JP2004280689A

JP2004280689A - マスフローコントローラ

Info

Publication number: JP2004280689A
Application number: JP2003074033A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yoneda; 豊米田; Mitsuzo Shimomura; 光造霜村; Akito Takahashi; 明人高橋; Tomohito Noyama; 智史野山; Yukimasa Furukawa; 幸正古川; Toshihiro Kajima; 利弘鹿島
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP3893115B2

Abstract

【課題】複数の流量領域においても調整を容易に行うことができ、広範囲に最適な制御を行うことのできるマスフローコントローラを提供すること。
【解決手段】流路１内を流れる流体Ｆの流量を測定する流量センサ部３と、この流量センサ部３の上流側または下流側に設けられる制御バルブ２と、前記流量センサ部３からの流量測定値Ｑと流量設定値Ｓとの偏差εをＰＩＤ演算する演算制御部７とを備え、この演算制御部７から出力される信号に基づいて前記制御バルブ２の開度を制御するように構成されたマスフローコントローラにおいて、前記ＰＩＤ演算結果Ｃに前記流量設定値に基づく関数ｆ（Ｓ）を乗算し、この乗算結果Ｃ・ｆ（Ｓ）を前記制御バルブ２の開度制御信号Ｃ’とした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ガスや液体などの流体の流量を制御するマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体の製造に用いられる各種のガスを半導体製造装置に供給する場合、それらの供給流路にマスフローコントローラをそれぞれ設け、これによってガス流量をそれぞれ調節している。
【０００３】
前記マスフローコントローラの制御には、一般に、ＰＩＤ制御方式が広く用いられている。すなわち、図３に示すように、流量センサ部３１において測定された流量測定値Ｑと流量設定値Ｓとを誤差増幅器３２において比較して、流量測定値Ｑと流量設定値Ｓとの差（偏差）εを求め、この偏差εをＰＩＤ演算部３３においてＰＩＤ演算し、この演算結果を制御信号Ｃとして制御バルブ３４の制御回路（図示していない）に送り、これに基づいて制御バルブ３４の開度を制御するのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＰＩＤ制御方式によれば、実現が容易な反面、調整作業に熟練を要するといった問題がある。また、マスフローコントローラの全流量域で適切な応答を確保するためには、流量領域０〜１００％の範囲を、例えばフルスケールの０〜１０％、１０〜２０％、２０〜１００％というように分割し、それぞれの流量領域でＰＩＤ調整を行うのが一般的であるが、この手法では、各流量領域でのＰＩＤ調整が必要となり、それだけ調整が煩雑となり、調整工数が増加するといった問題がある。
【０００５】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、複数の流量領域においても調整を容易に行うことができ、広範囲に最適な制御を行うことのできるマスフローコントローラを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、流路内を流れる流体の流量を測定する流量センサ部と、この流量センサ部の上流側または下流側に設けられる制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定値と流量設定値との偏差をＰＩＤ演算する演算制御部とを備え、この演算制御部から出力される信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するように構成されたマスフローコントローラにおいて、前記ＰＩＤ演算結果に前記流量設定値に基づく関数を乗算し、この乗算結果を前記制御バルブの開度制御信号としたことを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
上記構成のマスフローコントローラにおいては、従来のＰＩＤ演算結果をそのまま制御バルブの制御信号とする場合に比べて、より広範囲に最適な制御が可能となる。
【０００８】
そして、上記マスフローコントローラにおいて、請求項２に記載してあるように、流量設定値をＳ（％フルスケール）、調整係数をＫとするとき、流量設定値に基づく関数ｆ（Ｓ）として、
ｆ（Ｓ）＝（１００＋Ｋ）／（Ｋ＋Ｓ） ……（１）
を用いた場合、次のような利点がある。すなわち、一般に、流量設定値が小さくなるほど、前記関数ｆ（Ｓ）を大きくする必要があるが、上記（１）式で表される関数ｆ（Ｓ）は、その条件を満たしているからである。また、上記（１）式においては、Ｓ＝１００％では、ｆ（Ｓ）＝１となり、流量１００％において調整が行いやすい。また、調整係数Ｋは１つだけであり、所謂一点調整でよいから調整が容易である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の一つの実施の形態を示すものである。まず、図１は、この発明のマスフローコントローラの構成を概略的に示すもので、１は流体Ｆが矢印方向に流れる流路で、この流路１の上流側には流体Ｆの流量を制御する制御バルブ２が、また、下流側には流体Ｆの流量を検出するための流量センサ部３がそれぞれ設けられている。
【００１０】
そして、前記制御バルブ２は、後述する演算制御部７からの制御信号Ｃ’が入力されるアクチュエータ制御部４によって制御される例えばピエゾ素子よりなるアクチュエータ５によって、その弁開度を変え、これによって、流体Ｆの流量を制御するように構成されている。
【００１１】
前記流量センサ部３は、詳細に図示してないが、例えば、流路１に設けられた一対の感熱センサ（サーマルセンサ）からなり、この感熱センサによって検出された流体Ｆの瞬時流量がセンサ回路６において電気的な流量検出信号（流量測定値）Ｑに変換される。
【００１２】
７は演算制御部で、各種の演算を行い、マスフローコントローラの各部を制御するものであるが、ここでは制御バルブ２についての制御に関する構成について、図２をも参照しながら説明する。すなわち、図２において、７ａは誤差増幅部で、この誤差増幅部７ａには前記流量測定値Ｑおよび図示していない流量設定部からの流量設定値Ｓが入力され、これらの値Ｑ，Ｓの偏差εを出力する。７ｂはＰＩＤ演算部で、このＰＩＤ演算部７ｂにおいては前記誤差増幅部７ａの出力である偏差εをＰＩＤ演算し、その演算結果Ｃを出力する。なお、ここでいうＰＩＤ演算は、単にＰＩＤ演算のみならず、ＰＩ演算やＰ演算をも含む広い概念である。ここまでの構成は、従来のマスフローコントローラにおける構成と変わるところがない。
【００１３】
この発明のマスフローコントローラが従来のものと大きく異なる点は、演算制御部７においてＰＩＤ演算した結果Ｃをそのまま制御バルブ２の開度制御のための制御信号としてアクチュエータ制御部４に送出するのではなく、前記ＰＩＤ演算結果Ｃに前記流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）を乗算し、この乗算結果Ｃ・ｆ（Ｓ）を制御信号Ｃ’として出力するようにした点である。
【００１４】
すなわち、前記図２において、７ｃは乗算部で、ＰＩＤ演算部７ａの演算結果（出力）Ｃと流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）とを乗算するものである。
【００１５】
上記構成のマスフローコントローラの作動について説明する。図１および図２に示すように、流路１内を流れる流体Ｆの流量が制御バルブ２によって制御される。このときの出力流量は、流量センサ部３によって測定され、これによって得られた流量測定値Ｑと流量設定値Ｓとの偏差εが誤差増幅部７ａにおいて求められる。そして、この偏差εがＰＩＤ演算部に入力され、ＰＩＤ演算が行われ、その演算結果Ｃが求められる。そして、このＰＩＤ演算結果Ｃが乗算部７ｃに入力されるが、この乗算部７ｃには流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）が入力されており、前記乗算部７ｃにおいて、前記ＰＩＤ演算結果Ｃと前記関数ｆ（Ｓ）とが乗算され、その乗算結果Ｃ・ｆ（Ｓ）が制御バルブ２の開度制御信号とＣ’として出力される。この開度制御信号とＣ’は、アクチュエータ制御部４に入力され、このアクチュエータ制御部４からの制御指令によってピエゾアクチュエータ５が動作することにより、制御バルブ２はその弁開度を変え、所定の開度となり、これによって流体Ｆの流量が調整される。なお、上記演算制御部７における誤差増幅部７ａ、ＰＩＤ演算部７ｂおよび乗算部７ｃは模式的に示されるものであり、実際には、これら各部７ａ〜７ｃにおける演算処理は、プログラムによって行われる。
【００１６】
上述したように、この発明のマスフローコントローラにおいては、演算制御部７においてＰＩＤ演算した結果Ｃをそのまま制御バルブ２の開度制御のための制御信号としてアクチュエータ制御部４に送出するのではなく、前記ＰＩＤ演算結果Ｃに前記流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）を乗算し、この乗算結果Ｃ・ｆ（Ｓ）を制御信号Ｃ’として出力するようにしているので、より広範囲に最適な制御が可能となる。
【００１７】
そして、前記流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）として、
ｆ（Ｓ）＝（１００＋Ｋ）／（Ｋ＋Ｓ） ……（１）
を用いている。ここで、Ｓは％フルスケールで表された流量設定値、Ｋは調整係数である。
【００１８】
前記流量設定値Ｓに基づく関数ｆ（Ｓ）として（１）式で表されるものを用いたのは、次のような理由による。すなわち、一般に、流量設定値が小さくなるほど、前記関数ｆ（Ｓ）を大きくする必要があるが、上記（１）式で表される関数ｆ（Ｓ）は、その条件を満たしているからである。また、上記（１）式においては、Ｓ＝１００％では、ｆ（Ｓ）＝１となり、流量１００％において調整が行いやすいといった利点がある。また、調整係数Ｋは１つだけであり、所謂一点調整でよいから調整が容易である。
【００１９】
そして、実際の調整は、例えば、次のようにして行われる。すなわち、
▲１▼流量１００％においてＰＩＤ調整を行う。
▲２▼流量１００％以外のもう一つ調整したいある流量（ここではＳ％とする）で調整係数Ｋを変化させ、適当な応答波形となるＫの値を求める。
【００２０】
上述のように、１回の調整（１００％における調整）のほか、もう一つの係数Ｋの調整だけで適切な応答波形を求めることができ、従来のこの種のマスフローコントローラに比べて流量調整を容易に行うことができ、複数の流量領域においても調整を容易に行うことができ、広範囲に最適な制御を行うことができる。
【００２１】
なお、制御バルブ２を流量センサ部３の下流側に設けてあってもよい。また、流量センサ部３は、前記サーマルセンサに限られるものではなく、差圧式センサなど他の流量測定方式のものであってもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、複数の流量領域においても調整を容易に行うことができ、広範囲に最適な制御を行うことのできるマスフローコントローラを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマスフローコントローラの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図２】前記マスフローコントローラの要部の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】従来のマスフローコントローラの構成の要部を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１…流路、２…制御バルブ、３…流量センサ部、７…演算制御部、Ｓ…流量設定値、Ｑ…流量測定値、Ｃ…ＰＩＤ演算結果、Ｃ’…開度制御信号、Ｆ…流体。

Claims

流路内を流れる流体の流量を測定する流量センサ部と、この流量センサ部の上流側または下流側に設けられる制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定値と流量設定値との偏差をＰＩＤ演算する演算制御部とを備え、この演算制御部から出力される信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するように構成されたマスフローコントローラにおいて、前記ＰＩＤ演算結果に前記流量設定値に基づく関数を乗算し、この乗算結果を前記制御バルブの開度制御信号としたことを特徴とするマスフローコントローラ。
流量設定値をＳ（％フルスケール）、調整係数をＫとするとき、流量設定値に基づく関数ｆ（Ｓ）が、
ｆ（Ｓ）＝（１００＋Ｋ）／（Ｋ＋Ｓ）
で表される請求項１に記載のマスフローコントローラ。