JP2018097759A - 流量制御装置、及び、流量制御装置用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】特に目標流量が立ち下がるような過渡応答状態でも高速応答が可能な流量制御装置を提供する。【解決手段】開度を測定するポジションセンサ２４を具備し、流体の流れる流路Ｌに設けられたバルブ２と、前記バルブ２よりも上流側に設けられ、リストリクタ１１を具備する流量センサ１と、前記リストリクタ１１よりも下流側であり、かつ、前記バルブ２よりも上流側に設けられた第１圧力センサＰ１と、前記バルブ２の下流側に設けられた第２圧力センサＰ２と、少なくとも前記バルブ２の開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部３と、前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブ２の開度を制御するバルブ制御部６と、を備えた。【選択図】図1

Description

本発明は、流量センサを構成するための流体抵抗素子を備えた流量制御装置に関するものである。

近年の半導体製造プロセスにおいて成分ガス等の流量を制御するために用いられるマスフローコントローラには、目標流量が立ち上がる場合、又は、立ち下がる場合といった過渡状態での応答を高速化することが求められる。

従来、このような要求に応えるために例えばマスフローコントローラの内部流路の体積をできる限り小さくすることが行われている。

しかしながら、マスフローコントローラの内部流路の小容積化は現状ではほぼ限界に達しており、特に目標流量が立ち下がる場合におけるガスの流量の応答速度について要求水準を満たすことは難しくなっている。

ところで本願発明者はこのような問題を鋭意検討したところ、従来のマスフローコントローラには以下のような構造的な問題があることを見出した。

すなわち、特許文献１に示されるような半導体製造プロセスに用いられるマスフローコントローラは、バルブの下流側に圧力式の流量センサが設けられている。この流量センサは流量算出に必要な差圧を得るためにオリフィスや層流素子といった流体抵抗素子を備えている。このため、目標流量が立ち下がる場合にはこの流体抵抗素子はバルブを通過したガスが流れるのを阻害し、流体抵抗素子の上流側にガスが貯まることになる。したがって、バルブの開度が大きくなっても下流側へと流れる流量は大きくなりにくく、立ち下がり時にはガスの流量が所望の応答速度で低下させることができていない。

特開2015-109022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、特に目標流量が立ち下がるような過渡状態でも高速応答が可能な流量制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る流量制御装置は、開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備え、前記バルブ制御部が、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記流体抵抗素子は前記バルブの上流側に設けられているので前記バルブを通過した後の流体は当該流体抵抗素子を通過しない。したがって、前記流体抵抗素子は流量を低下させる際の流れを阻害することにはならないので前記バルブの開度をそのまま流量の変化へ反映させることができる。

さらに前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記流量センサから出力される第１流量よりも応答速度の速い前記バルブ制御部は前記特性マップを参照して算出される前記第２流量により前記バルブを制御するので、短時間で目標流量を実現するのに必要な開度へ変化させることができる。

これらの２つの相乗効果によって特に目標流量の立ち下がり時での応答速度を高速にすることができる。

前記ポジションセンサで測定される測定開度に基づいて特性マップを参照して算出される第２流量の長期の再現性を実現でき、常に過渡状態の応答を高速化できるようにするには、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合に、前記流量センサで測定される第１流量、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、及び、前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて前記特性マップ記憶部に記憶されている特性マップを更新する特性マップ更新部をさらに備えたものであればよい。

流体の温度による流制制御への影響を加味することができ、過渡状態における応答速度をさらに向上させ、流量制御の精度も高められるようにするには、前前記特性マップが、前記流体の温度、前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量の関係を示すものであればよい。

前記バルブの下流側の圧力である第２圧力を正確に得られるようにして、より目標流量と実際の流量との誤差を小さくできるようにするには、前記バルブの下流側に設けられた第２圧力センサをさらに備え、前記第２流量算出部が、前記ポジションセンサで測定されている測定開度、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、及び、前記第２圧力センサで測定されている第２圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出するように構成されていればよい。

前記バルブの下流側における第２圧力の変化と、当該バルブを通過する流量との間をの関係を正確に前記特性マップに反映させ、実際の流量の再現性をさらに高められるようにするには、前記特性マップ更新部が、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合に、前記流量センサで測定されている第１流量、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、前記第２圧力センサで測定されている第２圧力、及び、前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて前記特性マップ記憶部に記憶されている特性マップを更新するように構成されていればよい。

応答速度や流量制御の精度を高いものにしやすくするには、前記流量センサが、前記流体抵抗素子の上流側に設けられた上流側圧力センサと、前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて第１流量を算出する第１流量算出部とをさらに備えたものであればよい。このような圧力式の流量センサであれば測定流量の応答速度が速いのでその分流量制御の応答速度も向上させやすい。

従来からある流量制御装置の特性マップを利用しやすい具体的な態様としては、前記流量センサが、前記流体抵抗素子の上流側から分岐し、当該流体抵抗素子の下流側へ合流する分岐管と、前記分岐管に設けられた一対の巻線抵抗と、前記一対の巻線抵抗の出力に基づいて第１流量を算出する第１流量算出部とをさらに備えたものが挙げられる。

本発明に係る流量制御装置は、開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブよりも下流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備え、前記バルブ制御部が、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されており、前記流量センサが、前記流体抵抗素子が設けられた高抵抗流路と、前記高抵抗流路と並列に設けられ、末端で前記高抵抗流路と合流する低抵抗流路と、前記高抵抗流路又は前記低抵抗流路のいずれか一方に流体が流れるように流路を切り替える切替弁とをさらに備え、前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記切替弁が前記低抵抗流路に流体を流すように構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、目標流量が立ち上がる、あるいは、立ち下がるような過渡状態では前記バルブを通過した流体が前記流体抵抗素子を通過しないようにできるので、当該流体抵抗素子に流れが阻害されて滞留することがなく、応答を高速化できる。

状態判定部、及び、第２流量算出部を備えていなくても、バルブの前後の差圧と目標流量から設定すべきバルブの目標開度を算出して、当該目標開度と前記バルブに設けられているポジションセンサが示す測定開度が一致するように制御することで、過渡状態から瞬時に安定状態での開度まで変更して応答速度を高められるようにするには、開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備する流量センサと、前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記バルブの下流側に設けられた第２圧力センサと、少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブの開度を制御する開度制御部と、を備え、前記開度制御部が、目標流量が過渡状態である場合には受け付けつけている目標流量、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから目標開度を決定し、前記ポジションセンサで測定される測定開度が前記目標開度となるように前記バルブの開度を制御することを特徴とする流量制御装置であればよい。

既存の流量制御装置において、本発明と同様に過渡状態であっても短時間で目標流量を実現するのに必要な開度へ変化させ、応答速度を速くできるようにするには、開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、を備えた流量制御装置用プログラムであって、少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記バルブ制御部が、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されていることを特徴とする流量制御装置用プログラムを既存の流量制御装置にインストールすればよい。なお、流量制御装置用プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ，フラッシュメモリ等のプログラム記憶媒体に記憶されたものであってもよい。

このように本発明に係る流量制御装置によれば、目標流量が立ち上がる、あるいは立ち下がるような過渡状態においてバルブを通過した流体が流体抵抗素子を通過しないようにでき、かつ、応答速度の速い第２流量によるバルブの制御によって当該バルブの開度を目標開度へすぐに変更できる。したがって、目標流量の立ち上がり時や立ち下がり時においても高速で流体の流量を目標値へ追従させることができる。

本発明の第１実施形態に係る流量制御装置の過渡状態での制御モードを示す模式図。 第１実施形態の流量制御装置におけるバルブの構造を示す模式図。 第１実施形態の流量制御装置における特性マップの例を示す模式図。 第１実施形態の流量制御装置における安定状態の制御モードを示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る流量制御装置の過渡状態の制御モードを示す模式図。 第２実施形態の流量制御装置における安定状態の制御モードを示す模式図。 本発明の第３実施形態に係る流量制御装置の過渡状態の制御モードを示す模式図。 第３実施形態の流量制御装置における安定状態の制御モードを示す模式図。 本発明の第４実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。

本発明の第１実施形態に係る流量制御装置について図１乃至図４を参照しながら説明する。

第１実施形態の流量制御装置は半導体製造プロセスにおいてチャンバ内に成分ガスを目標流量で流すために用いられるものである。このマスフローコントローラ１００は、例えば目標流量としてステップ関数が入力される。すなわち、目標流量は所定時間内に流量が所定値以上増加する立ち上がりと、ある流量で長期間保たれている一定流量期間と、所定時間内に流量が所定値以上減少する立ち下がりを含むものである。このマスフローコントローラ１００は、流体制御機器と各流体制御機器の出力に基づいた演算及び制御を司る制御ボードＣとが一体となりパッケージ化されたものである。また、このマスフローコントローラ１００は、過渡状態と安定状態において図１及び図４に示すように流量制御モードを異ならせてある。

図１に示すように前記マスフローコントローラ１００は流体制御機器として、図示しないブロック体内に形成された内部流路Ｌと、前記内部流路Ｌに対して設けられたフィルタＦ、流量センサ１、バルブ２、第２圧力センサＰ２と、を備えている。

各部について説明する。

前記フィルタＦは最も上流に設けてあり、流体中のゴミなどがチャンバへ流入しないようにするためものである。

前記流量センサ１は圧力式であり、前記バルブ２よりも上流側に設けてある。この流量センサ１は上流側圧力センサＰ０、流体抵抗素子たるリストリクタ１１、第１圧力センサＰ１が上流側から順番に設けてある。前記第１圧力センサＰ１は前記リストリクタ１１の前後の差圧から流量を算出するために用いるとともに、前記バルブ２の前後の差圧を測定するためにも用いている。すなわち、前記リストリクタ１１と前記バルブ２の間に設けてある前記第１圧力センサＰ１は２つの測定目的で共用することで圧力センサの設置数を１つ減らしてある。さらに、この流量センサ１は前記制御モードの演算機能により構成された第１流量算出部１２を備えている。この第１流量算出部１２は、前記上流側圧力センサＰ０と前記第１圧力センサＰ１で測定される圧力に基づいて流量に換算する。

前記バルブ２は、図２に示すように開度を測定するためのポジションセンサ２４を内蔵したものである。前記ポジションセンサ２４は弁座２２に対する弁体２１の変位について弁体２１を移動させるプランジャ２３の変位から間接的に測定するものである。このポジションセンサ２４はプランジャ２３に固定された金属製のターゲット２５と、前記ターゲット２５と対向するセンサ体２６とを備えている。前記ポジションセンサ２４は前記ターゲット２５と前記センサ体２６との離間距離が変化することにより生じる静電容量の変化を前記センサ体２６で検知し、開度へと変換している。なお、ポジションセンサ２４については静電容量式の変位センサに限られず、渦電流式の変位センサであってもよいし、弁体２１を直接測定するものであってもよい。また、プランジャ２３を駆動するピエゾアクチュエータ等の変位を測定するものであってもよい。

前記第２圧力センサＰ２は前記バルブ２の下流側に設けてある。なお、上流側圧力センサＰ０、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２はそれぞれ同じ形式のものを用いている。なお、各圧力センサＰ０、Ｐ１、Ｐ２についてはそれぞれ異なる形式のものを用いても構わない。

前記制御ボードＣは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段、ディスプレイ等を備えたコンピュータであって、前記メモリの所定領域に格納されている流量制御装置用プログラムが実行されて各種機器と協業することにより前記第１流量算出部１２、特性マップ記憶部３、第２流量算出部４、状態判定部５、バルブ制御部６、マップ更新部７としての機能を発揮するものである。前述した第１流量算出部１２以外の各部について詳述する。

前記特性マップ記憶部３は、図３に示すように前記バルブ２の開度、前記バルブ２の前後の差圧、流体の温度、及び、前記流路Ｌを流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶するものである。言い換えると、差圧、温度、開度を入力変数、流量を出力変数とする関数でもある。この特性マップは例えば工場出荷時の試験によって実測データに基づいて作成される。より具体的にはバルブ２をある開度にした時の前記第１圧力センサＰ１、及び、前記第２圧力センサＰ２で測定される第１圧力、第２圧力、流体の温度、前記流量センサ１で測定される測定流量を対にして記憶させてある。図３に示されるように動作範囲内において所定点数だけ実測し、実測されているデータについては補間により算出できるようにしてある。

前記第２流量算出部４は、現時点において前記ポジションセンサ２４で測定されている測定開度、前記第１圧力センサＰ１で測定されている第１圧力、及び、前記第２圧力センサＰ２で測定されている第２圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する。すなわち、前記特性マップ記憶部３から特性マップを読み出し、現時点での測定開度、第１圧力、第２圧力を関数に入力して対応する第２流量を得る。なお、第２流量算出部４は流量センサ１とともに常時流量を算出し続けるようにしてある。この第２流量算出部４が算出する第２流量は、リストリクタ１１による圧力降下を利用せずに算出されるものであるので、流量センサ１よりも時間遅れが小さく、前記バルブ２を通過している実際の流量を実質的に同時に表すことができる。

前記状態判定部５は、前記流量センサ１から出力される第１流量、又は、前記第２流量算出部２が算出する第２流量に基づいて、流路Ｌを流れる流体の状態が安定状態であるか過渡状態であるかを判定するものである。ここで、安定状態とは流路Ｌを流れる流体の流量がほぼ一定流量で保たれていることを言う。過渡状態とは流路Ｌを流れる流体の流量が所定値以上変化している状態を言う。この状態判定部５は判定結果に応じて図１と図４に示すようにこのマスフローコントローラ１００の制御モードは変更する。安定状態ではないと判定されている間、すなわち、前記状態判定部５は過渡状態であると判定している間は図１に示すように特性マップを参照して得られる応答速度の速い第２流量を前記バルブ制御部６へ入力する。また、前記状態判定部５は、過渡状態であると判定している間は例えば現在の流量値として第２流量が外部出力し、ディスプレイに表示させる。このようにしてマスフローコントローラ１００は、過渡状態においてはポジションセンサ２４の出力に基づいた流量制御モードを実行する。

一方、安定状態であると判定されている場合には図４に示すように前記状態判定部５は流量センサ１からの出力である第１流量を前記バルブ制御部６と前記マップ更新部７へと入力する。また、前記状態判定部５は、安定状態であると判定している間は例えば現在の流量値として第１流量が外部出力し、ディスプレイに表示させる。このようにしてマスフローコントローラ１００は、安定状態においてはリストリクタ１１において生じる圧力差から算出される第１流量に基づいた流量制御モードを実行する。

流路Ｌを流れる流体の流量が過渡状態か安定状態のいずれであるかは、一定目標流量が入力されている状態において測定流量がある一定期間所定の誤差範囲内で追従しているかどうかで判定が行われるようにしてある。例えば所定時間内において一定目標流量に対して第１流量又は第２流量が例えば５％以内の誤差で追従している場合には安定状態であると判定される。逆に５％以上の誤差が発生している場合には過渡状態であると判定される。なお、より厳しい基準として第１流量又は第２流量が２％以内の誤差で一定目標流量に対して所定時間追従している場合に安定状態であると前記状態判定部５が判定するように構成してもよい。また、第１流量又は第２流量を判断基準にするのではなく、例えば目標流量において不連続点がある時点から所定時間を過渡状態と判定し、所定時間経過後は安定状態であると判定するように前記状態判定部５を構成してもよい。

前記バルブ制御部６は、図１及び図４に示すように過渡状態と安定状態においてその動作が異なるようにしてある。前記バルブ制御部６は図１に示す過渡状態での制御モードでは特性マップを参照して得られる第２流量に基づいた開度制御を行うようにしてある。すなわち、目標流量が立ち上がる場合、又は、立ち下がり過渡状態となっている場合には、前記バルブ制御部６は受け付けている目標流量と、第２流量とに基づいて前記バルブ２への印加電圧のフィードバック制御を行う。すなわち、過渡状態では第１流量は算出されているが、前記バルブ２の開度制御のためには使用されない状態となる。

一方、図４に示すように安定状態での制御モードでは前記流量センサ１で測定される第１流量が前記バルブ制御部６にフィードバックされて、目標流量と第１流量とに基づいて印加電圧のフィードバック制御が行われる。すなわち、第２流量は算出されているが、前記バルブ２の開度制御のためには使用されない状態となる。

前記特性マップ更新部７は、図４に示す安定状態での制御モードにおいて測定されている第１流量、第１圧力、第２圧力、温度、開度に基づいて特性マップを更新する。例えば特性マップ更新部７は第１流量算出部１２に入力されている各時刻において第１圧力、第２圧力、温度を前記特性マップ記憶部３の一時メモリに逐次記憶させており、安定状態において前記特性マップ更新部７に第１流量が入力されている場合にそれらの値を特性マップの値として更新する。すなわち、安定状態での制御モードで達成されている状態量の１点が図３の特性マップにおいて書き換えられる。

このように構成された第１実施形態のマスフローコントローラ１００によれば、前記バルブ２よりも上流側にリストリクタ１１を有する流量センサ１が設けてあるので、目標流量が立ち下がる場合にも前記バルブ２を通過した流体の流れが前記リストリクタ１１で阻害されることがない。すなわち、前記バルブ２の開度が小さくなるとすぐに流体の流量も小さくすることができる。

また、過渡状態での制御モードではリストリクタ１１の前後の圧力に基づいて算出されるために流量変化時に時間遅れが発生する第１流量ではなく、ポジションセンサ２４の測定開度とバルブ２の前後の差圧と温度と特性マップに基づいて算出され、実際に変化している流量に対して時間遅れが発生しにくい第２流量がバルブ２の制御に用いられる。このため、目標流量が大きく変化する場合でも目標流量が達成される開度へ即時に変更できる。

これらのことから立ち下がり時においても短時間で目標流量を実現できる。また、立ち上がり時においてもほぼ同様であるので過渡状態における流量制御の応答速度を従来よりも向上させることができる。

また、前記特性マップ更新部７により逐次特性マップが更新されていくので、例えばバルブ２の印加電圧と開度との間にヒステリシスが存在し、経時変化が生じやすいものであったとしても常に目標流量を正確に実現することができる。すなわち、ポジションセンサ２４から出力に基づいたバルブ制御でありながら、長期間にわたって流量制御の再現性を保障できる。

次に本発明の第２実施形態に係るマスフローコントローラ１００について図５及び図６を参照しながら説明する。

図５及び図６に示すように第２実施形態のマスフローコントローラ１００は、第１実施形態における圧力式の流量センサ１の代わりに熱式の流量センサ１を用いている点で異なっている。この熱式の流量センサ１も前記バルブ２の上流側に配置してあり、熱式の流量センサ１が具備する流体抵抗素子である分流素子１１が前記バルブ２の上流側に配置されるようにしてある。また、図５及び図６の機能ブロックに示されるように過渡状態における制御モード、安定状態における制御モードの構成、及び、動作は同じものにしてある。

熱式の前記流量センサ１について詳述すると、前記流量センサ１は、前記分流素子１１の上流側から分岐し、当該分流素子１１の下流側へ合流する分岐管１３と、前記分岐管１３に設けられた一対の巻線抵抗１４と、前記一対の巻線抵抗１４の出力に基づいて流量を算出する第１流量算出部１２と、を備えている。なお、熱式の流量センサ１は圧力センサを備えていないので前記バルブ２の前後の差圧を測定するために第１圧力センサＰ１が熱式の流量センサ１と前記バルブ２との間に設けてある。

前記分岐管１３は金属製の細管であり、この細管の外側に温度センサ兼ヒータの役割を果たす一対の巻線抵抗１４が設けてある。各巻線抵抗１４の温度を一定に保つようにそれぞれの印加電圧は制御され、その時の電圧に基づいて前記第１流量算出部１２は流量を算出する。なお、印加電圧を一定にして各巻線抵抗１４の温度の違いに基づき流量を算出するように第１流量算出部１２を構成しても構わない。

このような第２実施形態のマスフローコントローラ１００であれば、第１実施形態と同様の効果を得られる。すなわち、熱式の流量センサ１が具備する分流素子１１の下流側にバルブ２が設けてあるので、目標流量がステップ状に変化しており、流量が過渡状態となる間でも分流素子１１はバルブ２を通過する流体の流れを阻害しない。また、図５に示されるように過渡状態においてはポジションセンサ２４の測定開度、第１圧力、第２圧力、温度に基づいて特性マップを参照して算出される第２流量がフィードバックされてバルブ制御部６はバルブ２の開度制御を行うので時間遅れが発生しにくい。これらのことから目標流量におけるステップ状の変化に対してバルブ２を通過する実際の流量を短時間で追従させることができる。

さらに図６に示されるように安定状態における制御では熱式の流量センサ１で測定される第１流量に基づいたバルブ２の制御が実行されるとともに流量センサ１で測定される第１流量とその時点で第１圧力、第２圧力、温度で特性マップを更新する。したがって、バルブ２にヒステリシスが発生していても長期に亘って第２流量の正確さを担保することが可能となる。また、ヒステリシス以外の要因により誤差が発生したとしても特性マップが更新されることにより、常に正確な第２流量を算出する事が可能となる。

次に第３実施形態のマスフローコントローラ１００について図７及び図８を参照しながら説明する。第３実施形態のマスフローコントローラ１００は、第１実施形態と比較してバルブ２に対する圧力式の流量センサ１の配置、及び、構成が異なっている。

より具体的には圧力式の流量センサ１が前記バルブ２の下流側に設けてあるとともに、前記流量センサ１内においてリストリクタ１１が設けられている高抵抗流路１５と、リストリクタ１１の設けられていない中空配管のみで形成された低抵抗流路１６の何れか一方にのみ流体を流されるように構成してある。すなわち、第３実施形態の流量センサ１は前記バルブ２の下流側に設けられた第２圧力センサＰ２と、前記第２圧力センサＰ２の下流側に設けられた切替弁である三方弁１７と、前記三方弁１７の２つの出口にそれぞれ接続された前記高抵抗流路１５及び前記低抵抗流路１６と、低抵抗流路１６に対して高抵抗流路１５が合流している地点よりも下流側に設けられた下流側圧力センサＰ３と、を備えている。この流量センサ１は状態判定部６が過渡状態であると判定している場合の制御モードでは図７に示されるように前記低抵抗流路１６に流体が流され、前記状態判定部６が安定状態であると判定している制御モードでは図８に示されるように前記高抵抗流路１５に流体が流されるように三方弁１７の切り替えが行われる。このため前記流量センサ１は高抵抗流路１５に流体が流れリストリクタ１１の作用により差圧が発生する場合にのみ流量が測定可能となる。この場合には第１流量算出部１２は第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力と、前記下流側圧力センサＰ３で測定される下流側圧力に基づいて測定流量を算出する。

一方、過渡状態では低抵抗流路１６に流体が流すことで、流体がリストリクタ１１を経由して下流側に流れるのを阻害されないようにしてある。このようにして過渡状態における流量制御の応答速度を向上させてある。なお、低抵抗流路１６に流体が流れている間は差圧が発生しないため前記第１流量算出部１２は流量を算出できない。このため第２流量算出部４が特性マップ記憶部３に記憶されている特性マップに対して現時点での測定開度、第１圧力、第２圧力、温度を入力して得られる第２流量に基づいてバルブ制御部７によるバルブ２の開度制御が行われる。図７及び図８の機能ブロック図に示すようにその他の制御態様については第１実施形態と同様にしてある。

このような第３実施形態のマスフローコントローラ１００であれば、流量センサ１をバルブ２の下流側に配置しても目標流量が立ち下がる場合に流体がリストリクタ１１を迂回して流れるようにすることで流量制御の応答速度を向上させることができる。また、リストリクタ１１での差圧による流量が算出できない過渡状態の間はバルブ２の前後の差圧、温度、測定開度に基づいて特性マップから算出される第２流量でバルブ２の制御を継続できる。さらに安定状態において特性マップは流量センサ１で測定される第１流量とその時の特性パラメータである測定開度、第２圧力、下流側圧力に基づいて更新されるので、バルブ２のヒステリシスにより特性マップに変化が生じても適宜補正されていくので、測定開度に基づいて算出される第２流量の正確さを長期間に亘って保証することができる。

次に第４実施形態のマスフローコントローラ１００について図９を参照しながら説明する。第４実施形態のマスフローコントローラ１００は、目標流量が変化している過渡状態においてバルブ２の前後の差圧と最終的な目標流量に基づいて特性マップ記憶部３に記憶されている特性マップを参照し、達成されるべきバルブ２の開度を取得し、ポジションセンサ２４で測定される測定開度が取得された開度となるように制御するものである。具体的には第４実施形態のマスフローコントローラ１００は、前記各実施形態のバルブ制御部５の代わりに開度制御部５１を備えている。この開度制御部５１は、受け付けている目標流量、と第１圧力センサＰ１で測定されている第１圧力と、第２圧力センサＰ２で測定されている第２圧力とに基づいて前記特性マップから対応する目標開度を決定する。この目標開度は過去の制御実績において流路Ｌを流れる流体が第１圧力と第２圧力の差圧が前記バルブ２の前後で発生している状態において目標流量が実現されたときに当該バルブ２で達成されていた開度と同じものである。

さらに前記開度制御部５１が、前記ポジションセンサ２４で測定される測定開度が特性マップから取得された前記目標開度となるように前記バルブ２への印加電圧を変化させてその開度を制御する。この開度制御部５１は、測定流量と目標流量との偏差に基づくフィードバック制御ではなく、最初から達成すべき目標開度へ実際の開度をフィードフォワード制御することになるので、応答速度を非常に速いものにすることができる。

その他の実施形態について説明する。

過渡状態における制御モードについては少なくとも目標流量が立ち下がる場合に実施されるように流量制御装置は構成すればよい。すなわち、目標流量が立ち上がる場合には安定状態における制御モードと同様に流量センサで測定される第１流量がフィードバックされる制御を行うようにしてもよい。

各実施形態ではコンピュータの機能を利用して実現される各機能ブロックについては単一の制御ボードによりその機能が実現されるようにしたが、例えば流量算出部は別の制御ボードでその機能が実現されるようにしてもよいし、外部のパソコン等で各機能ブロックの機能が実現されるようにしてもよい。

安定状態における制御モードでも流量フィードバックを行わずに特性マップから得られる第２流量でバルブの制御を行うようにしても構わない。この場合、流量センサで測定される第１流量は特性マップの更新にのみ用いればよい。

低抵抗流路の内部に、高抵抗流路に設けられているリストリクタよりも抵抗の小さいリストリクタを設けてもよい。このようにすることで立ち下がり時の応答特性を従来よりも良くしつつ、低抵抗流路に流体を流している場合でも差圧による流量の算出が可能となる。また、切替弁については三方弁に限られるものではなく、その他の弁であってもよい。

例えば流路の下流側がＭＯＣＶＤやチャンバに接続されており、バルブの下流側ほぼ真空圧等で一定に保たれる場合には、第２圧力センサを設けずに第２圧力はチャンバ内とほぼ同じ圧力に保たれていると仮定して第１圧力との差圧を算出し、特許マップを参照するようにしてもよい。また、流路を流れる流体の供給源であるボンベから供給圧がほぼ一定に保たれる場合には上流側圧力センサを省略し、流体抵抗素子の上流側の圧力は供給圧とほぼ同じ圧力保たれている仮定して流量センサが測定流量を出力するようにしてもよい。

特性マップについては温度を省略し、開度、バルブの前後の差圧、流量の間の関係だけを示すものであってもよい。また、特性マップを用いた過渡状態における流量制御については、測定開度、バルブの前後の差圧、温度に基づいて現在バルブを通過する流体の流量である第２流量を算出して、目標流量と第２流量の偏差による流量フィードバック制御を行うものに限られない。例えば目標流量、バルブの前後の差圧、温度に基づいて特性マップから設定されるべき目標開度を算出し、測定開度が目標開度となる印加電圧を即時に印加するように開度のフィードフォワード制御が実行されるように流量制御装置を構成しても構わない。

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

１００・・・マスフローコントローラ（流量制御装置）
１ ・・・流量センサ
Ｐ０ ・・・上流側圧力センサ
１１ ・・・リストリクタ、分流素子（流体抵抗素子）
Ｐ１ ・・・第１圧力センサ
１２ ・・・第１流量算出部
１３ ・・・分岐管
１４ ・・・巻線抵抗
１５ ・・・高抵抗流路
１６ ・・・低抵抗流路
１７ ・・・三方弁（切替弁）
２ ・・・バルブ
２４ ・・・ポジションセンサ
３ ・・・特性マップ記憶部
４ ・・・第２流量算出部
５ ・・・状態判定部
６ ・・・バルブ制御部
７ ・・・マップ更新部

Claims (10)

1. 開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、
   前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、
   前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、
   少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、
   前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、
   前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、
   前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備え、
   前記バルブ制御部が、
   前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、
   前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
2. 前記状態判定部が安定状態であると判定している場合に、前記流量センサで測定されている第１流量、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、及び、前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて前記特性マップ記憶部に記憶されている特性マップを更新する特性マップ更新部をさらに備えた請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記特性マップが、前記流体の温度、前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量の関係を示すものである請求項１又は２に記載の流量制御装置。
4. 前記バルブの下流側に設けられた第２圧力センサをさらに備え、
   前記第２流量算出部が、前記ポジションセンサで測定されている測定開度、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、及び、前記第２圧力センサで測定されている第２圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出するように構成されている請求項１乃至３いずれかに記載の流量制御装置。
5. 前記特性マップ更新部が、前記状態判定部が安定状態であると判定している場合に、前記流量センサで測定されている第１流量、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力、前記第２圧力センサで測定されている第２圧力、及び、前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて前記特性マップ記憶部に記憶されている特性マップを更新するように構成されている請求項４記載の流量制御装置。
6. 前記流量センサが、
   前記流体抵抗素子の上流側に設けられた上流側圧力センサと、
   前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて第１流量を算出する第１流量算出部とをさらに備えた請求項１乃至５いずれかに記載の流量制御装置。
7. 前記流量センサが、
   前記流体抵抗素子の上流側から分岐し、当該流体抵抗素子の下流側へ合流する分岐管と、
   前記分岐管に設けられた一対の巻線抵抗と、
   前記一対の巻線抵抗の出力に基づいて第１流量を算出する第１流量算出部とをさらに備えた請求項１乃至５いずれかに記載の流量制御装置。
8. 開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、
   前記バルブよりも下流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、
   前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、
   少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、
   前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、
   前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、
   前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備え、
   前記バルブ制御部が、
   前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、
   前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されており、
   前記流量センサが、
   前記流体抵抗素子が設けられた高抵抗流路と、
   前記高抵抗流路と並列に設けられ、末端で前記高抵抗流路と合流する低抵抗流路と、
   前記高抵抗流路又は前記低抵抗流路のいずれか一方に流体が流れるように流路を切り替える切替弁とをさらに備え、
   前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記切替弁が前記低抵抗流路に流体を流すように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
9. 開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、
   前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備する流量センサと、
   前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、
   前記バルブの下流側に設けられた第２圧力センサと、
   少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、
   前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブの開度を制御する開度制御部と、を備え、
   前記開度制御部が、
   目標流量が過渡状態である場合には受け付けつけている目標流量、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから目標開度を決定し、前記ポジションセンサで測定される測定開度が前記目標開度となるように前記バルブの開度を制御することを特徴とする流量制御装置。
10. 開度を測定するポジションセンサを具備し、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブよりも上流側に設けられ、流体抵抗素子を具備し、第１流量を出力する流量センサと、前記流体抵抗素子よりも下流側であり、かつ、前記バルブよりも上流側に設けられた第１圧力センサと、を備えた流量制御装置用プログラムであって、
    少なくとも前記バルブの開度、前記バルブの前後の差圧、及び、前記流路を流れる流体の流量との間の関係を示す特性マップを記憶する特性マップ記憶部と、
    前記ポジションセンサで測定されている測定開度、及び、前記第１圧力センサで測定されている第１圧力に基づいて前記特性マップから第２流量を算出する第２流量算出部と、
    前記流路を流れる流体の流量が安定状態か過渡状態であるかを判定する状態判定部と、
    前記流路を流れる流体の流量が受け付けられた目標流量となるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
    前記バルブ制御部が、
    前記状態判定部が安定状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記流量センサから出力される前記第１流量とに基づいて前記バルブの開度を制御し、
    前記状態判定部が過渡状態であると判定している場合には、前記目標流量と前記第２流量算出部が前記ポジションセンサで測定されている測定開度に基づいて算出する第２流量とに基づいて前記バルブの開度を制御するように構成されていることを特徴とする流量制御装置用プログラム。