1设为正数、将C1设为大于0且小于1的正数时，
所述第一控制系数调节部根据压差Δp1的函数B1×(Δp1)C1调节控制系数。
15.根据权利要求14所述的流量控制装置，其特征在于，
当将B2设为正数、将C2设为大于0且小于1的正数时，
所述第二控制系数调节部根据压差Δp2的函数B2×(Δp2)C2调节控制系数。
16.根据权利要求14所述的流量控制装置，其特征在于，
C1或C2为1/2。
17.根据权利要求14所述的流量控制装置，其特征在于，
第一设定流量或第二设定流量的值越大，将控制系数的值设定成越大的值。
18.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制系数是PID系数，
所述第一控制系数调节部以及所述第二控制系数调节部至少调节比例增益。
19.一种流量控制方法，其特征在于，
所述流量控制方法使用流量控制装置，
所述流量控制装置包括：第一阀，设置在流道上；第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；以及第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力，
所述流量控制方法包括：
根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；
根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；
根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；
以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；以及
以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
20.一种存储有流量控制程序的程序存储介质，其特征在于，
在流量控制装置中使用所述流量控制程序，所述流量控制装置包括：第一阀，设置在流道上；第二阀，在所述流道上设置在比所述第一阀更靠下游侧；流体阻力，在所述流道上设置在所述第一阀与所述第二阀之间；第一压力传感器，测量所述第一阀与所述流体阻力之间的第一容积内的压力；以及第二压力传感器，测量所述流体阻力与所述第二阀之间的第二容积内的压力，
计算机通过执行所述流量控制程序而发挥作为阻力流量计算器、第一阀流量换算器、第二阀流量换算器、第一阀控制器以及第二阀控制器的功能，
所述阻力流量计算器根据所述第一压力传感器测量的第一压力以及所述第二压力传感器测量的第二压力，计算阻力流量，所述阻力流量是流过所述流体阻力的流体的流量；
所述第一阀流量换算器根据所述第一压力从所述阻力流量换算第一阀流量，所述第一阀流量是通过所述第一阀的流体的流量；
所述第二阀流量换算器根据所述第二压力从所述阻力流量换算第二阀流量，所述第二阀流量是通过所述第二阀的流体的流量；
所述第一阀控制器以使第一设定流量与所述第一阀流量的偏差变小的方式控制所述第一阀；
所述第二阀控制器以使第二设定流量与所述第二阀流量的偏差变小的方式控制所述第二阀。
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