JP2014013461A

JP2014013461A - 圧力制御装置、流量制御装置、及び、圧力制御装置用プログラム、流量制御装置用プログラム

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Publication number: JP2014013461A
Application number: JP2012149988A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Takijiri; 興太郎瀧尻
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN103529869B; CN103529869A; KR101990155B1; US20140007950A1; US9075414B2; KR20140004583A; JP5868796B2

Abstract

【課題】ＰＩＤ係数等のゲインを大きく設定したとしても、そのゲインを変更することなくリンギングやオーバーシュートを防ぐことができ、大きな設定圧力値が設定された場合でも短時間で定常状態にまで変化させることができ、設定圧力値によらずに初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を揃えることができる圧力制御装置を提供する。
【解決手段】バルブ制御部３が、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部３１と、設定圧力値に応じた開度操作量の上限値を設定し、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量が上限値を超える場合には圧力制御バルブ２を上限値の開度操作量で制御するリミッタ部３２とを備えるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体の圧力を制御するための圧力制御装置、前記圧力制御装置の圧力制御により流体の流量制御を行う流量制御装置、及び、圧力制御装置用プログラム、流量制御装置用プログラムに関するものである。

半導体製造プロセス等においては真空に保たれているチャンバー内へ材料ガス等の流体を所定の一定圧力で導入するために、圧力制御装置が用いられる。

より具体的には前記圧力制御装置は、前記チャンバーの上流側の流路上に設けられており、圧力センサと、圧力制御バルブと、前記圧力センサで測定される測定圧力値が設定圧力値となるように前記圧力制御バルブを制御するバルブ制御部とから構成されている。

従来、前記圧力制御装置による流体の圧力制御は、初期状態から所定時間経過した後の定常状態における圧力制御の精度のみが重要視されていたが、近年、初期状態から定常状態に至るまでの過渡状態における圧力制御の精度や応答性も重要視されつつある。

例えば半導体製造プロセスにおいては、過渡状態となっている時間、すなわち、初期状態から定常状態となるまでにかかる時間である応答時間をできる限り短縮しつつ、過渡状態における圧力制御の精度や応答性をさらに向上させることが求められている。より具体的には設定圧力値が大きいと前記チャンバー内に充填する必要のある流体の流量も大きくなるため、設定圧力値が小さい場合に比べて応答時間が長くなってしまい応答性が悪くなってしまっているという問題がある。

このような問題に対する一つの解決方法としては、例えば前記バルブ制御部がＰＩＤ制御により前記圧力制御バルブの開度操作量を制御する場合、各ＰＩＤ係数（ゲイン）として大きな値を設定することで、圧力制御の応答性を良くすることが挙げられる。

しかしながら、単純にＰＩＤ係数等のゲインとして大きな値を設定してしまうと、設定圧力値が大きい場合には大きな開度操作量が入力されることにより応答時間を短縮できるものの、目標値である設定圧力値が小さい場合には、それほどチャンバーに流体を充填する必要がないにも関わらず、過大な開度操作量で圧力制御バルブが制御されてしまい圧力制御が不安定になってしまうことがある。つまり、設定圧力値が大きい場合を基準として大きなＰＩＤ係数が定められてしまうと、設定圧力値が小さい場合において制御の安定性が損なわれてしまい、図１０に示すように過渡状態においてリンギングが生じたり、大きなオーバーシュートが発生したりすることがある。全ての設定圧力値において応答性と安定性を両立できるように、設定圧力値に応じてＰＩＤ係数を変更して、応答性を良くするとともに安定性を保つようにすることも行われているが、各圧力設定値に対して実験的にＰＩＤ係数を決めておく必要があり、パラメータ調整に非常に手間がかかってしまう。

一方、上述したようなＰＩＤ係数を設定圧力値に応じて適宜変更するのではなく、過渡状態における圧力制御バルブの開度操作量に上限値（リミット）を設けることで、オーバーシュートが生じないようにするとともに好ましい応答性が得られるようにした圧力制御装置が特許文献１に開示されている。

このものは、設定圧力値と測定圧力値の偏差に対してＰＩＤ演算を行い、圧力制御バルブの開度操作量を出力するＰＩＤ制御部と、昇圧開始時である初期状態から定常状態に至るまでの過渡応答期間においてＰＩＤ制御部から出力される開度操作量に対して上限値を設定するリミッタ部とを備えたものである。

前記リミッタ部は、昇圧開始時から定常状態となるまでの経過時間に対して比例して開度操作量の上限値を大きくしていくように構成されている。すなわち、開度操作量の上限値で前記圧力制御バルブが昇圧開始時から制御され続けた場合、経過時間に対して徐々に開度が大きくなっていくことになる。

しかしながら、このようなものでは昇圧開始時からの経過時間に対して前記圧力制御バルブの開度操作量の上限値が固定されているので、設定圧力値によって定常状態に至るまでにかかる時間が大きく変化してしまう。具体的には、設定圧力値が１００％等のように大きな値が設定されており、短時間で設定圧力値まで上昇させたい場合でも、前記リミッタ部は昇圧開始時には開度操作量の上限値を小さく設定するので、下流側へはあまり流体が流入せず圧力の上昇量も小さなものになってしまう。従って、設定圧力値が大きい場合定常状態に至るまでにかかる応答時間は、設定圧力値が５０％等の値が設定されている場合に比べて非常に長くなってしまう。

別の側面から考えると、特許文献１のように、経過時間に対して開度操作量の上限値を変化させるようにしていると、設定圧力値によって初期状態から定常状態になるまでにかかる応答時間はそれぞればらばらになってしまい、揃えることはできない。このため、半導体製造プロセスにおいては、定常状態となるまでにかかる時間が最も長いものを待ち時間として設定しておき、安定的に材料ガスをチャンバーに導入できるようにしているが、特に設定圧力値が小さい場合には無駄な待機時間が発生することになり、歩留まりが低下してしまっている。

また、上述してきたような問題は、圧力式の流量センサから出力される測定流量値に基づいて流量制御を行う、いわゆる圧力ベースの流量制御装置においても同様に生じている。すなわち、圧力式の流量センサの場合、圧力損失の生じる流体抵抗の上流側と下流側の圧力に基づいて流量が測定されるが、例えば、下流側にチャンバー等が接続されていると、下流側の圧力が略真空圧や一定値に保たれることになり、実質的に流体抵抗の上流側における流体の圧力の値を流量制御バルブで制御しているのと略等価になる。従って、上述してきた圧力制御装置と同様に設定流量値が大きい場合でも応答時間を短縮できるようにＰＩＤ係数を高く設定すると、設定流量値が小さい場合には安定性が損なわれてオーバーシュートやリンギングが生じるといった問題が生じことがある。

特開２００１−２４１８４１号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、例えばＰＩＤ係数等のゲインを大きく設定したとしても、そのゲインを変更することなくリンギングやオーバーシュートを防ぐことができ、大きな設定圧力値が設定された場合でも短時間で定常状態にまで変化させることができ、設定圧力値によらずに初期状態から定常状態に至るまでにかかる応答時間を揃えることができる圧力制御装置及び圧力制御装置用プログラムを提供することを目的とする。また、流量制御において圧力制御と対応する技術的な課題を解決することができる流量制御装置及び流量制御プログラムを提供する事を目的とする。

すなわち、本発明の圧力制御装置は、流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた圧力制御バルブと、前記圧力センサで測定される測定圧力値が、設定圧力値となるように前記圧力制御バルブを制御するバルブ制御部とを備えており、前記バルブ制御部が、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記圧力制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定圧力値に応じて設定することを特徴とする。

ここで、本明細書中における「開度操作量」とは前記圧力制御バルブの絶対的な開度を示す量である。

このようなものであれば、圧力を上昇させる制御の場合には前記リミッタ部が設定圧力値に応じた開度操作量のリミット値を設定し、開度操作量の許容範囲を設定するので、例えば、設定圧力値が大きくオーバーシュートが生じるまでの余裕が大きい場合には、開度操作量のリミット値として上限値を大きく設定し、定常状態となるまでにかかる時間を短くしたり、逆に設定圧力値が小さく開度操作量を大きくしすぎるとすぐにオーバーシュート等が生じてしまう領域では、開度操作量の上限値を小さく設定して安定性を優先させたりすることができる。

また、前記リミッタ部が前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が上限値を超える場合に前記圧力制御バルブを設定されている上限値の開度操作量で制御するので、例えば、ＰＩＤ係数等のゲインが大きく設定されていてもオーバーシュート等が生じるのを防ぐことができる。しかも、ＰＩＤ係数等のゲインが大きく設定されていれば、過渡状態及び定常状態における指令値に対する追従性や応答性を良くすることができる。

逆にある圧力値に保たれている状態から設定圧力値に圧力を低下させる制御の場合等には、前記リミッタ部が設定圧力値に応じた開度操作量のリミット値として下限値を設定して開度操作量の許容範囲を設定するので、設定圧力値によらずに応答時間を短くするとともに、圧力低下量が小さい場合でもオーバーシュートやリンギングを生じないようにすることができる。

前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が前記リミッタ部において設定される開度操作量の上限値以下の場合に、応答性と安定性を両立させた状態で圧力制御が行えるようにするには、前記リミッタ部が、前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値として上限値を設定するように構成されており、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が上限値以下の場合には、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量で前記圧力制御バルブを制御するように構成されていればよい。

どのような設定圧力値が設定された場合でも初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を略一定にするには、前記リミッタ部が、設定圧力値が大きいほど開度操作量の上限値を大きく設定するように構成されていればよい。このようなものであれば、設定圧力値が大きいほど開度操作量の上限値が大きく設定されるので、設定圧力値が大きいほど前記圧力制御バルブを通過する流体の量を多くすることができ、設定流量値の大きいほど、単位時間当たりの圧力変化量を大きくすることができる。このため、各圧力設定値において初期状態から定常状態となるまでにかかる時間を略一定にすることができる。

設定圧力値と初期状態から定常状態となるまでの単位時間当たりの圧力変化量が略比例するようにして、初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を設定圧力値によらずに略一定にするには、経過時間に対す前記リミッタ部が、設定圧力値に対して開度操作量の上限値を非線形に変化させるように構成されていればよい。このようなものであれば、前記圧力制御バルブの開度と、通過する流体の流量との間の関係が非線形性を有するものであっても、それを反映して開度操作量の上限値を定めることができるので、初期状態から定常状態に至るまでにかかる応答時間を揃えることができるようになる。

例えば、圧力制御対象となるチャンバー等の容積が変わっても、設定圧力値によらず常に初期状態から定常状態となる間にかかる時間を一定に保つことができるようにするには、圧力制御対象となるチャンバー等の容積に応じて、過渡状態における前記リミッタ部が、前記圧力制御バルブの下流側の容積に応じて開度操作量の上限値を設定するように構成されていればよい。

特に前記圧力制御バルブの下流側の容積が大きい場合でも応答性と安定性を保ちつつ、短時間で初期状態から定常状態へと圧力を変化させられるようにするには、前記リミッタ部が、前記圧力制御バルブの下流側の容積が大きいほど開度操作量の上限値を大きく設定するように構成されていればよい。

設定圧力値によらず、初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を揃えるための開度操作量の上限値の設定方法の具体例としては、前記リミッタ部が、圧力制御開始時から目標時間経過後に前記圧力制御バルブの下流側の容積における圧力が設定圧力値となるのに必要な流量値に対応する開度操作量を上限値に設定するように構成されているものが挙げられる。

既存の圧力制御装置に対してプログラムを書き換える等することで、本発明の圧力制御装置としての機能を実現できるようにするには、流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた圧力制御バルブとを備えた圧力制御装置に用いられるプログラムであって、前記圧力センサで測定される測定圧力値が、設定圧力値となるように前記圧力制御バルブを制御するバルブ制御部を備えており、前記バルブ制御部が、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記圧力制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定圧力値に応じて設定することを特徴とする圧力制御装置用プログラム又はプログラム記録媒体を用いればよい。

設定流量値の大小にかかわらず、初期状態から定常状態に至るまでの応答時間を略揃えることができるとともに、オーバーシュートやリンギングを防ぐことができるようにするには、流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた流量制御バルブと、前記圧力センサで測定される測定圧力値に基づいて算出される測定流量値が、設定流量値となるように前記流量制御バルブを制御するバルブ制御部とを備えており、前記バルブ制御部が、測定流量値と設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記流量制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定流量値に応じて設定することを特徴とする流量制御装置であればよい。

また、既存の流量制御装置のプログラムを変更することで、設定流量値に関わらず応答時間を一定に保つ等しながら、オーバーシュートやリンギングを防ぐといった機能を付加するには、流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた流量制御バルブとを備えた流量制御装置に用いられるプログラムであって、前記圧力センサで測定される測定圧力値に基づいて算出される測定流量値が、設定流量値となるように前記流量制御バルブを制御するバルブ制御部を備えており、前記バルブ制御部が、測定流量値と設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記流量制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定流量値に応じて設定することを特徴とする流量制御装置用プログラムを用いればよい。

このように本発明の圧力制御装置によれば、前記リミッタ部が初期状態からの時間経過に応じて前記圧力制御バルブの開度操作量の上限値を変化させるのではなく、設定圧力値に応じた開度操作量の上限値を定めるように構成されているので、設定圧力値が異なる値であっても初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を揃えることができる。また、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が、前記リミッタ部において設定される開度操作量の上限値を超える場合には、その上限値により前記圧力制御バルブの制御が行われるので、例えばＰＩＤ係数等のゲインが大きく設定されて高応答にしている場合でも、オーバーシュート等が生じないようにすることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力制御装置を示す模式図。第１実施形態における圧力制御装置の制御系を示す模式的ブロック線図。第１実施形態における圧力制御バルブのバルブ特性について示すグラフ。第１実施形態における設定圧力値と必要となる流体の流量の関係を示すグラフ。第１実施形態における設定圧力値と開度操作量の上限値との関係を示すグラフ。第１実施形態の圧力制御装置の動作を示すフローチャート。第１実施形態の圧力制御装置による圧力制御結果の一例を示すグラフ。第１実施形態の圧力制御装置の変形例における設定圧力値と開度操作量の上限値との関係を示すグラフ。第２実施形態の流量制御装置を示す模式図。従来の圧力制御装置においてＰＩＤ係数を大きくした場合に生じる問題について示すグラフ。

＜装置構成＞
本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１実施形態の圧力制御装置１００は、半導体製造プロセスにおいてチャンバー５内に所定の一定圧力で材料ガスやキャリアガス等の流体を導入するために用いられるものであり、前記チャンバー５の上流側に設けられるものである。第１実施形態の圧力制御装置１００は、定常状態における追従性だけでなく過渡状態における応答性や安定性について特徴を有するものであり、設定圧力値によらず初期状態から定常状態に移行するまでにかかる時間が略一定にすることができるように構成してある。

前記半導体製造プロセスの概略について説明すると、図１の模式図に示すように上流側から、流量のモニタリングのための流量センサ４、前記圧力制御装置１００、所定の容積を有するチャンバー５、前記チャンバー５内を真空引きする真空ポンプ６がこの順で設けてある。

前記圧力制御装置１００は、図１に示すように流路７を流れる流体の圧力を測定する圧力センサ１と、前記流路７に設けられた圧力制御バルブ２と、前記圧力センサ１で測定される測定圧力値と、設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブ２を制御するバルブ制御部３とから構成してある。前記圧力制御バルブ２、前記圧力センサ１、前記バルブ制御部３は、１つのモジュールをなすように構成してあり、図示しないケーシング内に各部材が収容されている。そして、半導体製造プロセスの流路７に前記圧力制御装置１００の流入口と流出口を取り付けることにより、２次側にあるチャンバー５内に所定の圧力で流体を導入することができる。また、この圧力制御装置１００の制御系をブロック線図として表現した場合は図２のようになる。

以下では、前記圧力制御装置１００の各部について説明する。

前記圧力センサ１は、前記圧力制御バルブ２の下流側に設けてあり、前記流路７及び前記チャンバー５内の圧力を測定できるように構成してある。

前記圧力制御バルブ２は、例えばソレノイドバルブであって前記バルブ制御部３から印加される電圧によりその開度を変化させることができる。より具体的には前記圧力制御バルブ２は、全閉状態である０％の開度の状態から全開状態である１００％の開度の状態までを取り得る。図３のグラフに示すようにこの圧力制御バルブ２の開度とその開度において通過する流体の流量との関係は非線形性を有するものである。すなわち、開度と通過する流体の流量との関係は下向きに凸の曲線として概略示されるものであり、第１実施形態ではこのような圧力制御バルブ２の流量特性を考慮したうえで圧力制御を行うように構成してある。

前記バルブ制御部３は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ等のいわゆるコンピュータやマイコン等によって構成されるものであり、メモリに格納されているプログラムを実行することによりその機能が実現されるものである。前記バルブ制御部３は、前記圧力センサ１で測定される測定圧力値が、設定圧力値となるように前記圧力制御バルブ２を制御するように構成してあり、少なくとも図２のブロック線図に示す開度操作量出力部３１及びリミッタ部３２としての機能を有するものである。

前記開度操作量出力部３１は、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブ２の開度操作量を出力するように構成してある。ここで、開度操作量とは前記圧力制御バルブ２の絶対的な開度を示すものであり、例えば全開開度を１００％、全閉開度を０％とした場合に、０〜１００％までの数値に対応する指令値や電圧値、信号量に対応するものである。すなわち、現時点の圧力制御バルブ２の開度からどれだけ開度を変化させればよいかを示す相対的な値ではなく、絶対的な値を示すものである。

より具体的には、前記開度操作量出力部３１は、図２のブロック線図に示すように測定圧力値と設定圧力値の偏差を受け付け、その偏差に対して予め定められているＰＩＤ係数を用いてＰＩＤ演算を行い、開度操作量を前記リミッタ部３２に対して出力するものである。前記開度操作量出力部３１において用いられるＰＩＤ係数は本実施形態においては設定圧力値に対して常に同じ値が用いられており、例えば、定常状態における設定圧力値と測定圧力値の許容差や、過渡状態における応答性、外乱に対するロバスト性等を勘案して定めてある。なお、この開度操作量出力部３１に設定されているＰＩＤ係数は定常状態における応答性や外乱に対する安定性を優先して定めてあるため、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量をそのまま用いた場合、過渡状態においてはリンギングやオーバーシュート等が発生する可能性がある。

前記リミッタ部３２は、指令値として入力される設定圧力値を受け付けて設定圧力値に応じた開度操作量の上限値（リミット値）を設定して開度操作量の許容範囲を設定するとともに、前記開度操作量出力部３１から出力された開度操作量を受け付けて、その開度操作量が上限値を超える場合には前記圧力制御バルブ２を上限値の開度操作量で制御するように構成してある。また、前記リミッタ部３２は、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量が上限値を以下の場合には、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量で前記圧力制御バルブ２を制御するように構成してある。言い換えると、前記リミッタ部３２における設定圧力値に応じてリミット値を設定するリミット値設定部（図示しない）と、リミット値設定部で設定されたリミット値と、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量に基づいて前記圧力制御バルブ２の開度を制御する開度制御部（図示しない）としての機能を有している。

次に、前記リミッタ部３２における開度操作量の上限値を定めて、開度操作量の許容範囲を設定するための構成について詳述する。

前記リミッタ部３２は、設定圧力値、第１実施形態ではチャンバー５の容積Ｖに代表される前記圧力制御バルブ２の下流側にある容積、前述した前記圧力制御バルブ２の流量特性に応じた開度操作量の上限値を設定するものである。

より具体的には第１実施形態では、この開度操作量の上限値は、圧力制御が開始された初期状態から設定圧力値の近傍の圧力で略一定に保たれている定常状態に至るまでにかかる時間の目標値である目標応答時間で、設定圧力となるのに必要な流体の流量に基づいて定めてある。

初期状態から設定圧力値となるまでに必要な流量は気体の状態方程式に基づいて以下の式１にて算出することができる。

ここで、Ｐ_ｓｅｔ：設定圧力値、Ｐ_{ｓｔａｒｔ}：初期状態における流体の圧力値、Ｖ：チャンバー５の容積（圧力制御バルブ２より下流の容積）、ｔｒ：初期状態から定常状態となるまでにかかる目標応答時間、Ｒ：気体定数、Ｔ：流体の温度、Ｍ：流体の分子量、Ｑ：初期状態から設定圧力値となるまでに必要な流体の流量である。なお、Ｐ_{ｓｔａｒｔ}は初期状態において略真空状態に保たれている場合等にはゼロとして取り扱いＰ_ｓｅｔのみで算出しても構わない。本実施形態ではチャンバー５内が略真空に保たれているのでＰ_{ｓｔａｒｔ}については無視している。

さらに、初期状態から定常状態となるまでに間は前記圧力制御バルブ２の開度が所定の開度で固定されているとすると、流量Ｑは一定となるので式１をＱについて解くことができ、式２のようになる。

ここで、Ｖ、Ｒ、Ｔ、ｔｒ、Ｍは固定値であることから設定圧力値Ｐ_ｓｅｔと必要な流量Ｑとの間には図４のような線形関係があることが分かる。

さらに、式２から算出される設定圧力値Ｐ_ｓｅｔを実現するのに必要な流量Ｑを流すことができる圧力制御バルブ２の開度操作量は図３のような開度操作量と流量との間の関係を示すバルブ特性図を参照することで決定できる。

第１実施形態では設定圧力値が与えられた場合に式２で算出される必要な流量Ｑと、この流量Ｑで図３のようなバルブ特性図を参照して得られる開度操作量を各設定圧力値に対する開度操作量の上限値として設定するようにしてある。

上述してきたように設定圧力値と必要な流量との間には図４に示すような線形関係があり、前記圧力制御バルブ２への開度操作量と流量との間には図３に示すような非線形の関係があるので、前記リミッタ部３２は各圧力設定値に対して開度操作量の上限値を図５に示すような非線形性な関係を持たせて設定している。

さらに、図５から明らかなように前記リミッタ部３２は、全体としては設定圧力値が大きくなるにつれて開度操作量の上限値も大きく変更するよう構成してあるとともに、設定圧力値に対する開度操作量の上限値の変化率は、設定圧力値が大きくなるにつれて小さくなるように上限値を設定している。

また、前記リミッタ部３２は式２に示すようにチャンバー５の容積によって各設定圧力値に対して設定される開度操作量の上限値を変化させている。具体的には、式２から明らかなようにチャンバー５の容積Ｖが大きくなるほど必要となる流量Ｑは大きくなるので、前記リミッタ部３２はチャンバー５の容積Ｖが大きくなるほど開度操作量の上限値も併せて大きく設定する。

＜装置の動作＞
このように構成された圧力制御装置１００の動作について図６のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ユーザにより設定圧力値が設定され、圧力制御が開始されると（ステップＳ１）、前記リミッタ部３２は設定された設定圧力値に対応する開度操作量の上限値を設定する（ステップＳ２）。

次に、前記開度操作量出力部３１は、設定圧力値と現在の測定圧力値の偏差にＰＩＤ演算を行い、開度操作量を出力する（ステップＳ３）。

前記開度操作量出力部３１から出力された開度操作量が、前記リミッタ部３２において設定された上限値よりも大きいかどうかについてリミッタ部３２において判別される（ステップＳ４）。

前記開度操作量出力部３１から出力された開度操作量が上限値を超えている場合には、リミッタ部３２は上限値の開度操作量で前記圧力制御バルブ２の制御を行う（ステップＳ５）。一方、前記開度操作量出力部３１から出力された開度操作量が上限値よりも小さい場合には、開度操作量操作部において出力された開度操作量そのもので前記圧力制御バルブ２の制御が行われる（ステップＳ６）。このようにして、いずれかの開度操作量により圧力制御バルブ２の制御が行われ、１制御サイクルの制御が完了する（ステップＳ７）。

なお、次の制御サイクルが開始されると、再びステップＳ３〜ステップＳ７の動作が繰り返されることになる。

ここで、初期状態から略目標応答時間が経過するまでの間、すなわち、過渡状態における圧力制御装置１００の動作についてさらに詳述する。初期状態から定常状態となるまでの間は、設定圧力値と測定圧力値の偏差が大きいため、前記開度操作量出力部３１から偏差をＰＩＤ演算して出力される開度操作量もその値が大きく、前記リミッタ部３２において設定された上限値を略常に超えた状態となる。

従って、圧力制御開始時から略目標応答時間が経過するまでの間の偏差が大きい期間においては実質的にリミッタ部３２が設定圧力値ごとに設定する上限値での圧力制御バルブ２の開度制御が継続することになる。

一方、過渡応答状態において定常状態に近づいた終端部分や定常状態においては設定圧力値と測定圧力値の偏差は非常に小さなものとなるため、前記開度操作量出力部３１が出力する開度操作量は上限値よりも小さくなり、偏差に応じた制御が応答性よく継続されることになる。

＜効果＞
このように構成された第１実施形態の圧力制御装置１００によれば、前記リミッタ部３２が各設定圧力値に応じた開度操作量の上限値を設定しているので、前記開度操作量出力部３１に設定されるＰＩＤ係数が高い値に設定していても、過渡状態のような偏差が大きい状態でも開度操作量が設定圧力値に応じた上限値で制限され、必要以上の開度に圧力制御バルブ２が制御されることがない。従って、どのような設定圧力値であってもＰＩＤ係数が高いハイゲインの状態でオーバーシュートやリンギングを抑制することができる。

さらに、過渡状態におけるオーバーシュートやリンギングを考慮してＰＩＤ係数を小さい値に抑える必要がないため、定常状態においては応答性を良くするとともに外乱に対しても強い制御系にすることができる。

加えて、前記開度操作量出力部３１におけるＰＩＤ係数を設定圧力値によらず固定しておくことができるので、例えば設定圧力値に応じてＰＩＤ係数を適宜変更するような制御系と比べてシンプルなものにすることができコストを低減しやすい。

また、前記リミッタ部３２において設定される各設定圧力値に対する開度操作量の上限値は、目標応答時間ｔｒと、チャンバー５の容積Ｖと、設定圧力値とから求められる設定圧力値となるのに必要な流体の流量Ｑと対応する圧力制御バルブ２の開度操作量に設定してあるので、図７に示すように設定圧力値に関わらず、初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間を略目標応答時間ｔｒで揃えることができる。

より具体的には、設定圧力値として大きい順にＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３があった場合、式２から図４に示すように目標応答時間ｔｒで設定圧力値に到達するために、前記チャンバー５に充填するべき流量Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３が算出され、この流量Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３に対応した前記圧力制御バルブ２への開度操作量ＭＶ_１、ＭＶ_２、ＭＶ_３が図３のバルブ特性図から選択されて上限値ＭＶ_１、ＭＶ_２、ＭＶ_３として設定される。従って、チャンバー５の容積Ｖ及び圧力制御バルブ２のバルブ特性の非線形性が上限値に反映されることになる。さらに、各設定圧力値Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３が設定された場合、偏差の大きい過渡状態においては開度操作量の上限値ＭＶ_１、ＭＶ_２、ＭＶ_３で継続して圧力制御バルブ２の開度が制御されることになる。これらのことから、式２の逆算から明らかなように、いずれの設定圧力値においても初期状態から定常状態に至るまでにかかる時間は目標応答時間ｔｒとなり、設定圧力値によらず過渡状態の継続する時間を揃えることができる。

＜変形例＞
第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態では、圧力制御バルブ２のバルブ特性の非線形性まで反映させた形で、開度操作量の上限値を設定していたが、要求される精度によっては図８のグラフに示すように前記リミッタ部３２が設定圧力値に比例して開度操作量の上限値を設定するように構成しても構わない。このようなものであれば、さらに簡単な構成で制御系を構成するとともに、オーバーシュートやリンギングの抑制効果も期待できる。

さらに、前記リミッタ部３２が設定圧力値に応じて設定した上限値（リミット値）を、前記圧力制御バルブ２の上流側の圧力と下流側の圧力の差圧に応じて補正するように構成してもよい。より具体的には、前記圧力制御バルブ２の上流側に初段圧力センサ（図示しない）を設けておき、前記初段圧力センサの測定圧力値と、前記圧力センサ１の測定圧力値の差圧値を前記リミッタ部が受け付けるように構成し、差圧値の大きさに応じて補正量を変更すればよい。すなわち、前記リミッタ部が、差圧が大きい場合には開度操作量の上限値を通常よりも小さくなるように補正するとともに、差圧が小さい場合には開度操作量の上限値を通常よりも大きくなるように補正するよう構成してあればよい。このようなものであれば、前記圧力制御バルブ２の上流側と下流側の圧力状態による流体の流れやすさも勘案した上限値を設定して、圧力制御の応答性と安定性をより両立させやすくなる。

次に第２実施形態について説明する。

本発明の第２実施形態に係る流量制御装置２００は、図９に示すように上流側から流量制御バルブ２と、上流側圧力センサ１１と、圧力損失を生じるためのオリフィス等の流体抵抗１２と、下流側圧力センサ１３とを備えたものである。そして、前記上流側圧力センサ１１、流体抵抗１２、下流側圧力センサ１３は、例えばハーゲン・ポワズイユの式等に基づいて測定流量値を出力する流量センサＦを構成するものであり、前記流量制御装置２００は、前記流量センサＦで測定される測定流量値が設定流量値となるように前記流量制御バルブ２を制御するバルブ制御部３をさらに備えたものである。

この第２実施形態では、前記下流側圧力センサ１３の下流には真空源であるポンプに接続されており、前記流体抵抗１２の下流側の圧力は略真空で一定に保たれている。従って、前記流量センサＦから出力される測定流量値は前記上流側圧力センサ１１で出力される測定圧力値のみで略決定されることになる。

従って、第２実施形態における流量制御装置２００は、図９において想像線で示している部分において前記流体抵抗１２の上流側の測定圧力値を設定流量値に対応する設定圧力値に制御することで目標の設定流量値に制御する圧力制御装置としても捉えることもできる。このため、後述するバルブ制御部の構成がない場合には従来の圧力制御装置で生じていた問題と同様に、設定流量値が大きい場合においても応答時間を短縮できるようにＰＩＤ係数を大きく設定した場合に、小さい値の設定流量値が設定された場合に、リンギングやオーバーシュートが生じることがある。

第２実施形態のバルブ制御部３は、第１実施形態のバルブ制御部３においてフィードバックに用いている値が圧力値であったところを流量値に対応させて変更したものである。

具体的には、前記バルブ制御部３が、測定流量値と設定流量値に基づいて前記流量制御バルブ２の開度操作量を出力する開度操作量出力部３１と、開度操作量の上限値（リミット値）を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部３１から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記流量制御バルブ２を上限値の開度操作量で制御するリミッタ部３２とを備え、前記リミッタ部３２が、開度操作量の上限値を設定流量値に応じて設定することを特徴とする。

このようなものであれば、圧力ベースの流量制御においても第１実施形態の圧力制御の場合と同様に、設定流量値の大小にかかわらず、初期状態から定常状態となるまでの応答時間を目標応答時間で揃えることができるとともに、オーバーシュートやリンギングを生じないようにすることができる。

第２実施形態の変形実施形態について説明する。

第２実施形態においては、流体抵抗１２の下流側の圧力が略一定に保たれており、流体抵抗１２の上流側の圧力が流量制御中において支配的になる例を示したが、本発明は流体抵抗１２の下流側の圧力が変動する場合に適用することができ、第２実施形態における効果と略同様の効果を得ることができる。

また、第２実施形態において流量センサＦは、上流側圧力センサ１１、オリフィスからなる流体抵抗１２、下流側圧力センサ１３から構成してあるが、上流側流量センサ１１と、流体抵抗１２として音速ノズルのみで構成されたものであっても構わない。加えて、音速ノズルを流体抵抗１２として用いる場合でも、さらに下流側圧力センサ１３を設けても構わない。このようなものであって、同様に好ましい流量制御を行うことができる。

その他の実施形態について説明する。

前記第１実施形態及び前記第２実施形態においては、バルブよりも下流側に圧力センサが設けられていたが、この順番は特に限定されるものではなく、例えば、上流側から圧力センサ、バルブの順番で配置してあるものであっても構わない。

前記リミッタ部が設定する開度操作量の上限値は少なくとも設定圧力値に応じて変化するものであればよく、場合によっては圧力制御バルブの下流側の容積については反映しなくてもよい。

また、前記リミッタ部が設定する開度操作量のリミット値は上限値だけではなく、下限値であっても構わない。例えば、圧力制御装置によって所定の圧力値から圧力降下させる場合において、前記リミッタ部が設定圧力値に応じて開度操作量の下限値を設定することにより、初期状態から定常状態となるまでの応答時間を設定圧力値によらずに揃えるとともに、アンダーシュートやリンギングが生じないようにすることができる。

さらに、第１実施形態では初期状態の圧力がゼロの状態から設定圧力値まで圧力上昇させる場合を示していたが、初期状態において所定の初期圧力値に保たれている状態から設定圧力値まで圧力上昇させるために本発明の圧力制御装置を用いても構わない。

この場合、前記リミッタ部が設定する上限値については、式１及び式２において用いている圧力の値を、設定圧力値から初期圧力値を引いた値として圧力上昇に必要な流体の流量値を算出し、その必要な流量値に応じた圧力制御バルブの開度操作量を上限値として設定するようにすればよい。加えて、上限値を定めるための算出式は第１実施形態に示したものに限られるものではなく、例えば規格化された流量と圧力の関係式等に基づいて算出するようにしても構わない。さらに、開度操作量の上限値は過渡状態の略全域において前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が上限値を超えるように設定してもよいし、過渡状態の一部の領域においてのみ上限値を超えるように設定してもよい。また、開度操作量の上限値は設定圧力の全範囲において前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が上限値を超えるように設定してもよいし、設定圧力値の一部の領域においてのみ上限値を超えるように設定してもよい。すなわち、目標応答時間や求められる過渡状態における応答特性に適した開度操作量の上限値を前記リミッタ部が設定するように構成すればよい。

前記開度操作量出力部においてはＰＩＤ制御以外の例えばＰＩ制御等のその他の制御方式を用いてもよく、特に限定されるものではない。要するに設定圧力値と測定圧力値の偏差に基づいて開度操作量を出力するものであればよい。前記各実施形態においては、前記開度操作量出力部は制御バルブの開度の絶対値に対応する値を直接算出し、前記リミッタ部に出力するように構成してあるが、例えば前記開度操作量出力部が、偏差に基づいて現時点の開度からの変化量を算出するものである場合には、現在の開度と変化量を足し合わせたものを前記リミッタ部に出力するように構成すればよい。すなわち、開度操作量がアブソリュートで出力される場合には前記リミッタ部にそのまま入力し、インクリメンタルとして開度の変化量が出力される場合には、現時点の開度と変化量を足して絶対的な値とし、その値がリミット値により規定される許容範囲内にあるかどうかを前記リミッタ部が判別するようにすればよい。

例えば既存の圧力制御装置に本発明と同等の圧力制御機能を後付けで付加したい場合には、前記バルブ制御部としての機能を実現するプログラムをインストールすればよい。

本発明によれば、圧力制御や流量制御において流路中に所定体積が形成された部分があり、この所定体積に対して流体を充填するのに時間がかかる、又は、流体を流出させるのに時間がかかるために、単純にゲインを大きくして応答性を良くしようとすると、制御の安定性が損なわれてしまう過渡応答状態についても応答特性を改善することができる。従って、特に過渡応答に関する要求が厳しい圧力制御装置や流量制御装置について好適に用いることができる。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００：圧力制御装置
１：圧力センサ
２：圧力制御バルブ
３：バルブ制御部
３１：開度操作量出力部
３２：リミッタ部
４：流量センサ
５：チャンバー
６：真空ポンプ
７：流路

Claims

流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、
前記流路に設けられた圧力制御バルブと、
前記圧力センサで測定される測定圧力値が、設定圧力値となるように前記圧力制御バルブを制御するバルブ制御部とを備えており、
前記バルブ制御部が、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、
開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記圧力制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、
前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定圧力値に応じて設定することを特徴とする圧力制御装置。
前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値として上限値を設定するように構成されており、
前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が上限値以下の場合には、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量で前記圧力制御バルブを制御するように構成されている請求項１記載の圧力制御装置。
前記リミッタ部が、設定圧力値が大きいほど開度操作量の上限値を大きく設定するように構成されている請求項２記載の圧力制御装置。
前記リミッタ部が、圧力制御開始時から目標時間経過後に前記圧力制御バルブの下流側の容積における圧力が設定圧力値となるのに必要な流量値に対応する開度操作量を上限値に設定するように構成されている請求項２又は３に記載の圧力制御装置。
流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた圧力制御バルブとを備えた圧力制御装置に用いられるプログラムであって、
前記圧力センサで測定される測定圧力値が、設定圧力値となるように前記圧力制御バルブを制御するバルブ制御部を備えており、
前記バルブ制御部が、測定圧力値と設定圧力値に基づいて前記圧力制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、
開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記圧力制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、
前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定圧力値に応じて設定することを特徴とする圧力制御装置用プログラム。
流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、
前記流路に設けられた流量制御バルブと、
前記圧力センサで測定される測定圧力値に基づいて算出される測定流量値が、設定流量値となるように前記流量制御バルブを制御するバルブ制御部とを備えており、
前記バルブ制御部が、測定流量値と設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、
開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記流量制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、
前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定流量値に応じて設定することを特徴とする流量制御装置。
流路を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、前記流路に設けられた流量制御バルブとを備えた流量制御装置に用いられるプログラムであって、
前記圧力センサで測定される測定圧力値に基づいて算出される測定流量値が、設定流量値となるように前記流量制御バルブを制御するバルブ制御部を備えており、
前記バルブ制御部が、測定流量値と設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの開度操作量を出力する開度操作量出力部と、
開度操作量のリミット値を設定して開度操作量の許容範囲を設定し、前記開度操作量出力部から出力される開度操作量が許容範囲外の値の場合には前記流量制御バルブをリミット値の開度操作量で制御するリミッタ部とを備え、
前記リミッタ部が、開度操作量のリミット値を設定流量値に応じて設定することを特徴とする流量制御装置用プログラム。