JP2004522219A - タイムベースの質量流量制御装置とそれを用いた質量流量制御方法 - Google Patents
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Abstract
タイムベースの質量流量制御装置が、体積流量及び質量流量を時間にもとづいて正確に制御する。タイムベースの質量流量制御装置が：少なくとも一つのリザーバと；各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと；各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと；制御装置であって、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御するためのものであり、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御装置と；を具備している。
Description
【０００１】
技術分野
本発明は、タイムベースの質量流量制御装置（ＭＦＣ）と、体積流量／質量流量を時間にもとづいて正確に制御する方法とに関する。
【０００２】
従来技術
ＭＦＣは電子装置、流体装置等のような広い分野において使用されている。例えば、半導体素子製造プロセスにおいて、蒸着装置と拡散装置とエッチング装置とプラズマ装置とスパタリング装置とが使用される。各プロセスが異なる種類のガスを使用するので、すべての装置は供給されるガス又は蒸気の量を正確かつ独立的に制御する必要がある。さらに、集積回路技術の改善を通じての半導体装置におけるサイズの著しい、微少化は、供給ガス流量がより正確に制御されることを必要としている。
【０００３】
流量を直接的に測定することは非常に困難である。米国特許第６０４４７０１号、第５２７９１５４号、第４６８６８５６号及び日本国特開昭５９−８８６２２公報に開示されているように、種々の流量制御装置及び流量計が提案され使用されてきた。にもかかわらず、それらのほとんどは設置及びメンテナンスにおいて複雑かつ高価なものである。すなわち、従来形ＭＦＣは極度に特化されたかつ高価な装置となっている。
【０００４】
従来形ＭＦＣは熱式ＭＦＣと圧力ベースのＭＦＣとに分類されていて、その熱式ＭＦＣはカロリメータの原理により熱伝達量の差を検出することにより作動するもので、その圧力ベースのＭＦＣは流路における質量流量と圧力損失と間の関係にもとづいて作動するものである。
熱式ＭＦＣは応答時間遅れの傾向があり、外部への熱損失のために十分に正確とはいえない。また熱式ＭＦＣは、バイパスパイプのような非常に精密な部品を必要とし、さらにセンシティブガスに使用することはできない。従って熱式ＭＦＣを製造することは容易ではない。圧力ベースのＭＦＣは、非常に正確に作られたコンポネントを必要とし、オリフィス又はノズルのような流路における“ファウリング”を受ける。
【０００５】
発明の開示
本発明は前述の問題を解決することにより達成される。本発明の目的は、従来形ＭＦＣと異なる概念にもとづいて、流量を正確かつ容易に測定できる新規なＭＦＣを提供することである。例えば、時間はクオーツ式時間計測器によりより正確に測定できるので、本発明は、精密な道具としての構造体なしに精密なＭＦＣを容易に提供することができる。本発明におけるもう一つの目的は、すぐれた信頼性と長寿命と耐久性と設置及びメンテナンスが安価であることを備えたＭＦＣを提供することである。現在では、時間を非常に正確に測定する（１／１０８ ｓを上廻る）ことは安価で容易なものとなっている。従って本発明は、時間をベースにして質量流量／体積流量を非常に正確に制御することができる。
【０００６】
前述の目的を達成するために、本発明はタイムベースの質量流量制御装置を提供していて、タイムベースの質量流量制御装置が：
少なくとも一つのリザーバと；
各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと；
各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと；
制御装置であって、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御するためのものであり、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御装置と；
を具備している。
【０００７】
入口バルブ及び出口バルブは、開運動／閉運動時において急速作動バルブのように急速な作動性能を有している必要がある。これらのバルブの制御は排他的ロジックのデジタルマシンにより達成することができて、そのデジタルマシンは急速作動バルブの作動をリザーバにおける圧力にもとづいて制御することができる。
【０００８】
本発明の好適な実施例において、該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつプリセット時間後に該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該入口弁が閉状態になるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口弁を制御していて；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【０００９】
本発明の他の好適な実施例において、該リザーバが体積可変の貯蔵チャンバであり、かつ該制御装置が該リザーバの該体積を制御している。
【００１０】
おそらく、該リザーバがピストン−シリンダ形状であって、該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口弁を制御していて；さらに該リザーバの体積を制御するために、該制御装置はリザーバのピストン押しのけ量を制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１１】
本発明のさらなる他の好適な実施例において、該制御装置は該リザーバの該入口へ流入する該ガスの温度のような特性値を制御している。このことが該ＭＦＣを通過する該流体は必要とされる特性値を有することを可能にしている。
【００１２】
本発明におけるさらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバの該入口の上流側に、該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を調節するための主バルブを具備していて；該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口バルブを制御していて；該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を制御するために、該制御装置は該主バルブの開度レベルを制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１３】
さらなる他の好適な実施例において、該入口バルブを閉とすること及び該出口バルブを開とすることの間、及び／又は該出口バルブを閉とすること及び該入口バルブを開とすることの間には時間遅れがあって、さらに該制御装置は該時間遅れの長さを制御しており、従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１４】
さらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバに該ガスの温度を測定するための温度センサを具備していて；該温度センサにより測定された該リザーバにおける該ガス温度にもとづいて、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御していて、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１５】
さらなる他の好適な実施例において、一つより多いリザーバが平行に設置されていて、対応する該リザーバの入口バルブ及び出口バルブ各々が異なる開時点／閉時点を有している。
さらなる他の好適な実施例において、一つより多いリザーバが平行に設置されていて、各々の出口バルブからガス使用装置へのフローラインの長さが異なっている。
【００１６】
さらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバの該出口の下流側に設置されたバッファを備えていて、該バッファが該リザーバより大きな体積を有している。
【００１７】
また本発明は、タイムベースの質量流量制御装置を用いた質量流量／体積流量制御方法を提供していて；該タイムベースの質量流量制御装置が、少なくとも一つのリザーバと、各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと、各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと、を具備する質量流量／体積流量制御方法において；
質量流量／体積流量制御方法が：単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御する段階であって、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御する段階、を含んでいる。
【００１８】
発明の実施の形態
図１はタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。圧縮性ガスが主ガス供給装置から既知体積のリザーバ１へ流れるようになっていて、リザーバ内の圧力が基準吐出し圧力ＰからＰ＋δＰへ増加する所要時間が測定されている。圧力がＰ＋δＰへ増加する所要時間の測定は、モニタリング周期で連続的に繰り返し行なわれる。コンピュータは圧力センサ５からの電気信号によりリザーバ１における圧力変化を監視することができる。出口バルブ３の作動時間は、コンピュータ内部の刻時機構（Ｃｌｏｃｋ ｐｒｏｄｕｃｅｒ）により正確に測定することができる。
【００１９】
出口バルブ３、例えば高速作動バルブが、リザーバ１における圧力を連続的に基準吐出し圧力Ｐへ戻している。出口バルブ３は排他的チップ（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｃｈｉｐ）により制御されていて、圧力センサＳにより測定された圧力がＰ＋δＰに達すると、出口バルブ３が開かれ、ガスはガス使用装置へ排出される。続いて、圧力が基準吐出し圧力Ｐへ低下すると、出口バルブ３が閉となる。特定の質量流量範囲に対する最も適切な圧力上昇δＰは、特定の流量範囲において、既知の体積のリザーバ１を使用して選択することができる。
【００２０】
図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、図１におけるリザーバのそれぞれ中流量、大流量、小流量における圧力−時刻歴を示している。
流量が小さい場合、リザーバ１における圧力がプリセット圧力に達する所要時間は長く、一方流量が大きい場合、プリセット圧力に達する所要時間は短くなる。
【００２１】
圧力が基準吐出し圧力ＰからＰ＋δＰへビルドアップする所要時間あるいは周期τは、以下のパラメータに依存していて：
・流体の熱力学的特性値及び輸送特性値のような、流体の密度ρ、粘性係数μ、体積弾性係数ξ、と、流体の既知あるいは制御可能な温度Ｔとの特性値に関連するもの；
・ダクトあるいはキャビティのトポロジー（幾何学的形状、Ｌ及びＤ）；
・体積流量、ＶＦ；である。
【００２２】
上記において、
τ＝ｆ１ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ、ＶＦ）
Ｒｅ−これの組み合わせで得られる
ＶＦ＝ｆ２ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ、τ）
＝ｆ３ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ）／τ
かつｆ３ が函数性に乏しいもの（ｗｅａｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であって一定ＶＦ＝Ｃ／τと仮定することができ、ＶＦ＝Ｃ／τは、容易かつ正確に測定される時間τに対する、必要に応じて可変である体積流量に関する単純函数である。
【００２３】
圧力−時間曲線の形状は、コンデンサが二つの電圧ＶとＶ＋δＶとの間で充電し放電している電圧−時間曲線と同様なものである。さらに曲線の特別な形状は、δＰ／Ｐが減少するに従って、著しくよりリニアになる。この装置において、圧力変化は時間に対してほぼリニアである。従って、トリガ信号として圧力を監視する（正確な絶対圧力Ｐの測定は必要とされない）ことと、正確なτ値を得るために時間を測定することが必要とされるだけである。
【００２４】
図３は、図１におけるリザーバ１の、δＰ／Ｐが小さくかつ〔ｄＰ／ｄｔ〕ｆａｌｌが大きい場合の圧力−時刻歴を示している。
【００２５】
理想的なタイムベースのＭＦＣは以下のとおりのものである。
ａ）δＰ／Ｐが小さいように、ＰとＰ＋δＰとの間の圧力範囲で作動すること。提供されたδＰ／Ｐは十分に小さいものであって、リザーバ１における圧力が増加する一方で、圧力の時間変化率ｄＰ／ｄｔは一定に近づくであろう。
ｂ）リザーバ１とガス使用装置との間における、流れに対する小さな抵抗を有し及び／又は比較的大きな駆動差圧を有していること。このことが、リザーバ１における、Ｐ＋δＰから基準吐出し圧力Ｐへの圧力降化率が大きくなることを保証するであろう。詳しくは、｜ｄＰ／ｄｔ｜ｒｉｓｅ≪｜ｄＰ／ｄｔ｜ｆａｌｌ
ｃ）利用可能な供給ガス圧力がＰに比較して高い状況において作動すること。このことは、ＭＦＣの作動が供給ガスに無関係であることを保証している。
上記ａ）及びｂ）を満足する場合のリザーバにおける圧力−時刻歴を図３に示す。
【００２６】
図４は、バッファ１５を備えたタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。
【００２７】
前記条件に加えて、ＭＦＣは、リザーバ１とガス使用装置との間における十分な流れ緩衝能力を有していて、リザーバにおける、無視し得る圧力変動δＰと“流れの有無”状態とが平均化され、ほぼ一定の圧力と安定した一定の流れとなる。
【００２８】
前述の条件を達成する方法は、リザーバ１に合った流れ安定化性能を備えたＭＦＣを作ることである。これを行なうのに適切な方法は、出口バルブ３の下流側直下に安定化用バッファ１５を取りつけることである。リザーバ１がバッファ１５に比較して小体積であることと、出口バルブ３が開かれる場合流体抵抗が非常に小さいことと、を保証する場合、所定の性能が得られる。
【００２９】
図５は、図４におけるリザーバ１とバッファ１５との圧力時刻歴を概略的に示している。図５に示すように、装置はＰ１ ≒Ｐ２ 、Ｐ１ ≫δＰ１ 及びＰ２ ≫δＰ２ に設定されているので、バッファ１５を出てゆく圧力と流量との変動は無視し得る。
【００３０】
タイムベースのＭＦＣがｄＰ１ ／ｄｔが一定の範囲で作動されるので、リザーバ１における圧力は、τに直接的に（あるいはリニアに）比例する値（すなわちδＰ１ ）とプリセットした基準吐出し圧力Ｐ１ とを加えたものである。従って、連続的な質量流量装置を用いて種々の質量流量の達成を可能にするためには、質量流量が可変なτを変更することにより制御されてもよい。τをより大きくすると、質量流量はより大きくなる。当然のことであるが、質量流量は可変な充填圧力Ｐ１ ＋δＰ１ を変更することにより制御されてもよい。しかしながら、このことは本発明の概念を逸脱するものである。というのは、本発明の目的は、時間を測定することだけにより、充填速度（周期）及び又は排出速度（周期）を標準質量流量にすることであるからである。
【００３１】
図４におけるＭＦＣは基本的に本発明の目的に合致するものではない。というのは、出口バルブ３が開かれる場合、主バルブ１１からの供給ガスがリザーバ１における蓄積ガスと同様に、リザーバ１からガス使用装置へ連続的に流れるからである。この問題は、所望する速度で“バケットを充填及び排出”することによる、“バケット及びストップウォッチ（ｂｕｃｋｅｔ−ａｎｄ ｓｔｏｐｗａｔｃｈ）”方法により解決された。
【００３２】
多分給水栓からの流量を最も正確に測定する方法は、給水栓の下方に既知体積のバケットを置き、かつバケットが満ぱいになる時間を測定することである。体積流量は、単純にバケットの体積をそれを満ぱいにする時間で除算することであって、質量流量は体積流量と水の密度とを乗算したものに等しい。
【００３３】
図６は本発明の第一実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図示するようにＭＦＣは、入口バルブ１３と、出口バルブ３と、リザーバ１への流入ガスの質量流量を制御するための主バルブ１１とを含んでいる。
【００３４】
タイムベースのＭＦＣには、リザーバ１におけるガス温度を測定するための温度センサが備えられていてもよい。例えば、熱電対のあるいは半導体の温度測定装置が温度センサとして使用されてもよい。もしリザーバ１におけるガスが理想気体であるなら、以下の関係が満足されている：（理想気体に対する状態方程式が説明の便宜のために使用されるので、非理想気体に対する状態方程式を使用することの必要性、又は実際の質量流量制御における正確な補正の必要性がある。）
ＰＶ＝ＲＴ／Ｍ（Ｒは一般的なガス定数である）
【００３５】
上記状態方程式により、比容積及び密度は既知のガス温度とプリセットした充填圧力及び吐出し圧力とにより得ることができる。リザーバに蓄積されたガス質量は、リザーバの体積と、充填圧力及び吐出し圧力状態における密度とを乗算することにより得ることができる。すなわち、入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉速度（単位時間当りの開／閉ループ数）は時間を測定することによるだけで容易に得ることができる。従って、質量流量／体積流量は、容易に得ることができる。例えば、もし質量流量が所望する値より小さいなら、リザーバ１の体積が増加される。
【００３６】
体積流量固定モードにおいて流量制御を実行する場合、制御は温度に依存することなくバルブの開／閉速度を一定に保つことにより達成することができる。このモードにおいて、質量流量は高温度において小さな値となり、低温度において大きな値となる。
【００３７】
質量流量固定モードにおいて流量制御を実行する場合、制御はバルブの開／閉速度を制御することにより達成することができる。このモードにおいて体積流量は、温度上昇に従って増加し、温度下降に従って減少する。
【００３８】
リザーバ１における、Ｐ１ から１．０１Ｐ１ への１％の断熱圧力上昇を想定する。排出時、リザーバ１における圧力はＰ１ へ戻る。ループ当りリザーバを通過する（理想）気体の体積は、理想気体に対する状態方程式により計算される。例えば、計算された値がリザーバ体積のＸ％であることと、リザーバ１の体積が１ｍｌであることを仮定する場合、ループ当りリザーバ１を通過するガス体積は０．０１Ｘｍｌ／ループとなる。得られる体積流量が０．１ｍｌ／ｍｉｎ であることを仮定すると、ループレート（時間当りの入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉ループ数）は、体積流量をループ当りのリザーバ１を通過するガス体積で除算したもの、すなわち０．１ｍｌ／ｍｉｎ ÷０．０１Ｘｍｌ／ループである。もし所望する体積流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ の場合、ループレートは１０ｍｌ／ｍｉｎ ÷０．０１Ｘｍｌ／ループとなる。すなわち、質量流量／体積流量は、単位時間当りの入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ回数と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ各々当りのリザーバ１における蓄積及び排出されたガス質量／ガス体積との乗算で表わされる。従って、流量制御は、これらの条件を制御することにより制御できる。
【００３９】
単位時間当りの入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ回数と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ各々当りのリザーバ１における蓄積及び排出されたガス質量／ガス体積とに影響する因子は、充填時間τ、リザーバ１の体積、主バルブ１１の開度レベル、時間遅れ等である。すなわち、流量制御方法は以下の四に分類される：流量は、
ａ）リザーバ１の充填時間を変更することにより、
ｂ）リザーバ１の体積を変更することにより、
ｃ）リザーバ１への流入ガス流量を変化するために主弁１１の開度レベルを変更することにより、
ｄ）時間遅れを変更することにより、
制御することができる。
【００４０】
これらの変数は、独立的に又は組合わせて流量制御に使用されてもよい。前述の四つの制御方法の実際的な実行において、制御管理は、既知の実験データ（あるいは実験式）をベースにした流量に対応する所定値を与えることにより、又は流量の結果を判断してプリセット値を修正することにより、又は両方法を実施することにより、流量を制御してもよい。
【００４１】
例えば、主バルブ１１を制御して一定のループを実行後に流量に対する結果値を（既知データにもとづき）計算する。もし所定流量から多少のずれがある場合、さらに主バルブ１１を制御することにより修正される。他の例は、リザーバ１の体積を制御すると同時に一定のループのガス流れを実行した後に流量に対する結果値を既知データにもとづき計算する。もし所定の流量から多少のずれがある場合、時間遅れを与えることにより修正される。修正テーブル又は修正式が実験的に解明されてもよくて、かつ実際の制御の実行に反映されてもよい。実験データベースを得るための予備実験において、吐出し圧力及び充填圧力下における正確なガス状態を温度センサを用いて測定する必要があるかも知れない。
【００４２】
前述した第一タイプのＭＦＣの制御方法に関するより完全な説明は以下のとおりである：
ａ）入口バルブ１３が開く毎に出口バルブ３が閉となるように、ＭＦＣは作動する。
ｂ）リザーバ１における圧力は、基準吐出し圧力Ｐ１ から増加される。
ｃ）入口バルブ１３はプリセット時間後に閉となる。
ｄ）出口バルブ３が開かれる。リザーバ１における圧力が基準吐出し圧力Ｐ１ に戻るまで、出口バルブ３は開状態となっている。
従って流量はリザーバ１へ充填する時間を変更することにより簡単に制御することができる。
【００４３】
前述の第一タイプのＭＦＣ制御方法において、入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉ループ各々当りにおける、リザーバ１において蓄積されかつ排出されたガス質量／ガス体積は、以下のようにして得ることができる：
予備実験段階において、基準吐出し圧力におけるリザーバ１のガスの特性、例えば温度が測定される。入口バルブ１３を介してリザーバ１へ流入するガスの状態も測定される。第一タイプのＭＦＣ制御方法は、プリセット時間（τ）だけを変更することにより流量を制御しているので、基準吐出し圧力下のリザーバにおけるガスの状態と、入口バルブ１３を介してリザーバ１へ流入するガスの状態とは、制御プロセス時において一定に保たれ、さらに一回の測定により種々の流量におけるガス流れ制御に対して等しく適用することができる。
【００４４】
実際的な次の制御段階において、流量のループの制御は、入口バルブ１３を開きプリセット時間（τ）後にそれを閉じることにより実行されている。この場合、ループ当りリザーバ１において蓄積され排出されたガスの量は以下のようにして得ることができる。もし〔ｄＰ／ｄｔ〕ｒｉｓｅが一定なら、プリセット時間（τ）後のリザーバ１におけるガスの圧力上昇は、〔ｄＰ／ｄｔ〕ｒｉｓｅとプリセット時間（τ）との乗算により表示される。入口弁１３を介してリザーバ１へ流入するガスの質量流量値（供給されたガスの圧力はＰより高いので、入口弁１３を介してリザーバ１へ流入するガスの質量流量は一定値である）と、プリセット時間（τ）とを乗算した値は、プリセット時間（τ）の間にリザーバ１へ流入したガスの質量、すなわちループ当りのリザーバ１における蓄積されかつ排出されたガスの質量を表わしている。
【００４５】
しかしながら、前述の計算されたガスの質量値は、適切な仮定のもとに得られた理論値である。流量の正確な制御は、流量の表を参照することにより達成される。流量の表には、種々のプリセット時間τにおける蓄積されかつ排出されたガスの質量値が含まれていなければならなくて、質量値は、基準吐出し圧力において種々のプリセット時間τ後それぞれにおけるリザーバ１のガス状態を測定する予備実験により実験的に得ることが可能である。
【００４６】
プリセット時間（τ）後のリザーバ１におけるガスの比体積は以下のようにして得られる：質量保存の法則（連続の式）によりリザーバ１におけるガス質量は、リザーバ１に流入するガス質量と、基準吐出し圧力状態におけるガス質量との合計で表示される。従って、プリセット時間後のリザーバにおけるガス質量は、容易に得ることができる。プリセット時間後のガスの比体積は、リザーバ体積をプリセット時間後のリザーバ１におけるガス質量により除算することにより得ることができる。
【００４７】
第二タイプのＭＦＣ制御方法に関する説明の詳細は以下のとおりである：入口バルブ１３を、リザーバ１における基準吐出し圧力において開とし、かつリザーバ１における基準充填圧力において閉とするべく制御すること。出口バルブ３を、リザーバ１における基準吐出し圧力において閉とし、かつリザーバ１における基準充填圧力において開とするべく制御すること。体積可変式貯蔵器を用いてリザーバ１における体積を制御すること。この場合リザーバ１における体積を、質量流量を増加するために増加し、かつ質量流量を減少するために減少する。
【００４８】
図７は本発明の第二実施例による、タイムベースのＭＦＣを概略的に示していて、そのＭＦＣにおいて、リザーバ体積は変更可能である。図示するように、リザーバ１′はシリンダ−ピストン形状である。好ましくは、ステッピングモータがピストン押しのけ量を制御するために使用されている。小流量範囲のガス流れを制御するために小さな体積のリザーバが、そして大きな流量範囲のガス流れを制御するために大きな体積のリザーバがそれぞれ使用される。最適なリザーバ体積は、適切なソフトウェア／ハードウェアの使用することにより選択することができ、従ってガス流れの最も正確な測定と制御とが達成される。
【００４９】
第三タイプのＭＦＣ制御方法に関して以下に詳述する：主バルブ１１の開度レベルの変更が、結果としてガスをリザーバ１へ充填するための時間を変化させ（Ｐ１ 及びδＰ１ が変化しなくても、リザーバ１における圧力をＰ１ からδＰ１ 増加するのにかかる時間が変化する）、従って、ガス使用装置へ供給されるガス流れが結果的に変化する。大流量範囲においてガス使用装置への流量を制御するために、主バルブ１１の開度レベルが増加される。一方小流量範囲においてガス使用装置への流量を制御するために、主バルブ１１の開度レベルが減少される。主バルブ１１の開度レベルがＭＦＣにおける全体応答特性を変化させる。
【００５０】
第四タイプのＭＦＣ制御方法に関して以下に詳述する：時間遅れが、入口バルブ１３の閉と出口バルブ３の開との間に及び／又は出口バルブ３の閉と入口バルブ１３の開との間に設定されるけれど、単位開ループ／閉ループ当りの、リザーバ１に蓄積されるガス質量／ガス体積は変化しない。しかしながら、ループ当りの経過時間が変化し、従ってリザーバ１からの流出ガスの質量流量／体積流量は結果的に変化する。
【００５１】
図８は本発明の好適な第三実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図６における複数のタイムベースのＭＦＣが平行に接続されている。各々のリザーバ１から最終的なガス使用装置への流路長さの違いを調整することにより、ガス使用装置へのガス流量の摂動は回避することができる。すなわち、ガス使用装置へのガス流量の摂動は、ガス使用装置へのガス供給を一回毎に分割すること（ｓｐｌｉｔｉｎｇ）により回避することができる。
【００５２】
さらなる好適な実施例により、ガス使用装置への流量の摂動は、各々のＭＦＣに対する開時点／閉時点を変えて制御することにより回避することができる。
図９は、本発明の第四実施例による、バッファ１５を備えたタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図９は、ガス使用装置へのガス流量の摂動を回避する他の実施例を示している。図９におけるＭＦＣは、ガス流量の摂動を比較的単純な装置であるバッファ１５だけにより回避できる利点がある。図９におけるＭＦＣは、図８におけるＭＦＣと同じく、複数セットのリザーバ１とバッファ１５とを有している。
図１０は、図９のタイムベースのＭＦＣにおける、入口バルブ１３及び出口バルブ３の状態と、リザーバ１及びバッファ１５の圧力−時刻歴とを示している。
【００５３】
第一タイプのＭＦＣ制御方法に焦点を合てると、リザーバ１に蓄積されるガス質量は、τを規定することにより決定される。そのような質量値のガスが、ガス使用装置に一定時間τ＋ζ供給される。このことは、もし流体の特性及びバケットの体積が固定されている場合、流量はτを制御することにより制御できることを意味している。最重要点は、質量流量が時間だけの函数として表示されることである。
【００５４】
図１１Ａ及び１１Ｂは本発明におけるプロットタイプＭＦＣの実際の構造と流量制御の基本原理とを概略的に示している。図１１ＡはプロットタイプＭＦＣの構造を概略的に示している。図１１Ｂは、オスシレータ信号と、オスシレータ信号によりトリガされた時間遅れ信号との間の一般的な位相関係を概略的に示す。図示するように、プロットタイプＭＦＣは、オスシレータ２１と、ＮＯＴゲート（インバータ）２３６、二つの遅延タイマ２５及び２６と、パワードライバ２７ａと、二つのソレノイド２９及び３０と、入口バルブ１３と、出口バルブ３とを含んでいる。ＬＥＧＯ空気バルブが入口バルブ１３及び出口バルブ３に使用された。ＬＥＧＯ空気配管の区画がリザーバ１として使われた。プラスチックのレモネードボトルがガス供給装置として使われた。
【００５５】
オスシレータの信号端を降下させる際、これらの時間遅れタイマ信号は、トリガされるので、第一時間遅れタイマ２５及び第二時間遅れタイマ２６が交互にトリガされるように、ＮＯＴゲート２３がオスシレータ２１と第二時間遅れタイマ２６との間に設定された。
【００５６】
発明者は図１１Ａ及び１１Ｂに示すＭＦＣを用いて実験を行ない、その実験結果を図１２及び１３に示す。
【００５７】
図１２は、図１１ＡのＭＦＣにおける、時間とリザーバ１を通過するガス体積との間の関係を示している。９０ループ／ｍｉｎ 及び２１０ループ／ｍｉｎ それぞれの実験結果が示されている。長さ８ｃｍで直径４ｍｍの貯蔵チューブが使用された。図示するようにループ速度が９０ループ／ｍｉｎ から２１０ループ／ｍｉｎ へ増加されるに従って、流量は２０ｍｌ／ｍｉｎ から３５０ｍｌ／ｍｉｎ へ増加した。
【００５８】
図１３は図１１Ａに示すプロットタイプＭＦＣにおける、時間と蓄積されたガス体積との間の関係を示している。直系４ｍｍで長さ８ｃｍと２４ｃｍとのリザーバ１に対する実験結果が示されている。図１３に示すように、リザーバ長さが８ｃｍから２４ｃｍに長くなると、流量が増加した。各曲線のこう配は、時間と伴に減少してこう配０のプラトーに達した。このことはガス供給装置の圧力の減少によるものであった。
【００５９】
図１４Ａは本発明の好適な実施例によるＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示している。プロットタイプのＭＦＣは、本発明の基本原理を説明するには有用であるけれど、本発明を完全に理解するには限界がある。例えばプロットタイプのＭＦＣにおいて、リザーバの一定な充填は保証されていない。そのような限界を克服するために、図１４Ａに示すようなＭＦＣが作られた。
【００６０】
図１４ＡにおけるＭＦＣは、主バルブ１１と、圧力レギュレータ３５と、入口バルブ１３と、リザーバ１と、出口バルブ３と、トランスデューサ５ｂと、増幅器３７と、アナログ／デジタルインタフェース３９と、パワードライバ２７ｂと、Ａ／Ｄコンバータカードとを備えたＰＣ４１とを含んでいる。Ａ／Ｄコンバータが出力を読み取りできるように、トランスデューサ５ｂからの出力は増幅器３７により増幅された。
【００６１】
図１４Ｂは、図１４Ａに示すＭＦＣのＰＣにおいて実行された実行プログラムのフローチャートを示している。圧力を変換するには（短いとしても）時間を要するので、アレーが完全な充填／排出データを備えるにはＡ／Ｄ変換遅れが必要とされた。
【００６２】
ループレートは以下のように計算された：プログラムがリザーバ１の充填及び排出のループを実行する時間毎に、そのループの合計時間が記憶された。続いてプログラムは、実行されたループの回数を加算しかつ所要時間を加算し、従ってループレートを計算することができた。多少の変則な充填／排出プロセスが含まれていてもよい。すなわち、多少の充填／排出プロセスは平均的なループレートに比較すると非常に短いものだからである。この問題はループ遅れを必要とするループ回数に適切な範囲で増加することにより解決することができる（例えば２０ループ）。従って、実際に変換された値は、前の値ではなくて現在値であることが保証されている。
【００６３】
本発明者は図１４Ａ及び１４Ｂに示すＭＦＣを用いて実験を行ない、その実験結果が図１５〜１９に示されている。図１５はリザーバ１における、Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル値と、圧力との間の関係を示している。電圧のアナログ信号はデジタル信号値に変換された。すなわち−１０〜１０Ｖ範囲における入力電圧が４０９６の個別のデジタル信号値の一つへ変換された。デジタル値４０９５及び２０４７が１０Ｖと０Ｖとにそれぞれ対応していて、それらはリニアな関係にある。装置の挙動を知りかつそれを装置の設計に適用するために、圧力トランスデューサを用いて測定が実行されたけれども、これらの値は圧力に変換する必要はなかった。というのは、本発明における重要な値は圧力ではなくて繰返し回数であったからである。
【００６４】
図１６Ａは、充填プロセス時における時間に対するリザーバ１における圧力を示している。直径２ｍｍのリザーバが使用された。図示するように、リザーバの初期充填にあたって非常に長い時間を要した。というのはリザーバ１における圧力を０ｂａｒ から０．０５ｂａｒ まで上昇させる必要があったからである。しかしながら、リザーバ１が初回で充填されてしまうと、充填プロセスはわずかな時間を要するだけであった。
【００６５】
図１６Ｂは、排出プロセス時における時間に対するリザーバ１における圧力を示している。
【００６６】
図１６Ｃは、リザーバの連続した充填及び排出時の時間に対するリザーバにおける圧力を示している。図１６Ｃに図示するように、充填及び排出特性は１５ｂａｒ ／ｓの非常に急激な初期上昇を示した。このことは、リザーバ１が排出されるのを装置が待機している際の、入口バルブ１３直前側の装置にビルドアップされた圧力によるものであった。一定ではあるがわずかな圧力上昇が、入口バルブ１３の閉直前に生じている。
【００６７】
図１７Ａは、直径１ｍｍのリザーバにおける充填圧力が０．０５ｂａｒ で吐出し圧力が０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。本発明者は、種々の流量を扱うために、種々のサイズのリザーバ１に対する実験を実行した。まず直径１ｍｍのリザーバが、製作され実験され、ループレートと流量とはこう配０．０１１２のリニアな関係であった。
【００６８】
図１７Ｂは、直径２．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．００９である。
【００６９】
図１７Ｃは、直径４ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．０１１である。
【００７０】
図１７Ｄは、直径５．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．０１５２である。
【００７１】
図１７Ａ−１７Ｄに示す実験結果からわかるように、リザーバ１を通過する媒体の流量は、リザーバ１の体積を変更することにより制御することができる。例外的に直径１ｍｍのリザーバ１が直径２．５ｍｍのリザーバ１より大きなこう配であったことは、センサがリザーバ１へ接続されていたことによるのかも知れない。
【００７２】
最適な流量を決定するために、種々の充填圧力が試験された。主バルブはセットされ、さらに種々の充填圧力がテストプログラムに取り入れられた。図１８Ａに示すように、定常流量に対するループレートは、充填圧力０．０２５ｂａｒ の場合３７５ループ／ｍｉｎ であり、充填圧力０．１２５ｂａｒ の場合７５ループ／ｍｉｎ であった。充填圧力が高くなるに従って、同一流量に対するループレートの数は減少した。
図１８Ｂは、主バルブ１１の開度レベルが固定された場合で、種々の充填圧力に対して測定された流量を示している。図示するように、主バルブ１１を通過する流量は一定にセットされたけれども、充填圧力が上昇するに従って流量が増加した。図１８Ｂにおけるボール形状曲線に図示されるように、リザーバ１における圧力は、非常に低い圧力（例えば図１８Ｂにおける０．０２５ｂａｒ の充填圧力）において、必要とされる充填圧力をすぐ超過して、充てん過多を招いている。従って装置の設計者は、装置の充填圧力の選択において、この点を考慮すべきであった。図１８Ｂにおける実験条件により、使用可能な充填圧力として０．０５ｂａｒ そして使用可能な吐出し圧力として０．００２ｂａｒ が選択された。
【００７３】
図１９は図１４ＡのＭＦＣにおいて、装置の通常運転状態と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の両方が開となっている状態とにおける、時間と体積との間の関係を示している。
【００７４】
図示するように、実験結果は以下のことを示していて；充填と排出とが繰返されている装置の通常運転状態において、リザーバ１を通過する流量は、入口バルブ１３と出口バルブ３との両方が永久的に開とされている状態に比較して相対的に小さい。この現象は、圧力損失と圧力リークとによるものであった。入口バルブ１３と出口バルブ３との両方が永久的に開となった状態において、供給圧力により空気が吹き抜けかつリークが均衡を破って大きなものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、タイムベースの質量流量制御装置（ＭＦＣ）の原理を概略的に示している。
【図２Ａ】
図２Ａは、図１におけるリザーバの中流量における圧力−時刻歴を示している。
【図２Ｂ】
図２Ｂは、図１におけるリザーバの大流量における圧力−時刻歴を示している。
【図２Ｃ】
図２Ｃは、図１におけるリザーバの小流量における圧力−時刻歴を示している。
【図３】
図３は、図１におけるリザーバにおいてδＰ／Ｐが小さくかつ〔ｄＰ／ｄｔ〕ｆａｌｌが大きい場合の圧力−時刻歴を示す。
【図４】
図４は、バッファを備えたタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。
【図５】
図５は、図４におけるリザーバとバッファとの圧力−時刻歴を概略的に示している。
【図６】
図６は、本発明の第一実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図７】
図７は、本発明の第二実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図８】
図８は、本発明の第三実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示していて、図６におけるタイムベースのＭＦＣが平行に接続されてもよいことを示している。
【図９】
図９は、本発明の第四実施例によるバッファを備えたタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図１０】
図１０は図９におけるＭＦＣの、入口弁及び出口弁の状態と、リザーバ及びバッファの圧力−時刻歴とを概略的に示している。
【図１１Ａ】
図１１Ａは、本発明における流量制御の基本原理を説明するために、プロットタイプのＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示すもので、本図はプロットタイプＭＦＣの構造を概略的に示している。
【図１１Ｂ】
図１１Ｂは、本発明における流量制御の基本原理を説明するために、プロットタイプのＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示すもので、本図はオスシレータ信号と、オスシレータ信号によりトリガされたタイマ遅れ信号との間の位相関係を概略的に示している。
【図１２】
図１２は、時間と、図１１ＡのＭＦＣにおけるリザーバを通過するガス体積との間の関係を示すもので、９０ループ／ｍｉｎ 及び２１０ループ／ｍｉｎ それぞれに対する実験結果を示している。
【図１３】
図１３は、時間と、図１１ＡのプロットタイプＭＦＣにおける蓄積されたガス体積との間の関係を示すもので、８ｃｍ長さのリザーバ及び２４ｃｍ長さのリザーバそれぞれに対する実験結果を示している。
【図１４Ａ】
図１４Ａは、本発明によるＭＦＣの実際の構造例を概略的に示している。
【図１４Ｂ】
図１４Ｂは、図１４Ａに示すＭＦＣのＰＣにおいて実行された実行プログラムのフローチャートを示している。
【図１５】
図１５はリザーバにおける、Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル値と、圧力との間の関係を示している。
【図１６Ａ】
図１６Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣの充填プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１６Ｂ】
図１６Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣの排出プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１６Ｃ】
図１６Ｃは、図１４ＡにおけるＭＦＣの連続している充填及び排出プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１７Ａ】
図１７Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径１ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｂ】
図１７Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径２．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｃ】
図１７Ｃは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径４ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｄ】
図１７Ｄは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径５．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１８Ａ】
図１８Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣにおいて主バルブ開度が固定されている場合の、ループレートと充填圧力との間の関係を示している。
【図１８Ｂ】
図１８Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣにおいて主バルブ開度が固定されている場合の、異なる充填圧力に対する測定された流量を示している。
【図１９】
図１９は図１４ＡのＭＦＣにおいて、装置の通常運転状態と、入口バルブ及び出口バルブの両方が開となっている状態とにおける、時間と体積との間の関係を示している。
技術分野
本発明は、タイムベースの質量流量制御装置（ＭＦＣ）と、体積流量／質量流量を時間にもとづいて正確に制御する方法とに関する。
【０００２】
従来技術
ＭＦＣは電子装置、流体装置等のような広い分野において使用されている。例えば、半導体素子製造プロセスにおいて、蒸着装置と拡散装置とエッチング装置とプラズマ装置とスパタリング装置とが使用される。各プロセスが異なる種類のガスを使用するので、すべての装置は供給されるガス又は蒸気の量を正確かつ独立的に制御する必要がある。さらに、集積回路技術の改善を通じての半導体装置におけるサイズの著しい、微少化は、供給ガス流量がより正確に制御されることを必要としている。
【０００３】
流量を直接的に測定することは非常に困難である。米国特許第６０４４７０１号、第５２７９１５４号、第４６８６８５６号及び日本国特開昭５９−８８６２２公報に開示されているように、種々の流量制御装置及び流量計が提案され使用されてきた。にもかかわらず、それらのほとんどは設置及びメンテナンスにおいて複雑かつ高価なものである。すなわち、従来形ＭＦＣは極度に特化されたかつ高価な装置となっている。
【０００４】
従来形ＭＦＣは熱式ＭＦＣと圧力ベースのＭＦＣとに分類されていて、その熱式ＭＦＣはカロリメータの原理により熱伝達量の差を検出することにより作動するもので、その圧力ベースのＭＦＣは流路における質量流量と圧力損失と間の関係にもとづいて作動するものである。
熱式ＭＦＣは応答時間遅れの傾向があり、外部への熱損失のために十分に正確とはいえない。また熱式ＭＦＣは、バイパスパイプのような非常に精密な部品を必要とし、さらにセンシティブガスに使用することはできない。従って熱式ＭＦＣを製造することは容易ではない。圧力ベースのＭＦＣは、非常に正確に作られたコンポネントを必要とし、オリフィス又はノズルのような流路における“ファウリング”を受ける。
【０００５】
発明の開示
本発明は前述の問題を解決することにより達成される。本発明の目的は、従来形ＭＦＣと異なる概念にもとづいて、流量を正確かつ容易に測定できる新規なＭＦＣを提供することである。例えば、時間はクオーツ式時間計測器によりより正確に測定できるので、本発明は、精密な道具としての構造体なしに精密なＭＦＣを容易に提供することができる。本発明におけるもう一つの目的は、すぐれた信頼性と長寿命と耐久性と設置及びメンテナンスが安価であることを備えたＭＦＣを提供することである。現在では、時間を非常に正確に測定する（１／１０８ ｓを上廻る）ことは安価で容易なものとなっている。従って本発明は、時間をベースにして質量流量／体積流量を非常に正確に制御することができる。
【０００６】
前述の目的を達成するために、本発明はタイムベースの質量流量制御装置を提供していて、タイムベースの質量流量制御装置が：
少なくとも一つのリザーバと；
各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと；
各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと；
制御装置であって、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御するためのものであり、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御装置と；
を具備している。
【０００７】
入口バルブ及び出口バルブは、開運動／閉運動時において急速作動バルブのように急速な作動性能を有している必要がある。これらのバルブの制御は排他的ロジックのデジタルマシンにより達成することができて、そのデジタルマシンは急速作動バルブの作動をリザーバにおける圧力にもとづいて制御することができる。
【０００８】
本発明の好適な実施例において、該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつプリセット時間後に該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該入口弁が閉状態になるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口弁を制御していて；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【０００９】
本発明の他の好適な実施例において、該リザーバが体積可変の貯蔵チャンバであり、かつ該制御装置が該リザーバの該体積を制御している。
【００１０】
おそらく、該リザーバがピストン−シリンダ形状であって、該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口弁を制御していて；さらに該リザーバの体積を制御するために、該制御装置はリザーバのピストン押しのけ量を制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１１】
本発明のさらなる他の好適な実施例において、該制御装置は該リザーバの該入口へ流入する該ガスの温度のような特性値を制御している。このことが該ＭＦＣを通過する該流体は必要とされる特性値を有することを可能にしている。
【００１２】
本発明におけるさらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバの該入口の上流側に、該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を調節するための主バルブを具備していて；該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口弁を制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口バルブを制御していて；該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を制御するために、該制御装置は該主バルブの開度レベルを制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１３】
さらなる他の好適な実施例において、該入口バルブを閉とすること及び該出口バルブを開とすることの間、及び／又は該出口バルブを閉とすること及び該入口バルブを開とすることの間には時間遅れがあって、さらに該制御装置は該時間遅れの長さを制御しており、従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１４】
さらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバに該ガスの温度を測定するための温度センサを具備していて；該温度センサにより測定された該リザーバにおける該ガス温度にもとづいて、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御していて、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている。
【００１５】
さらなる他の好適な実施例において、一つより多いリザーバが平行に設置されていて、対応する該リザーバの入口バルブ及び出口バルブ各々が異なる開時点／閉時点を有している。
さらなる他の好適な実施例において、一つより多いリザーバが平行に設置されていて、各々の出口バルブからガス使用装置へのフローラインの長さが異なっている。
【００１６】
さらなる他の好適な実施例において、タイムベースの質量流量制御装置が、該リザーバの該出口の下流側に設置されたバッファを備えていて、該バッファが該リザーバより大きな体積を有している。
【００１７】
また本発明は、タイムベースの質量流量制御装置を用いた質量流量／体積流量制御方法を提供していて；該タイムベースの質量流量制御装置が、少なくとも一つのリザーバと、各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと、各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと、を具備する質量流量／体積流量制御方法において；
質量流量／体積流量制御方法が：単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御する段階であって、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御する段階、を含んでいる。
【００１８】
発明の実施の形態
図１はタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。圧縮性ガスが主ガス供給装置から既知体積のリザーバ１へ流れるようになっていて、リザーバ内の圧力が基準吐出し圧力ＰからＰ＋δＰへ増加する所要時間が測定されている。圧力がＰ＋δＰへ増加する所要時間の測定は、モニタリング周期で連続的に繰り返し行なわれる。コンピュータは圧力センサ５からの電気信号によりリザーバ１における圧力変化を監視することができる。出口バルブ３の作動時間は、コンピュータ内部の刻時機構（Ｃｌｏｃｋ ｐｒｏｄｕｃｅｒ）により正確に測定することができる。
【００１９】
出口バルブ３、例えば高速作動バルブが、リザーバ１における圧力を連続的に基準吐出し圧力Ｐへ戻している。出口バルブ３は排他的チップ（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｃｈｉｐ）により制御されていて、圧力センサＳにより測定された圧力がＰ＋δＰに達すると、出口バルブ３が開かれ、ガスはガス使用装置へ排出される。続いて、圧力が基準吐出し圧力Ｐへ低下すると、出口バルブ３が閉となる。特定の質量流量範囲に対する最も適切な圧力上昇δＰは、特定の流量範囲において、既知の体積のリザーバ１を使用して選択することができる。
【００２０】
図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、図１におけるリザーバのそれぞれ中流量、大流量、小流量における圧力−時刻歴を示している。
流量が小さい場合、リザーバ１における圧力がプリセット圧力に達する所要時間は長く、一方流量が大きい場合、プリセット圧力に達する所要時間は短くなる。
【００２１】
圧力が基準吐出し圧力ＰからＰ＋δＰへビルドアップする所要時間あるいは周期τは、以下のパラメータに依存していて：
・流体の熱力学的特性値及び輸送特性値のような、流体の密度ρ、粘性係数μ、体積弾性係数ξ、と、流体の既知あるいは制御可能な温度Ｔとの特性値に関連するもの；
・ダクトあるいはキャビティのトポロジー（幾何学的形状、Ｌ及びＤ）；
・体積流量、ＶＦ；である。
【００２２】
上記において、
τ＝ｆ１ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ、ＶＦ）
Ｒｅ−これの組み合わせで得られる
ＶＦ＝ｆ２ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ、τ）
＝ｆ３ （μ、ρ、ξ、Ｔ、Ｌ、Ｄ）／τ
かつｆ３ が函数性に乏しいもの（ｗｅａｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であって一定ＶＦ＝Ｃ／τと仮定することができ、ＶＦ＝Ｃ／τは、容易かつ正確に測定される時間τに対する、必要に応じて可変である体積流量に関する単純函数である。
【００２３】
圧力−時間曲線の形状は、コンデンサが二つの電圧ＶとＶ＋δＶとの間で充電し放電している電圧−時間曲線と同様なものである。さらに曲線の特別な形状は、δＰ／Ｐが減少するに従って、著しくよりリニアになる。この装置において、圧力変化は時間に対してほぼリニアである。従って、トリガ信号として圧力を監視する（正確な絶対圧力Ｐの測定は必要とされない）ことと、正確なτ値を得るために時間を測定することが必要とされるだけである。
【００２４】
図３は、図１におけるリザーバ１の、δＰ／Ｐが小さくかつ〔ｄＰ／ｄｔ〕ｆａｌｌが大きい場合の圧力−時刻歴を示している。
【００２５】
理想的なタイムベースのＭＦＣは以下のとおりのものである。
ａ）δＰ／Ｐが小さいように、ＰとＰ＋δＰとの間の圧力範囲で作動すること。提供されたδＰ／Ｐは十分に小さいものであって、リザーバ１における圧力が増加する一方で、圧力の時間変化率ｄＰ／ｄｔは一定に近づくであろう。
ｂ）リザーバ１とガス使用装置との間における、流れに対する小さな抵抗を有し及び／又は比較的大きな駆動差圧を有していること。このことが、リザーバ１における、Ｐ＋δＰから基準吐出し圧力Ｐへの圧力降化率が大きくなることを保証するであろう。詳しくは、｜ｄＰ／ｄｔ｜ｒｉｓｅ≪｜ｄＰ／ｄｔ｜ｆａｌｌ
ｃ）利用可能な供給ガス圧力がＰに比較して高い状況において作動すること。このことは、ＭＦＣの作動が供給ガスに無関係であることを保証している。
上記ａ）及びｂ）を満足する場合のリザーバにおける圧力−時刻歴を図３に示す。
【００２６】
図４は、バッファ１５を備えたタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。
【００２７】
前記条件に加えて、ＭＦＣは、リザーバ１とガス使用装置との間における十分な流れ緩衝能力を有していて、リザーバにおける、無視し得る圧力変動δＰと“流れの有無”状態とが平均化され、ほぼ一定の圧力と安定した一定の流れとなる。
【００２８】
前述の条件を達成する方法は、リザーバ１に合った流れ安定化性能を備えたＭＦＣを作ることである。これを行なうのに適切な方法は、出口バルブ３の下流側直下に安定化用バッファ１５を取りつけることである。リザーバ１がバッファ１５に比較して小体積であることと、出口バルブ３が開かれる場合流体抵抗が非常に小さいことと、を保証する場合、所定の性能が得られる。
【００２９】
図５は、図４におけるリザーバ１とバッファ１５との圧力時刻歴を概略的に示している。図５に示すように、装置はＰ１ ≒Ｐ２ 、Ｐ１ ≫δＰ１ 及びＰ２ ≫δＰ２ に設定されているので、バッファ１５を出てゆく圧力と流量との変動は無視し得る。
【００３０】
タイムベースのＭＦＣがｄＰ１ ／ｄｔが一定の範囲で作動されるので、リザーバ１における圧力は、τに直接的に（あるいはリニアに）比例する値（すなわちδＰ１ ）とプリセットした基準吐出し圧力Ｐ１ とを加えたものである。従って、連続的な質量流量装置を用いて種々の質量流量の達成を可能にするためには、質量流量が可変なτを変更することにより制御されてもよい。τをより大きくすると、質量流量はより大きくなる。当然のことであるが、質量流量は可変な充填圧力Ｐ１ ＋δＰ１ を変更することにより制御されてもよい。しかしながら、このことは本発明の概念を逸脱するものである。というのは、本発明の目的は、時間を測定することだけにより、充填速度（周期）及び又は排出速度（周期）を標準質量流量にすることであるからである。
【００３１】
図４におけるＭＦＣは基本的に本発明の目的に合致するものではない。というのは、出口バルブ３が開かれる場合、主バルブ１１からの供給ガスがリザーバ１における蓄積ガスと同様に、リザーバ１からガス使用装置へ連続的に流れるからである。この問題は、所望する速度で“バケットを充填及び排出”することによる、“バケット及びストップウォッチ（ｂｕｃｋｅｔ−ａｎｄ ｓｔｏｐｗａｔｃｈ）”方法により解決された。
【００３２】
多分給水栓からの流量を最も正確に測定する方法は、給水栓の下方に既知体積のバケットを置き、かつバケットが満ぱいになる時間を測定することである。体積流量は、単純にバケットの体積をそれを満ぱいにする時間で除算することであって、質量流量は体積流量と水の密度とを乗算したものに等しい。
【００３３】
図６は本発明の第一実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図示するようにＭＦＣは、入口バルブ１３と、出口バルブ３と、リザーバ１への流入ガスの質量流量を制御するための主バルブ１１とを含んでいる。
【００３４】
タイムベースのＭＦＣには、リザーバ１におけるガス温度を測定するための温度センサが備えられていてもよい。例えば、熱電対のあるいは半導体の温度測定装置が温度センサとして使用されてもよい。もしリザーバ１におけるガスが理想気体であるなら、以下の関係が満足されている：（理想気体に対する状態方程式が説明の便宜のために使用されるので、非理想気体に対する状態方程式を使用することの必要性、又は実際の質量流量制御における正確な補正の必要性がある。）
ＰＶ＝ＲＴ／Ｍ（Ｒは一般的なガス定数である）
【００３５】
上記状態方程式により、比容積及び密度は既知のガス温度とプリセットした充填圧力及び吐出し圧力とにより得ることができる。リザーバに蓄積されたガス質量は、リザーバの体積と、充填圧力及び吐出し圧力状態における密度とを乗算することにより得ることができる。すなわち、入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉速度（単位時間当りの開／閉ループ数）は時間を測定することによるだけで容易に得ることができる。従って、質量流量／体積流量は、容易に得ることができる。例えば、もし質量流量が所望する値より小さいなら、リザーバ１の体積が増加される。
【００３６】
体積流量固定モードにおいて流量制御を実行する場合、制御は温度に依存することなくバルブの開／閉速度を一定に保つことにより達成することができる。このモードにおいて、質量流量は高温度において小さな値となり、低温度において大きな値となる。
【００３７】
質量流量固定モードにおいて流量制御を実行する場合、制御はバルブの開／閉速度を制御することにより達成することができる。このモードにおいて体積流量は、温度上昇に従って増加し、温度下降に従って減少する。
【００３８】
リザーバ１における、Ｐ１ から１．０１Ｐ１ への１％の断熱圧力上昇を想定する。排出時、リザーバ１における圧力はＰ１ へ戻る。ループ当りリザーバを通過する（理想）気体の体積は、理想気体に対する状態方程式により計算される。例えば、計算された値がリザーバ体積のＸ％であることと、リザーバ１の体積が１ｍｌであることを仮定する場合、ループ当りリザーバ１を通過するガス体積は０．０１Ｘｍｌ／ループとなる。得られる体積流量が０．１ｍｌ／ｍｉｎ であることを仮定すると、ループレート（時間当りの入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉ループ数）は、体積流量をループ当りのリザーバ１を通過するガス体積で除算したもの、すなわち０．１ｍｌ／ｍｉｎ ÷０．０１Ｘｍｌ／ループである。もし所望する体積流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ の場合、ループレートは１０ｍｌ／ｍｉｎ ÷０．０１Ｘｍｌ／ループとなる。すなわち、質量流量／体積流量は、単位時間当りの入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ回数と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ各々当りのリザーバ１における蓄積及び排出されたガス質量／ガス体積との乗算で表わされる。従って、流量制御は、これらの条件を制御することにより制御できる。
【００３９】
単位時間当りの入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ回数と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の開／閉ループ各々当りのリザーバ１における蓄積及び排出されたガス質量／ガス体積とに影響する因子は、充填時間τ、リザーバ１の体積、主バルブ１１の開度レベル、時間遅れ等である。すなわち、流量制御方法は以下の四に分類される：流量は、
ａ）リザーバ１の充填時間を変更することにより、
ｂ）リザーバ１の体積を変更することにより、
ｃ）リザーバ１への流入ガス流量を変化するために主弁１１の開度レベルを変更することにより、
ｄ）時間遅れを変更することにより、
制御することができる。
【００４０】
これらの変数は、独立的に又は組合わせて流量制御に使用されてもよい。前述の四つの制御方法の実際的な実行において、制御管理は、既知の実験データ（あるいは実験式）をベースにした流量に対応する所定値を与えることにより、又は流量の結果を判断してプリセット値を修正することにより、又は両方法を実施することにより、流量を制御してもよい。
【００４１】
例えば、主バルブ１１を制御して一定のループを実行後に流量に対する結果値を（既知データにもとづき）計算する。もし所定流量から多少のずれがある場合、さらに主バルブ１１を制御することにより修正される。他の例は、リザーバ１の体積を制御すると同時に一定のループのガス流れを実行した後に流量に対する結果値を既知データにもとづき計算する。もし所定の流量から多少のずれがある場合、時間遅れを与えることにより修正される。修正テーブル又は修正式が実験的に解明されてもよくて、かつ実際の制御の実行に反映されてもよい。実験データベースを得るための予備実験において、吐出し圧力及び充填圧力下における正確なガス状態を温度センサを用いて測定する必要があるかも知れない。
【００４２】
前述した第一タイプのＭＦＣの制御方法に関するより完全な説明は以下のとおりである：
ａ）入口バルブ１３が開く毎に出口バルブ３が閉となるように、ＭＦＣは作動する。
ｂ）リザーバ１における圧力は、基準吐出し圧力Ｐ１ から増加される。
ｃ）入口バルブ１３はプリセット時間後に閉となる。
ｄ）出口バルブ３が開かれる。リザーバ１における圧力が基準吐出し圧力Ｐ１ に戻るまで、出口バルブ３は開状態となっている。
従って流量はリザーバ１へ充填する時間を変更することにより簡単に制御することができる。
【００４３】
前述の第一タイプのＭＦＣ制御方法において、入口バルブ１３と出口バルブ３との開／閉ループ各々当りにおける、リザーバ１において蓄積されかつ排出されたガス質量／ガス体積は、以下のようにして得ることができる：
予備実験段階において、基準吐出し圧力におけるリザーバ１のガスの特性、例えば温度が測定される。入口バルブ１３を介してリザーバ１へ流入するガスの状態も測定される。第一タイプのＭＦＣ制御方法は、プリセット時間（τ）だけを変更することにより流量を制御しているので、基準吐出し圧力下のリザーバにおけるガスの状態と、入口バルブ１３を介してリザーバ１へ流入するガスの状態とは、制御プロセス時において一定に保たれ、さらに一回の測定により種々の流量におけるガス流れ制御に対して等しく適用することができる。
【００４４】
実際的な次の制御段階において、流量のループの制御は、入口バルブ１３を開きプリセット時間（τ）後にそれを閉じることにより実行されている。この場合、ループ当りリザーバ１において蓄積され排出されたガスの量は以下のようにして得ることができる。もし〔ｄＰ／ｄｔ〕ｒｉｓｅが一定なら、プリセット時間（τ）後のリザーバ１におけるガスの圧力上昇は、〔ｄＰ／ｄｔ〕ｒｉｓｅとプリセット時間（τ）との乗算により表示される。入口弁１３を介してリザーバ１へ流入するガスの質量流量値（供給されたガスの圧力はＰより高いので、入口弁１３を介してリザーバ１へ流入するガスの質量流量は一定値である）と、プリセット時間（τ）とを乗算した値は、プリセット時間（τ）の間にリザーバ１へ流入したガスの質量、すなわちループ当りのリザーバ１における蓄積されかつ排出されたガスの質量を表わしている。
【００４５】
しかしながら、前述の計算されたガスの質量値は、適切な仮定のもとに得られた理論値である。流量の正確な制御は、流量の表を参照することにより達成される。流量の表には、種々のプリセット時間τにおける蓄積されかつ排出されたガスの質量値が含まれていなければならなくて、質量値は、基準吐出し圧力において種々のプリセット時間τ後それぞれにおけるリザーバ１のガス状態を測定する予備実験により実験的に得ることが可能である。
【００４６】
プリセット時間（τ）後のリザーバ１におけるガスの比体積は以下のようにして得られる：質量保存の法則（連続の式）によりリザーバ１におけるガス質量は、リザーバ１に流入するガス質量と、基準吐出し圧力状態におけるガス質量との合計で表示される。従って、プリセット時間後のリザーバにおけるガス質量は、容易に得ることができる。プリセット時間後のガスの比体積は、リザーバ体積をプリセット時間後のリザーバ１におけるガス質量により除算することにより得ることができる。
【００４７】
第二タイプのＭＦＣ制御方法に関する説明の詳細は以下のとおりである：入口バルブ１３を、リザーバ１における基準吐出し圧力において開とし、かつリザーバ１における基準充填圧力において閉とするべく制御すること。出口バルブ３を、リザーバ１における基準吐出し圧力において閉とし、かつリザーバ１における基準充填圧力において開とするべく制御すること。体積可変式貯蔵器を用いてリザーバ１における体積を制御すること。この場合リザーバ１における体積を、質量流量を増加するために増加し、かつ質量流量を減少するために減少する。
【００４８】
図７は本発明の第二実施例による、タイムベースのＭＦＣを概略的に示していて、そのＭＦＣにおいて、リザーバ体積は変更可能である。図示するように、リザーバ１′はシリンダ−ピストン形状である。好ましくは、ステッピングモータがピストン押しのけ量を制御するために使用されている。小流量範囲のガス流れを制御するために小さな体積のリザーバが、そして大きな流量範囲のガス流れを制御するために大きな体積のリザーバがそれぞれ使用される。最適なリザーバ体積は、適切なソフトウェア／ハードウェアの使用することにより選択することができ、従ってガス流れの最も正確な測定と制御とが達成される。
【００４９】
第三タイプのＭＦＣ制御方法に関して以下に詳述する：主バルブ１１の開度レベルの変更が、結果としてガスをリザーバ１へ充填するための時間を変化させ（Ｐ１ 及びδＰ１ が変化しなくても、リザーバ１における圧力をＰ１ からδＰ１ 増加するのにかかる時間が変化する）、従って、ガス使用装置へ供給されるガス流れが結果的に変化する。大流量範囲においてガス使用装置への流量を制御するために、主バルブ１１の開度レベルが増加される。一方小流量範囲においてガス使用装置への流量を制御するために、主バルブ１１の開度レベルが減少される。主バルブ１１の開度レベルがＭＦＣにおける全体応答特性を変化させる。
【００５０】
第四タイプのＭＦＣ制御方法に関して以下に詳述する：時間遅れが、入口バルブ１３の閉と出口バルブ３の開との間に及び／又は出口バルブ３の閉と入口バルブ１３の開との間に設定されるけれど、単位開ループ／閉ループ当りの、リザーバ１に蓄積されるガス質量／ガス体積は変化しない。しかしながら、ループ当りの経過時間が変化し、従ってリザーバ１からの流出ガスの質量流量／体積流量は結果的に変化する。
【００５１】
図８は本発明の好適な第三実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図６における複数のタイムベースのＭＦＣが平行に接続されている。各々のリザーバ１から最終的なガス使用装置への流路長さの違いを調整することにより、ガス使用装置へのガス流量の摂動は回避することができる。すなわち、ガス使用装置へのガス流量の摂動は、ガス使用装置へのガス供給を一回毎に分割すること（ｓｐｌｉｔｉｎｇ）により回避することができる。
【００５２】
さらなる好適な実施例により、ガス使用装置への流量の摂動は、各々のＭＦＣに対する開時点／閉時点を変えて制御することにより回避することができる。
図９は、本発明の第四実施例による、バッファ１５を備えたタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。図９は、ガス使用装置へのガス流量の摂動を回避する他の実施例を示している。図９におけるＭＦＣは、ガス流量の摂動を比較的単純な装置であるバッファ１５だけにより回避できる利点がある。図９におけるＭＦＣは、図８におけるＭＦＣと同じく、複数セットのリザーバ１とバッファ１５とを有している。
図１０は、図９のタイムベースのＭＦＣにおける、入口バルブ１３及び出口バルブ３の状態と、リザーバ１及びバッファ１５の圧力−時刻歴とを示している。
【００５３】
第一タイプのＭＦＣ制御方法に焦点を合てると、リザーバ１に蓄積されるガス質量は、τを規定することにより決定される。そのような質量値のガスが、ガス使用装置に一定時間τ＋ζ供給される。このことは、もし流体の特性及びバケットの体積が固定されている場合、流量はτを制御することにより制御できることを意味している。最重要点は、質量流量が時間だけの函数として表示されることである。
【００５４】
図１１Ａ及び１１Ｂは本発明におけるプロットタイプＭＦＣの実際の構造と流量制御の基本原理とを概略的に示している。図１１ＡはプロットタイプＭＦＣの構造を概略的に示している。図１１Ｂは、オスシレータ信号と、オスシレータ信号によりトリガされた時間遅れ信号との間の一般的な位相関係を概略的に示す。図示するように、プロットタイプＭＦＣは、オスシレータ２１と、ＮＯＴゲート（インバータ）２３６、二つの遅延タイマ２５及び２６と、パワードライバ２７ａと、二つのソレノイド２９及び３０と、入口バルブ１３と、出口バルブ３とを含んでいる。ＬＥＧＯ空気バルブが入口バルブ１３及び出口バルブ３に使用された。ＬＥＧＯ空気配管の区画がリザーバ１として使われた。プラスチックのレモネードボトルがガス供給装置として使われた。
【００５５】
オスシレータの信号端を降下させる際、これらの時間遅れタイマ信号は、トリガされるので、第一時間遅れタイマ２５及び第二時間遅れタイマ２６が交互にトリガされるように、ＮＯＴゲート２３がオスシレータ２１と第二時間遅れタイマ２６との間に設定された。
【００５６】
発明者は図１１Ａ及び１１Ｂに示すＭＦＣを用いて実験を行ない、その実験結果を図１２及び１３に示す。
【００５７】
図１２は、図１１ＡのＭＦＣにおける、時間とリザーバ１を通過するガス体積との間の関係を示している。９０ループ／ｍｉｎ 及び２１０ループ／ｍｉｎ それぞれの実験結果が示されている。長さ８ｃｍで直径４ｍｍの貯蔵チューブが使用された。図示するようにループ速度が９０ループ／ｍｉｎ から２１０ループ／ｍｉｎ へ増加されるに従って、流量は２０ｍｌ／ｍｉｎ から３５０ｍｌ／ｍｉｎ へ増加した。
【００５８】
図１３は図１１Ａに示すプロットタイプＭＦＣにおける、時間と蓄積されたガス体積との間の関係を示している。直系４ｍｍで長さ８ｃｍと２４ｃｍとのリザーバ１に対する実験結果が示されている。図１３に示すように、リザーバ長さが８ｃｍから２４ｃｍに長くなると、流量が増加した。各曲線のこう配は、時間と伴に減少してこう配０のプラトーに達した。このことはガス供給装置の圧力の減少によるものであった。
【００５９】
図１４Ａは本発明の好適な実施例によるＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示している。プロットタイプのＭＦＣは、本発明の基本原理を説明するには有用であるけれど、本発明を完全に理解するには限界がある。例えばプロットタイプのＭＦＣにおいて、リザーバの一定な充填は保証されていない。そのような限界を克服するために、図１４Ａに示すようなＭＦＣが作られた。
【００６０】
図１４ＡにおけるＭＦＣは、主バルブ１１と、圧力レギュレータ３５と、入口バルブ１３と、リザーバ１と、出口バルブ３と、トランスデューサ５ｂと、増幅器３７と、アナログ／デジタルインタフェース３９と、パワードライバ２７ｂと、Ａ／Ｄコンバータカードとを備えたＰＣ４１とを含んでいる。Ａ／Ｄコンバータが出力を読み取りできるように、トランスデューサ５ｂからの出力は増幅器３７により増幅された。
【００６１】
図１４Ｂは、図１４Ａに示すＭＦＣのＰＣにおいて実行された実行プログラムのフローチャートを示している。圧力を変換するには（短いとしても）時間を要するので、アレーが完全な充填／排出データを備えるにはＡ／Ｄ変換遅れが必要とされた。
【００６２】
ループレートは以下のように計算された：プログラムがリザーバ１の充填及び排出のループを実行する時間毎に、そのループの合計時間が記憶された。続いてプログラムは、実行されたループの回数を加算しかつ所要時間を加算し、従ってループレートを計算することができた。多少の変則な充填／排出プロセスが含まれていてもよい。すなわち、多少の充填／排出プロセスは平均的なループレートに比較すると非常に短いものだからである。この問題はループ遅れを必要とするループ回数に適切な範囲で増加することにより解決することができる（例えば２０ループ）。従って、実際に変換された値は、前の値ではなくて現在値であることが保証されている。
【００６３】
本発明者は図１４Ａ及び１４Ｂに示すＭＦＣを用いて実験を行ない、その実験結果が図１５〜１９に示されている。図１５はリザーバ１における、Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル値と、圧力との間の関係を示している。電圧のアナログ信号はデジタル信号値に変換された。すなわち−１０〜１０Ｖ範囲における入力電圧が４０９６の個別のデジタル信号値の一つへ変換された。デジタル値４０９５及び２０４７が１０Ｖと０Ｖとにそれぞれ対応していて、それらはリニアな関係にある。装置の挙動を知りかつそれを装置の設計に適用するために、圧力トランスデューサを用いて測定が実行されたけれども、これらの値は圧力に変換する必要はなかった。というのは、本発明における重要な値は圧力ではなくて繰返し回数であったからである。
【００６４】
図１６Ａは、充填プロセス時における時間に対するリザーバ１における圧力を示している。直径２ｍｍのリザーバが使用された。図示するように、リザーバの初期充填にあたって非常に長い時間を要した。というのはリザーバ１における圧力を０ｂａｒ から０．０５ｂａｒ まで上昇させる必要があったからである。しかしながら、リザーバ１が初回で充填されてしまうと、充填プロセスはわずかな時間を要するだけであった。
【００６５】
図１６Ｂは、排出プロセス時における時間に対するリザーバ１における圧力を示している。
【００６６】
図１６Ｃは、リザーバの連続した充填及び排出時の時間に対するリザーバにおける圧力を示している。図１６Ｃに図示するように、充填及び排出特性は１５ｂａｒ ／ｓの非常に急激な初期上昇を示した。このことは、リザーバ１が排出されるのを装置が待機している際の、入口バルブ１３直前側の装置にビルドアップされた圧力によるものであった。一定ではあるがわずかな圧力上昇が、入口バルブ１３の閉直前に生じている。
【００６７】
図１７Ａは、直径１ｍｍのリザーバにおける充填圧力が０．０５ｂａｒ で吐出し圧力が０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。本発明者は、種々の流量を扱うために、種々のサイズのリザーバ１に対する実験を実行した。まず直径１ｍｍのリザーバが、製作され実験され、ループレートと流量とはこう配０．０１１２のリニアな関係であった。
【００６８】
図１７Ｂは、直径２．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．００９である。
【００６９】
図１７Ｃは、直径４ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．０１１である。
【００７０】
図１７Ｄは、直径５．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の流量とループレートとの間の関係を示している。図示するように、こう配は０．０１５２である。
【００７１】
図１７Ａ−１７Ｄに示す実験結果からわかるように、リザーバ１を通過する媒体の流量は、リザーバ１の体積を変更することにより制御することができる。例外的に直径１ｍｍのリザーバ１が直径２．５ｍｍのリザーバ１より大きなこう配であったことは、センサがリザーバ１へ接続されていたことによるのかも知れない。
【００７２】
最適な流量を決定するために、種々の充填圧力が試験された。主バルブはセットされ、さらに種々の充填圧力がテストプログラムに取り入れられた。図１８Ａに示すように、定常流量に対するループレートは、充填圧力０．０２５ｂａｒ の場合３７５ループ／ｍｉｎ であり、充填圧力０．１２５ｂａｒ の場合７５ループ／ｍｉｎ であった。充填圧力が高くなるに従って、同一流量に対するループレートの数は減少した。
図１８Ｂは、主バルブ１１の開度レベルが固定された場合で、種々の充填圧力に対して測定された流量を示している。図示するように、主バルブ１１を通過する流量は一定にセットされたけれども、充填圧力が上昇するに従って流量が増加した。図１８Ｂにおけるボール形状曲線に図示されるように、リザーバ１における圧力は、非常に低い圧力（例えば図１８Ｂにおける０．０２５ｂａｒ の充填圧力）において、必要とされる充填圧力をすぐ超過して、充てん過多を招いている。従って装置の設計者は、装置の充填圧力の選択において、この点を考慮すべきであった。図１８Ｂにおける実験条件により、使用可能な充填圧力として０．０５ｂａｒ そして使用可能な吐出し圧力として０．００２ｂａｒ が選択された。
【００７３】
図１９は図１４ＡのＭＦＣにおいて、装置の通常運転状態と、入口バルブ１３及び出口バルブ３の両方が開となっている状態とにおける、時間と体積との間の関係を示している。
【００７４】
図示するように、実験結果は以下のことを示していて；充填と排出とが繰返されている装置の通常運転状態において、リザーバ１を通過する流量は、入口バルブ１３と出口バルブ３との両方が永久的に開とされている状態に比較して相対的に小さい。この現象は、圧力損失と圧力リークとによるものであった。入口バルブ１３と出口バルブ３との両方が永久的に開となった状態において、供給圧力により空気が吹き抜けかつリークが均衡を破って大きなものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、タイムベースの質量流量制御装置（ＭＦＣ）の原理を概略的に示している。
【図２Ａ】
図２Ａは、図１におけるリザーバの中流量における圧力−時刻歴を示している。
【図２Ｂ】
図２Ｂは、図１におけるリザーバの大流量における圧力−時刻歴を示している。
【図２Ｃ】
図２Ｃは、図１におけるリザーバの小流量における圧力−時刻歴を示している。
【図３】
図３は、図１におけるリザーバにおいてδＰ／Ｐが小さくかつ〔ｄＰ／ｄｔ〕ｆａｌｌが大きい場合の圧力−時刻歴を示す。
【図４】
図４は、バッファを備えたタイムベースのＭＦＣの原理を概略的に示している。
【図５】
図５は、図４におけるリザーバとバッファとの圧力−時刻歴を概略的に示している。
【図６】
図６は、本発明の第一実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図７】
図７は、本発明の第二実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図８】
図８は、本発明の第三実施例によるタイムベースのＭＦＣを概略的に示していて、図６におけるタイムベースのＭＦＣが平行に接続されてもよいことを示している。
【図９】
図９は、本発明の第四実施例によるバッファを備えたタイムベースのＭＦＣを概略的に示している。
【図１０】
図１０は図９におけるＭＦＣの、入口弁及び出口弁の状態と、リザーバ及びバッファの圧力−時刻歴とを概略的に示している。
【図１１Ａ】
図１１Ａは、本発明における流量制御の基本原理を説明するために、プロットタイプのＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示すもので、本図はプロットタイプＭＦＣの構造を概略的に示している。
【図１１Ｂ】
図１１Ｂは、本発明における流量制御の基本原理を説明するために、プロットタイプのＭＦＣの実際的な構造例を概略的に示すもので、本図はオスシレータ信号と、オスシレータ信号によりトリガされたタイマ遅れ信号との間の位相関係を概略的に示している。
【図１２】
図１２は、時間と、図１１ＡのＭＦＣにおけるリザーバを通過するガス体積との間の関係を示すもので、９０ループ／ｍｉｎ 及び２１０ループ／ｍｉｎ それぞれに対する実験結果を示している。
【図１３】
図１３は、時間と、図１１ＡのプロットタイプＭＦＣにおける蓄積されたガス体積との間の関係を示すもので、８ｃｍ長さのリザーバ及び２４ｃｍ長さのリザーバそれぞれに対する実験結果を示している。
【図１４Ａ】
図１４Ａは、本発明によるＭＦＣの実際の構造例を概略的に示している。
【図１４Ｂ】
図１４Ｂは、図１４Ａに示すＭＦＣのＰＣにおいて実行された実行プログラムのフローチャートを示している。
【図１５】
図１５はリザーバにおける、Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル値と、圧力との間の関係を示している。
【図１６Ａ】
図１６Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣの充填プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１６Ｂ】
図１６Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣの排出プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１６Ｃ】
図１６Ｃは、図１４ＡにおけるＭＦＣの連続している充填及び排出プロセス時における、時間に対するリザーバの圧力を示している。
【図１７Ａ】
図１７Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径１ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｂ】
図１７Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径２．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｃ】
図１７Ｃは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径４ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１７Ｄ】
図１７Ｄは、図１４ＡにおけるＭＦＣの直径５．５ｍｍのリザーバにおける、充填圧力０．０５ｂａｒ 及び吐出し圧力０．００２ｂａｒ の場合の、流量とループレートとの間の関係を示している。
【図１８Ａ】
図１８Ａは、図１４ＡにおけるＭＦＣにおいて主バルブ開度が固定されている場合の、ループレートと充填圧力との間の関係を示している。
【図１８Ｂ】
図１８Ｂは、図１４ＡにおけるＭＦＣにおいて主バルブ開度が固定されている場合の、異なる充填圧力に対する測定された流量を示している。
【図１９】
図１９は図１４ＡのＭＦＣにおいて、装置の通常運転状態と、入口バルブ及び出口バルブの両方が開となっている状態とにおける、時間と体積との間の関係を示している。
Claims (10)
- タイムベースの質量流量制御装置が：
少なくとも一つのリザーバと；
各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと；
各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと；
制御装置であって、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御するためのものであり、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御装置と；
を具備しているタイムベースの質量流量制御装置。 - 該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつプリセット時間後に該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口バルブを制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該入口バルブが閉状態になるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口バルブを制御していて；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっているところの、請求項１に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該リザーバが体積可変の貯蔵チャンバであり、かつ該制御装置が該リザーバの該体積を制御しているところの、請求項１に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該リザーバがピストン−シリンダ形状であって、該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口バルブを制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口バルブを制御していて；さらに該リザーバの体積を制御するために、該制御装置はリザーバのピストン押しのけ量を制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっているところの、請求項３に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該リザーバの該入口の上流側に、該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を調節するための主バルブを具備していて；該リザーバが基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該入口を開とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該入口を閉とするために、該制御装置は該入口バルブを制御しており；該リザーバが該基準吐出し圧力状態であるとき該リザーバの該出口を閉とするために、かつ該リザーバが基準充填圧力状態であるとき該リザーバの該出口を開とするために、該制御装置は該出口バルブを制御していて；該リザーバへ流入するガスの該質量流量／体積流量を制御するために、該制御装置は該主バルブの開度レベルを制御しており；従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっているところの、請求項１に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該入口バルブを閉とすること及び該出口バルブを開とすることの間、及び／又は該出口バルブを閉とすること及び該出口バルブを開とすることの間には時間遅れがあって、さらに該制御装置は該時間遅れの長さを制御しており、従って該制御装置は該リザーバから流出する該ガスの該質量流量／体積流量を制御することができるようになっているところの、請求項１に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該リザーバに該ガスの温度を測定するための温度センサを具備していて；該温度センサにより測定された該リザーバにおける該ガス温度にもとづいて、該制御装置は、単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉ループの回数及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御していて、従って該制御装置は、該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっているところの、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 一つより多いリザーバが平行に設置されていて、対応する該リザーバの入口バルブ及び出口バルブ各々が異なる開時点／閉時点を有しているところの、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- 該リザーバの該出口の下流側に設置されたバッファを備えていて、該バッファが該リザーバより大きな体積を有しているところの、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタイムベースの質量流量制御装置。
- タイムベースの質量流量制御装置を用いた質量流量／体積流量制御方法であって；該タイムベースの質量流量制御装置が、少なくとも一つのリザーバと、各々が対応するリザーバの入口を開／閉する、少なくとも一つの入口バルブと、各々が対応するリザーバの出口を開／閉する、少なくとも一つの出口バルブと、を具備する質量流量／体積流量制御方法において；
質量流量／体積流量制御方法が：単位時間当りの該入口バルブと該出口バルブとの開／閉回数を及び／又は該入口バルブと該出口バルブとの単位開／閉ループ当りのリザーバにおいて蓄積されかつ排出されるガスの質量／体積を制御する段階であって、該出口バルブが開状態となっているとき、該入口バルブは該ガスを該リザーバに流入することを可能にするべく該リザーバの該入口を開としていて、該入口バルブが閉状態となっているとき、該出口バルブは該ガスを該リザーバから流出することを可能にするべく該リザーバの該出口を開としており、従って該リザーバから流出する該ガスの質量流量／体積流量を制御することができるようになっている制御する段階、を含んでいる質量流量／体積流量制御方法。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2007535617A (ja) * | 2004-04-12 | 2007-12-06 | エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド | パルス化された質量流量搬送システム及び方法 |
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2001
- 2001-11-22 JP JP2002554476A patent/JP2004522219A/ja active Pending
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