JP2019117592A - 校正データ作成装置及び校正データ作成方法、並びに、流量制御装置 - Google Patents

校正データ作成装置及び校正データ作成方法、並びに、流量制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】流体制御弁を組み直すことなく、無段階的に校正データを作成することができる校正データ作成装置及び校正データ作成方法を提供する。
【解決手段】流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサの校正データを作成する校正データ作成装置であって、前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流体制御弁の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御機構と、前記流体制御弁の温度を制御する温度制御機構と、前記温度制御機構によって基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させる制御部とを備え、前記制御部が、前記基準温度における基準出力値を取得する出力値取得部と、前記流体制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と、校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成する校正データ作成部とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、校正データ作成装置及び校正データ作成方法、並びに、流量制御装置に関するものである。
従来から半導体製造プロセスにおいて、成膜室（チャンバ）へ供給する流量を制御する流体制御装置として、例えば、特許文献１に示すように、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサを備えた流体制御弁と、流体の流量を測定する流量センサと、を備えたものがある。
この流体制御装置は、流量センサの出力値が予め定められた目標値に近づくように、位置センサの出力値に基づき流体制御弁の弁開度を制御するように構成されている。
ところが、流体制御弁を流れる流体の温度が高温になると、流体制御弁を構成する各部材が熱の影響によって変形し、これが原因となって、位置センサの出力値と実際の弁開度との間にズレが生じ、正確に流量を制御することができなくなるという問題があった。特に、位置センサとして、流体制御弁の弁座に対する弁体の相対位置を検出する渦電流センサを使用した場合には、前記原因以外にも渦電流センサ自体が温度の影響を受け、このズレが顕著となる。
なお、従来においては、温度変化に伴う位置センサの出力値と実際の弁開度とのズレを校正するための校正データを取得するために、弁座と弁体との間にシムを挟み、弁開度を一定にした状態で、流体制御弁の温度を変化させながら、位置センサの出力値を取得して校正データを作成していた。
しかし、このような方法では、シムを交換するために、その都度流体制御弁を組み直す必要があり、また、弁開度をシムによって調整しているため、段階的にしか弁開度を調整できず、詳細な校正データを取得できないという問題点があった。
特開２０１７−７２２１６号公報
そこで、本発明は、流体制御弁を組み直すことなく、無段階的に校正データを作成することができる校正データ作成装置及び校正データ作成方法を提供することを主な課題とするものである。
すなわち、本発明に係る校正データ作成装置は、流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた値を出力する位置センサを校正するための校正データを作成する校正データ作成装置であって、前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流体制御弁の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御機構と、前記流体制御弁の温度を制御する温度制御機構と、前記差圧制御機構によって前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記差圧を制御した状態において、前記温度制御機構によって基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させる制御部とを備え、前記制御部が、前記位置センサ及び前記流量センサからそれぞれ出力される前記基準温度における基準出力値を取得する出力値取得部と、前記温度制御機構によって前記比較温度に制御した状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と、前記弁開度制御部によって前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成する校正データ作成部とを備えていることを特徴とするものである。
このようなものであれば、流体制御弁に流体が音速で流れる状態、すなわち、流体制御弁の弁開度が同一である場合に流体が一定の流量で流れる状態を作り出し、この状態において流体制御弁の温度を変化させ、その温度変化の前後における位置センサ及び流量センサの出力値から位置センサの温度変化の影響を校正するための校正データを作成するため、流体制御弁を組み直すことなく、位置センサの校正データを作成することができる。なお、基準温度からの温度変化に伴う位置センサの出力値の基準温度における出力値からのずれには、その温度変化に伴って位置センサ自体が温度影響を受けたことによって生じるずれ（以下、第１のずれともいう）と、その温度変化に伴って流体制御弁を構成する各部材が温度影響（具体的には、各部材の熱膨張）を受けたことによって生じるずれ（以下、第２のずれともいう）とが含まれ、本発明によれば、温度変化と、その温度変化に伴う第１のずれを含む位置センサの出力値の基準温度における出力値からのずれ（具体的には、その温度変化に伴う第１のずれを含み、かつ、第２のずれの一部又は全部を含まない位置センサの出力値の基準温度における出力値からずれ）との関係を示す校正データを抽出できる。さらに、流体制御弁の弁開度を制御することにより、無段階的に弁開度を調節でき、これにより、詳細な校正データを取得することができる。なお、基準温度としては、位置センサの出力値と実際の弁開度との位置とズレが生じ難い温度（例えば、常温２５℃）を選択すればよい。また、校正データとは、基準温度からの温度変化と、その温度変化に伴う位置センサの出力値の基準温度における出力値からずれとの関係を示すものや、この関係を補正するための温度補償係数と温度との関係を示すもの等が含まれる。
具体的には、前記弁開度制御部が、前記流量センサから出力される出力値が、当該流量センサの前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するものであり、前記校正データ作成部が、前記位置センサから出力される校正データ作成用出力値と当該位置センサの前記基準出力値とに基づき校正データを作成するように構成されているものであってもよく、また、前記制御部が、前記流体制御弁を流れる流体の流量、前記流体制御弁の弁開度、及び、前記弁開度の温度補償係数の関係を示す理論式を記憶した理論式記憶部をさらに備え、前記弁開度制御部が、前記位置センサから出力される出力値が、当該位置センサの前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するものであり、前記校正データ作成部が、前記流量センサから出力される校正データ作成用出力値、予め定められた前記基準温度における前記流体制御弁の弁開度、及び、前記理論式に基づき校正データを作成するように構成されているものであってもよい。
また、前記差圧制御機構が、前記流体制御弁の上流側に設置され、当該上流側の圧力を制御して一定に保持することができる圧力制御装置を備えるものであってもよい。また、前記流量センサが、前記圧力制御装置の上流側に設置されているものであってもよい。
また、前記流体制御弁を流れる流体が音速になったか否かを検知する音速検知機構をさらに備え、前記音速検知機構が、前記流体制御弁の下流側に設置されるチャンバと、前記チャンバ内の圧力を測定する圧力センサと、前記減圧されたチャンバ内に流体が導入された後に、前記圧力センサで測定される圧力値の上昇率が一定になった場合に、前記流体制御弁を流れる流体が音速になったと検知する音速検知部とを備えるものであってもよい。
このようなものであれば、流体制御弁に対して流体が一定の流量で流れている状態を正確に把握することができる。
また、本発明に係る校正データ作成装置に用いる制御プログラムは、流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサの校正データを作成するものであり、前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流体制御弁の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御機構と、前記流体制御弁の温度を制御する温度制御機構と、前記差圧制御機構によって前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記差圧を制御した状態において、前記温度制御機構によって基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させる制御部とを備える校正データ作成装置に用いる制御プログラムにおいて、前記位置センサ及び前記流量センサからそれぞれ出力される前記基準温度における基準出力値を取得し、前記温度制御機構によって前記比較温度に制御した状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成することを特徴とするものである。また、本発明に係る位置検出センサの校正データ作成方法は、流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた値を検出する位置センサの校正データを作成する校正データ作成方法であって、前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記流体制御弁の上流側及び下流側の差圧を制御した状態において、前記流体制御弁を基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させ、前記位置センサ及び前記流体制御弁に流れる流量を測定する流量センサから出力される前記基準温度における基準出力値を取得するステップと、前記流体制御弁を前記比較温度にした状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するステップと、前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成するステップとを備えていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る流量制御装置は、流体を制御する流体制御弁と、前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流体制御弁の温度を測定する温度センサと、前記流量センサで測定される流量測定値が予め定められた流量目標値に近づくように制御する流量制御部と、を具備し、前記流量制御部が、前記温度センサの予め定められた基準温度からの温度変化と、前記温度変化に伴って生じる前記位置センサの出力値の前記基準温度における出力値からのずれとの関係を示す校正データを記憶する校正データ記憶部と、前記温度センサの出力値を参照して前記位置センサの校正データ作成用出力値を前記校正データで校正し、その校正された出力値に基づき前記流体制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と、を備えることを特徴とするものである。
このようなものであれば、温度変化に伴う位置センサの出力値と実際の弁座に対する弁体の位置とのズレを校正して流量を制御することができるため、流体制御弁によって流体の流量をより正確に制御することができるようになる。
このように構成した本発明に係る校正データ作成装置及び校正データ作成方法によれば、流体制御弁を組み直すことなく、無段階的に流体制御弁の弁開度を調整して詳細な校正データを作成することができる。
実施形態１に係る流体制御弁を示す模式図である。 実施形態１に係る校正データ作成装置を示す模式図である。 実施形態１に係る校正データ作成装置の制御部を示すブロック図である。 実施形態１に係る校正データ作成装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態１に係る校正データの一例を示すグラフである。 実施形態１に係る流量制御装置を示す模式図である。 実施形態２に係る校正データ作成装置の制御部を示すブロック図である。 実施形態２に係る校正データ作成装置の動作を示すフローチャートである。
以下に、本発明に係る校正データ作成装置を図面に基づいて説明する。
本発明に係る校正データ作成装置１００は、例えば、半導体製造プロセスにおいて、成膜室等へ供給される流体（材料ガス）の供給量を制御する流体制御装置２００が備える流体制御弁３００の位置センサＰＳを校正するための校正データを作成するものである。なお、実施形態１においては、流体制御弁３００を説明した後、校正データ作成装置１００によって位置センサＰＳの校正データを作成する手順を説明し、最後に、流体制御装置２００を説明する。
＜実施形態１＞ 本実施形態に係る流体制御弁３００は、例えばノーマルクローズタイプのものである。具体的には、流体制御弁３００は、弁座１０が設けられたブロック体２０と、弁座１０に着座する弁体３０と、弁体３０を駆動して弁開度を変化させるアクチュエータ４０と、を備えている。なお、弁開度とは、弁座１０と弁体３０との離間距離を示している。なお、弁体３０は、ブロック体２０に設けられた弁座１０の弁座面１０ａに着座する着座面３０ａを備えている。
前記ブロック体２０には、その一面に弁座１０が設けられている。具体的には、ブロック体２０には、その一面にリング状に切削して形成された凹部２１が設けられており、その凹部２１の中央から突出する部分が弁座１０となっている。凹部２１には、上流側へ伸びる上流側流路Ｌ１の一端が開口しており、弁座１０には、下流側へ伸びる下流側流路Ｌ２の一端が開口している。そして、弁座１０の下流側流路Ｌ２が開口した面が、弁座面１０ａとなる。
前記アクチュエータ４０は、例えば、ピエゾ素子を複数枚積層して形成されるピエゾスタック４１と、ピエゾスタック４１の伸長により移動する作動体４２と、を備えている。なお、ピエゾスタック４１は、ピエゾスタック４１の伸長による動きを逆転して伝達する変移逆転機構４３を介して作動体４２に接続されている。また、作動体４２は、弁体３０に接続されるプランジャ４２ａと、そのプランジャ４２ａの周囲に設けられたダイヤフラム部材４２ｂと、を備えている。
これにより、前記流体制御弁３００は、ピエゾスタック４１に電圧が印加させると、そのピエゾスタック４１が伸長し、その伸長する動きが変移逆転機構４３を介して逆転させて作動体４２に伝達され、作動体４２が弁体３０を開弁方向へ移動する。その結果、弁座面１０ａと着座面３０ａとが、ピエゾスタック４１に対する印加電圧に応じた距離だけ離間して隙間を形成し、この隙間を通じて上流側流路Ｌ１と下流側流路Ｌ２とが連通する。なお、弁体３０は、ピエゾスタック４１に電圧を印加しない状態においては閉状態となる。
また、前記流体制御弁３００には、弁座面１０ａに対する着座面３０ａの相対位置に応じた出力値を出力する位置センサＰＳが設置されている。なお、相対位置に応じた出力値とは、弁座面１０ａと着座面３０ａとの相対距離又は相対距離に関連する値である。
前記位置センサＰＳは、弁体３０又は弁体３０と共に動く部材（例えば、本実施形態のプランジャ４２）、或いは、これらの部材に対して静止している静止部材のいずれか一方に取り付けられる。なお、本実施形態の位置センサＰＳは、渦電流センサである。渦電流センサは、静止部材側に取り付けられている。そして、弁体３０と共に動く部材であるプランジャ４２には、渦電流センサと弁座１０に対する弁体３０の接離方向（弁体の移動方向）に対向する導電性を有するターゲット５１が取り付けられている。従って、渦電流センサは、ターゲット５１との距離を検知する。
次に、前記流体制御弁３００の位置センサＰＳを校正するための校正データを作成する校正データ作成装置１００を説明する。
本発明に係る校正データ作成装置１００は、図３に示すように、流体制御弁３００を流れる流体の流量を測定する流量センサ１１０と、流体制御弁３００の温度を制御する温度制御機構１２０と、流体制御弁３００の上流側と下流側の差圧を制御する差圧制御機構１３０と、流体制御弁３００の温度を測定する温度センサ１４０と、流体制御弁３００に流れる流体の流量が音速になったことを検知する音速検知機構１５０と、を具備している。
流量センサ１１０、温度制御機構１２０、差圧制御機構１３０、温度センサ１４０、及び、音速検知機構１５０は、流路Ｌに対して上流側から下流側に向かってこの順番で設置されている。また、流体制御弁３００は、差圧制御機構１３０と音速検知機構１４０との間の流路Ｌに対して交換可能に接続されている。なお、図示しないが、流路Ｌの上流端は、流体供給装置に接続されており、流路Ｌの下流端は、減圧ポンプに接続されている。
前記流量センサ１１０は、熱式質量流量センサである。具体的には、流量センサ１１０は、流路Ｌをバイパスする流量測定管１１１と、流量測定管１１１の上流側及び下流側に巻き付けられた一対の発熱抵抗線１１２と、を備えている。なお、流量センサ１１０は、流量測定管１１１を流体が流れることによって生じる一対の発熱抵抗線１１２，１１２の温度差に基づき、流量測定管１１１を流れる流体の流量値を算出する流量算出部１１３をさらに備えている。なお、流量算出部１１３は、流路Ｌと流量測定管１１１との分流比に基づいて、流路Ｌを流れる質量流量を算出する。また、流路Ｌにおける流量測定管１１１との分岐点及び合流点の間には層流素子１１４が設けられている。
前記温度制御機構１２０は、流路Ｌを構成する配管に巻き付けた電熱線等からなるヒータである。そして、温度制御機構１２０は、流体制御弁３００に流入する流体の加熱温度を制御することにより、流体制御弁３００の温度上昇を制御している。
前記差圧制御機構１３０は、流体制御弁３００の上流側と下流側との間に差圧を制御し一定に保持するものである。具体的には、差圧制御機構１３０は、流体制御弁３００の上流側に設置される圧力制御機構１３０ａを備えている。なお、圧力制御機構１３０ａは、流体の圧力を制御する圧力制御弁１３１と、流体の圧力を測定する第１圧力センサ１３２と、を備えている。なお、圧力制御弁１３１は、第１圧力センサ１３２で測定される圧力値が予め定められた目標圧力値になるようにフィードバック制御されている。
前記温度センサ１４０は、流体制御弁３００の温度又はその周囲温度を測定するものである。なお、温度センサ１４０は、流体制御弁３００自体に取り付けてもよく、流体制御弁３００の周囲に取り付けてもよい。後者の場合には、流体制御弁３００を囲む筐体（図示せず）内に設ければよい。
前記音速検知機構１５０は、流体制御弁３００に流れる流体の速度が音速になった場合にそのことを検知するものである。具体的には、音速検知機構１５０は、流体制御弁３００の下流側に設置されるチャンバ１５１と、チャンバ１５１内の圧力を測定する第２圧力センサ１５２と、を備えている。なお、音速検知機構１５０は、減圧されたチャンバ１５１に対して流体制御弁３００から流体が流れ込んで、第２圧力センサ１５２で測定されるチャンバ１５１内の圧力の上昇率が一定になった場合に、流体制御弁３００に流れる流体の速度が音速になったと判断するように構成されている。
また、前記校正データ作成装置１００は、制御部１６０をさらに備えている。制御部１６０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力部等を備えたいわゆるコンピュータを有し、前記メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協働することによって各機能が実現されるようにしてある。
具体的には、前記制御部１６０は、図３に示すように、差圧制御機構１３０によって流体制御弁３００の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御部１６１と、温度制御機構１２０によって流体制御弁３００の温度を制御する温度制御部１６２と、温度制御部１６２によって基準温度における位置センサＰＳ及び流量センサ１１０の出力値を取得する出力値取得部１６３と、流量センサ１１０から出力される出力値を温度変化前の出力値に戻すように流体制御弁３００の弁開度を制御する弁開度制御部１６４と、弁開度制御部１６４で弁開度を制御した後における位置センサＰＳで検出される校正データ作成用出力値と比較温度と関連付けた関連データを取得する関連データ取得部１６５と、関連データ取得部１６５で取得した関連データに基づき校正データを作成する校正データ作成部１６６と、校正データ作成部１６６で作成した校正データをメモリに保存する校正データ保存部１６７と、を備えている。
前記差圧制御部１６１は、圧力制御機構１３０ａによって流体制御弁３００の上流側の圧力を上昇させることにより、流体制御弁３００の上流側と下流側との間に差圧を生じさせるものである。なお、圧力制御機構１３０ａは、第１圧力センサ１３２で測定される圧力値を参照し、圧力制御弁１３１をフィードバック制御するように構成されている。そして、音速検知機構１５０によって流体制御弁３００に流れる流体の流量が音速になったことが検知された後は、圧力制御機構１３０ａによって流体制御弁３００の上流側の圧力を一定に保持し、差圧を一定に保つようになっている。なお、流体制御弁３００に流れる流体の速度が音速になると、流体制御弁３００を流れる流体の流量がそれ以上増加しなくなって一定となる。
前記温度制御部１６２は、差圧制御部１６１によって流体制御弁３００に流れる流体の速度を音速にした状態、すなわち、流体制御弁３００に流れる流体の流量を一定に保持した状態において、流体制御弁３００に流れ込む流体を加熱し、流体制御弁３００の温度を変化させるものである。具体的には、温度制御部１６２は、常温又はその近傍の温度に設定された基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させるように温度センサ１４０で測定される温度値を参照し、フィードバック制御するように構成されている。
前記出力値取得部１６３は、温度制御部１６２によって基準温度にした場合に、位置センサＰＳ及び流量センサ１１０からそれぞれ出力される基準温度における基準出力値を取得するものである。
前記弁開度制御部１６４は、温度制御部１６２によって比較温度に制御した状態において、流量センサ１１０から出力される出力値が基準出力値に戻るように流体制御弁３００の弁開度を制御するものである。具体的には、流量センサ１１０の出力値を参照し、流体制御弁３００の弁開度をフィードバック制御するように構成されている。
前記関連データ取得部１６５は、弁開度制御部１６４によって弁開度を制御した後に位置センサＰＳから出力される出力値と比較温度とを関連付けた関連データを取得するものである。
前記校正データ作成部１６６は、比較温度を変更し、その変更した比較温度毎に得られた関連データと基準出力値とに基づき校正データを作成するものである。なお、校正データとしては、例えば、図５に示すように、関連データに含まれる位置センサＰＳの校正データ作成用出力値の基準出力値からのズレを補正するための補正量と温度とが略比例関係となるような校正曲線が得られる。そして、校正データ作成部１６６で作成された校正データは、校正データ保存部１６７に保存される。
次に、前記校正データ作成装置１００の動作を説明する。
流体制御弁３００の弁開度を全閉付近の初期弁開度に調節する。そして、校正データ作成装置に入力部から稼働信号が入力されると、差圧制御部１６１が、弁体制御弁３００の上流側の圧力を上昇させ、これにより、弁体制御弁３００の上流側と下流側との圧力差を上昇させる（ステップＳ１）。次に、音速検知機構１５０が、流体制御弁３００に流れる流体の速度が音速に達したことを検知すると、差圧制御部１６１が、弁体制御弁３００の上流側の圧力を一定に保持し、流体制御弁３００の上流側と下流側との間の差圧を一定に保つ（ステップＳ２，Ｓ３）。一方、音速検知機構１５０が、流体制御弁３００に流れる流体の速度が音速に達したことを検知しないと、差圧制御部１６１が、弁体制御弁３００の上流側の圧力をさらに上昇させ、これにより、弁体制御弁３００の上流側と下流側との圧力差をさらに上昇させる（ステップＳ２、Ｓ４）。
続いて、差圧制御部１６１が、流体制御弁３００の上流側と下流側との間の差圧を一定に保った状態、すなわち、流体制御弁３００に流れる流体の流量を一定に保った状態において、温度制御部１６２が、流体制御弁３００に流れ込む流体を制御して流体制御弁３００を基準温度に調節する（ステップＳ５）。この状態で、出力値取得部１６３が、位置センサＰＳ及び流量センサ１１０の基準温度における基準出力値を取得する（ステップＳ６）。続いて、温度制御部１６２が、流体制御弁３００に流れ込む流体の温度を制御して流体制御弁３００の温度を比較温度に調節する（ステップＳ７）。なお、この状態において、位置センサＰＳの出力値が基準温度における出力値からずれるが、このずれには、基準温度から比較温度へ上昇したことによって生じる、位置センサＰＳ自体が熱影響を受けて生じる第１のずれ、及び、流体制御弁３００を構成する各部材の熱膨張によって生じる第２のずれの二種類のずれが含まれる。
次に、弁開度制御部１６４が、流量センサ１１０から出力される出力値が、基準出力値に戻るように流体制御弁３００の弁開度を制御する（ステップＳ８）。この状態で、関連データ取得部１６６が、位置センサＰＳから出力される校正データ作成用出力値と比較温度とを関連付けた関連データを取得する（ステップＳ９）。なお、この校正データ作成用出力値は、第２のずれがキャンセルされ、第１のずれのみを含んだものとなる。これは、流体制御弁３００に流れる流体が音速に保持された状態で、流量センサ１１０の出力値を一致させれば、流体制御弁３００の弁開度が同一になることを利用したものである。よって、この関連データは、第１のずれのみを含む校正データ作成用出力値と比較温度とを関連付けたデータとなる。
そして、比較温度が上限温度に達するまで、比較温度を上昇させながら、ステップＳ７〜ステップＳ９を繰り返し、比較温度毎に関連データを取得する（ステップＳ１０，Ｓ１１）。最後に、比較温度が上限温度に達すると、校正データ作成部１６７が、関連データに基づき校正データを作成する（ステップＳ１２）。
なお、弁体制御弁３００の初期弁開度を全閉付近から全開付近まで徐々に広げながら前記動作を繰り返し、弁開度毎に校正データを作成する。
前記校正データ作成装置１００で校正データを作成した流体制御弁３００は、校正データ作成装置１００から取り外し、流量制御装置２００に設置される。
次に、流量制御装置２００を説明する。
前記流量制御装置２００は、所謂マスフローコントローラである。具体的には、図１に示すように、校正データ作成装置１００によって校正データを作成した流体制御弁３００と、流体制御弁３００に流れ込む流体の流量を測定する流量センサ４００と、を備えている。また、流体制御弁３００には、温度センサ６０が接続されている。
前記流量センサ４００は、熱式質量流量センサである。具体的には、流量センサ４００は、流路Ｌ３が設けられたブロック体４１０と、流路Ｌ３をバイパスする流量測定管４２０と、流量測定管４２０の上流側及び下流側に巻き付けられた一対の発熱抵抗線４３０と、を備えている。また、流路Ｌ３における流量測定管４２０との分岐点及び合流点の間には、層流素子４４０が設けられている。
そして、前記流量制御装置２００は、流体制御弁３００の流路Ｌ１と流量センサ４００の流路Ｌ３とを連通するように、両ブロック体２０，４１０を連結して形成されている。
また、前記流量制御装置２００は、流量センサ４００で測定された流量値が予め定められた流量目標値に近づくように流体制御弁３００を制御する流量制御部２１０を備えている、流量制御部２１０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力部等を備えたいわゆるコンピュータを有し、前記メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協働することによって前記各機能が実現されるようにしてある。
具体的には、流量制御部２１０は、流量センサ４００から出力される信号に基づいて流路Ｌ３を流れる流体の流量を算出する流量算出部２１１と、校正データ作成装置１００によって作成した位置センサＰＳの校正データを記憶する校正データ記憶部２１２と、位置センサＰＳで検出される出力値を温度センサ６０で測定される温度値及び校正データに基づき校正する校正部２１３と、流量算出部２１１で算出された流量値が予め定められた流量目標値に近づくように、校正部２１３で校正された校正出力値に基づいて流体制御弁３００の弁開度を制御する弁開度制御部２１４と、を備えている。
なお、弁開度制御部２１４は、流体制御弁３００の流量及び弁開度の関係を示す式と、予め定められた基準温度における位置センサＰＳの出力値と弁開度との関係を示す基準データとを格納する記憶部を有し、前記基準データを参照して校正出力値に対応する弁開度を求め、その弁開度を前記式に代入して流量を算出し、その流量が流量目標値に近づくように流体制御弁３００を制御するものである。なお、記憶部に、流体制御弁３００の流量及び弁開度の関係を示すマップデータを記憶しておき、このマップデータを前記式の代わりに使用してもよい。
前記流量算出部２１１は、流量測定管４２０を流体が流れることによって生じる一対の発熱抵抗線４３０の温度差に基づき、流量測定管４２０を流れる流体の流量値を算出し、流路Ｌと流量測定管１１１との分流比に基づいて、流路Ｌを流れる質量流量を算出する。
次に、流量制御装置２００の動作を説明する。
流量制御装置２００に動作信号が入力されると、流量算出部２１１が一対の発熱抵抗体４３０に生じる温度差に基づき流路Ｌ３を流れる流体の流量を算出する。次に、流量算出部２１１で算出された流量値が予め定められた流量目標値に近づくように弁開度制御部２１４が弁開度を制御する。この場合、校正部２１３が、位置センサＰＳで検出される出力値を温度センサ６０で測定される温度値及び校正データに基づき校正し、その校正した校正出力値を随時弁開度制御部２１４に送信し、弁開度制御部２１４は、校正出力値に基づいて弁開度を制御する。
＜実施形態２＞ 本実施形態は、前記実施形態１に係る校正データ作成装置１００の変形例である。具体的には、実施形態１に係る校正データ作成装置１００の装置構成は同一であるが、制御部１６０が異なっており、これに伴って校正データを作成する手順も異なっている。
本実施形態に係る校正データ作成装置１００の制御部１６０´は、図７に示すように、差圧制御機構１３０によって流体制御弁３００の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御部１６１´と、温度制御機構１２０によって流体制御弁３００の温度を制御する温度制御部１６２´と、温度制御部１６２´によって基準温度における位置センサＰＳ及び流量センサ１１０の出力値を取得する出力値取得部１６３´と、位置センサＰＳから出力される出力値を温度変化前の出力値に戻すように流体制御弁３００の弁開度を制御する弁開度制御部１６４´と、流体制御弁３００に流れる流体の流量とその弁開度との関係を示す理論式を格納する理論式記憶部１６８´と、弁開度制御部１６４´で弁開度を制御した後における流量センサ１１０から出力される校正データ作成用出力値と理論式とに基づき、比較温度とその比較温度における位置センサＰＳの出力値を補正するための温度補償係数とを関連付けた関連データを取得する関連データ取得部１６５´と、関連データ取得部１６５´で取得した関連データに基づき校正データを作成する校正データ作成部１６６´と、校正データ作成部１６６´で作成した校正データをメモリに保存する校正データ保存部１６７´と、を備えている。なお、差圧制御部１６１´、温度制御部１６２´、出力値取得部１６３´、校正データ保存部１６７´は、それぞれ実施形態１の該当する部分と同じ機能を有している。
前記弁開度制御部１６４´は、温度制御部１６２によって比較温度に制御した状態において、位置センサＰＳから出力される出力値が基準出力値に戻るように流体制御弁３００の弁開度を制御するものである。具体的には、位置センサＰＳの出力値を参照し、流体制御弁３００の弁開度をフィードバック制御するように構成されている。
前記理論式記憶部１６８´は、流体制御弁３００の理想モデルを示す理論式を記憶するものである。なお、理論式の一例としては、次の式（１）及び式（３）から得られる式が考えられる。
すなわち、流体制御弁３００を流れる質量流量ｍは、式（１）によって算出できる。
なお、ρは流体密度、ｖは流体速度、Ａｆｌｏｗは有効総流量面積である。
そして、有効総流量面積Ａｆｌｏｗは、式（２）によって表される。
なお、Ｃｄは吐出係数（なお、吐出係数は、オリフィスの性能を示す経験的な数値であり、レイノルズ数の関数として表される。また、吐出係数は、流量範囲全体を通してほぼ一定とみなすことができる。）、ＤＯは弁座の開口直径、Δｈは弁開度（弁座の弁座面と弁体の着座面との距離）である。
この式（２）から分かるように、有効総流量面積Ａｆｌｏｗは、弁座の開口端縁を対向する弁体の着座面まで伸ばした筒状の面積である。具体的には、本実施形態では、弁座の開口端縁が円形状であり、その開口端縁を対向する弁体の着座面まで伸ばした円筒状の面積である。
さらに、有効総流量面積Ａｆｌｏｗは、温度変化を考慮すると、式（３）及び式（４）によって表される。
なお、αは弁座を形成する金属の熱膨張、ｈＴ（ΔＴ）は温度補償係数、Ｔαは実際の温度、Ｔｃａｌは基準温度である。ここで、吐出係数Ｃｄ及び弁座の開口直径ＤＯは、既知の値であり、また、弁座を形成する金属の熱膨張αは、正確に予測できる値である。
前記関連データ取得部１６５´は、弁開度制御部１６４´によって弁開度を制御した後に流量センサ１１０から出力される出力値と、予め定められた基準温度における基準弁開度の値と、を理論式に代入して得られる温度補償係数と比較温度とを関連付けた関連データを取得するものである。なお、基準弁開度の値としては、流体制御弁３００を基準温度にした状態で、流量センサ１１０の出力値を前記式（１）及び前記式（２）に代入して得られるΔｈの値を使用することができる。
前記校正データ作成部１６６´は、比較温度を変更し、比較温度毎に得られた関連データに基づき校正データを作成するものである。なお、校正データとしては、例えば、温度補償係数と温度とが略比例関係となるような校正曲線が得られる。そして、校正データ作成部１６６´で作成された校正データは、校正データ保存部１６７´に保存される。
次に、本実施形態に係る校正データ作成装置１００の動作を説明する。なお、本実施形態に係る校正データ作成装置１００も実施形態１に係る校正データ作成装置１００のステップＳ１〜Ｓ８と同様の動作を行うため、これらのステップの説明は省略する。
出力値取得部１６３´が、位置センサＰＳ及び流量センサ１１０から基準温度における基準出力値を取得した後、弁開度制御部１６４´が、位置センサＰＳから出力される出力値を基準出力値に戻すように流体制御弁３００の弁開度を制御する（ステップＳ８）。この状態で、関連データ取得部１６６´が、流量センサ１１０から出力される校正データ作成用出力値と基準弁開度とを理論式に代入して温度補償係数を算出し、この温度補償係数と温度（例えば、比較温度や、基準温度から比較温度への温度変化量）とを関連付けた関連データを取得する（ステップＳ９）。なお、式（３）には、αが含まれおり、このαは、弁座を形成する金属の熱膨張を示している。よって、関連データ取得部１６６´によって算出される温度補償係数を用いることにより、位置センサＰＳ自体の温度変化に伴う第１のずれ及び流体制御弁３００を構成する各部材の温度変化に伴う第２のずれの一部（具体的には、流体制御弁３００を構成する弁座以外の各部材の温度変化に伴うずれ）を含む位置センサＰＳの出力値の基準温度における出力値からのずれを補正した弁開度を算出できるようになる。
そして、比較温度が上限温度に達するまで、比較温度を上昇させながら、ステップＳ７〜ステップＳ９を繰り返し、比較温度毎に関連データを取得する（ステップＳ１０，Ｓ１１）。最後に、比較温度が上限温度に達すると、校正データ作成部１６７が、関連データに基づき校正データを作成する（ステップＳ１２）。なお、弁体制御弁３００の初期弁開度を全閉付近から全開付近まで徐々に広げながら前記動作を繰り返し、弁開度毎に校正データを作成する。
なお、本実施形態に係る校正データ作成装置で校正データを作成した流体制御弁３００を流体制御装置２００に使用する場合には、前記理論式と校正データとに基づき、予め定めらえた流量目標値に対応する初期弁開度を算出して設定することができる。
＜その他の実施形態＞ 前記実施形態においては、位置検出センサＰＳとして渦電流センサを使用しているが、リニア式のセンサを使用してもよい。なお、静電容量式センサを使用してもよい。この場合には、静電容量式センサは、それ自身がさほど温度の影響を受けないため、本発明を渦電流センサに適用した場合ほどの効果は得られない。
また、前記実施形態においては、ピエゾ素子をアクチュエータとした流体制御弁を対象として校正データを作成しているが、例えば、ソレノイドコイルをアクチュエータとした流体制御弁を対象して校正データを作成することもできる。
また、前記実施形態においては、前記流量制御装置２００として、熱式マスフローコントローラを例示したが、圧力式マスフローコントローラであってもよい。
また、前記実施形態の校正データ作成装置１００においては、流体制御弁３００の上流側の圧力を制御して流体制御弁３００の上流側と下流側との差圧を制御しているが、これに限定されず、下流側の圧力のみを制御してもよく、上流側及び下流側の双方の圧力を制御してもよい。
その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００ 校正データ作成装置
２００ 流量制御装置
３００ 流体制御弁
４００ 流量センサ
ＰＳ 位置検出センサ
１０ 弁座
３０ 弁体
６０ 温度センサ
１２０ 温度制御機構
１３０ 差圧制御機構
１３０ａ 圧力制御機構
１４０ 温度センサ
１５０ 音速検知機構
１５１ チャンバ
１５２ 圧力センサ
１６０ 制御部
１６１，１６１´ 差圧制御部
１６２，１６２´ 温度制御部
１６３，１６３´ 出力値取得部
１６４，１６４´ 弁開度制御部
１６５，１６５´ 関連データ取得部
１６６，１６６´ 校正データ作成部
１６７，１６７´ 校正データ保存部
１６８´ 理論式記憶部
２１０ 流量制御部
２１２ 校正データ記憶部
２１３ 指示値校正部
２１４ 弁開度制御部

Claims (9)

  1. 流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサの校正データを作成する校正データ作成装置であって、
    前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、
    前記流体制御弁の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御機構と、
    前記流体制御弁の温度を制御する温度制御機構と、
    前記差圧制御機構によって前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記差圧を制御した状態において、前記温度制御機構によって基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させる制御部とを備え、
    前記制御部が、
    前記位置センサ及び前記流量センサからそれぞれ出力される前記基準温度における基準出力値を取得する出力値取得部と、
    前記温度制御機構によって前記比較温度に制御した状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と、
    前記弁開度制御部によって前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成する校正データ作成部とを備えていることを特徴とする校正データ作成装置。
  2. 前記弁開度制御部が、前記流量センサから出力される出力値が、当該流量センサの前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するものであり、
    前記校正データ作成部が、前記位置センサから出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成するように構成されている請求項１記載の校正データ作成装置。
  3. 前記制御部が、
    前記流体制御弁を流れる流体の流量、前記流体制御弁の弁開度、及び、前記弁開度の温度補償係数の関係を示す理論式を記憶した理論式記憶部をさらに備え、
    前記弁開度制御部が、前記位置センサから出力される出力値が、当該位置センサの前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するものであり、
    前記校正データ作成部が、前記流量センサから出力される校正データ作成用出力値、予め定められた前記基準温度における前記流体制御弁の弁開度、及び、前記理論式に基づき校正データを作成するように構成されている請求項１記載の校正データ作成装置。
  4. 前記差圧制御機構が、前記流体制御弁の上流側に設置され、当該上流側の圧力を一定に制御できる圧力制御装置を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の校正データ作成装置。
  5. 前記流量センサが、前記圧力制御装置の上流側に設置されている請求項４記載の校正データ作成装置。
  6. 前記流体制御弁を流れる流体が音速になったか否かを検知する音速検知機構をさらに備え、
    前記音速検知機構が、
    前記流体制御弁の下流側に設置されるチャンバと、
    前記チャンバ内の圧力を測定する圧力センサと、
    前記減圧されたチャンバ内に流体が導入された後に、前記圧力センサで測定される圧力値の上昇率が一定になった場合に、前記流体制御弁を流れる流体が音速になったと検知する音速検知部とを備える請求項１乃至５のいずれかに記載の校正データ作成装置。
  7. 流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサの校正データを作成するものであり、前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流体制御弁の上流側と下流側との間の差圧を制御する差圧制御機構と、前記流体制御弁の温度を制御する温度制御機構と、前記差圧制御機構によって前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記差圧を制御した状態において、前記温度制御機構によって基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させる制御部とを備える校正データ作成装置に用いる制御プログラムにおいて、
    前記位置センサ及び前記流量センサからそれぞれ出力される前記基準温度における基準出力値を取得し、前記温度制御機構によって前記比較温度に制御した状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成することを特徴とする校正データ作成装置に用いる制御プログラム。
  8. 流体を制御する流体制御弁に設置され、弁座に対して接離方向に移動する弁体の位置に応じた値を検出する位置センサの校正データを作成する校正データ作成方法であって、
    前記流体制御弁を通過する流体が音速になるように前記流体制御弁の上流側及び下流側の差圧を制御した状態において、前記流体制御弁を基準温度からその基準温度と異なる比較温度に変化させ、前記位置センサ及び前記流体制御弁に流れる流量を測定する流量センサから出力される前記基準温度における基準出力値を取得するステップと、
    前記流体制御弁を前記比較温度にした状態において、前記位置センサ及び前記流量センサの一方から出力される出力値が、当該一方の前記基準出力値になるように前記流体制御弁の弁開度を制御するステップと、
    前記流体制御弁の弁開度を制御した後に、前記位置センサ及び前記流量センサの他方から出力される校正データ作成用出力値に基づき校正データを作成するステップとを備えていることを特徴とする校正データ作成方法。
  9. 流体を制御する流体制御弁と、
    前記流体制御弁に流れる流体の流量を測定する流量センサと、
    前記流体制御弁の温度を測定する温度センサと、
    前記流量センサで測定される流量測定値が予め定められた流量目標値に近づくように制御する流量制御部と、を具備し、
    前記流量制御部が、
    前記温度センサの予め定められた基準温度からの温度変化と、前記温度変化に伴って生じる前記位置センサの出力値の前記基準温度における出力値からのずれとの関係を示す校正データを記憶する校正データ記憶部と、
    前記温度センサの出力値を参照して前記位置センサの出力値を前記校正データで校正し、その校正された出力値に基づき前記流体制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と、を備えることを特徴とする流量制御装置。
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