JP2021096823A - 流量制御装置、流体制御装置、流量制御方法、及び、流量制御装置用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】小流量においても流量センサの感度や測定精度を高く保つことができるとともに、大流量にも対応することができる流量制御装置を提供する。【解決手段】流路に設けられた第１バルブＶ１と、前記流路において前記第１バルブＶ１よりも下流側に設けられた第２バルブＶ２と、前記第１バルブＶ１と前記第２バルブＶ２との間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサＦＳと、前記流量センサＦＳで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブＶ２に入力される操作量を制御する流量制御器１と、前記流量制御器１が前記第２バルブＶ２に入力する操作量又は前記第２バルブＶ２の開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブＶ１を制御する第１バルブ制御器２と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の例えば流量を制御する流量制御装置に関するものである。

半導体製造プロセスでは、チャンバ内に各種ガスを所望の流量に制御した状態で供給することが行われている。近年、この分野では流量の高速制御や流量精度のさらなる向上が求められており（特許文献１参照）、このような要求に答えるために２つの制御バルブを用いた流量制御装置が提案されている。

具体的にこの流量制御装置は、流路に対して第１バルブ、圧力式の流量センサ、第２バルブが上流側からこの順番で設けられたものである。例えば第１バルブは、流量センサを構成する層流素子の上流側に設けられた第１圧力センサの第１圧力がフィードバックされて、当該第１圧力が所望の設定圧力で一定になるように制御される。また、第２バルブは流量センサで測定される測定流量がフィードバックされ、測定流量が設定流量と一致するように制御される。なお、設定圧力は設定流量の大きさに関わらず常に一定の値が設定される。

ところで、圧力式の流量センサは低圧であるほど感度が良くなるので、設定圧力をできるだけ小さい値に設定して、層流素子の上流側の圧力である第1圧力を低圧に保ったほうが、第２バルブによる流量制御の精度を向上できる。

しかしながら、設定圧力を低くしすぎると、第1圧力が層流素子及び第2バルブでの圧損や第2バルブの下流側の圧力を十分に上回れず、第2バルブの下流側へ流体を大流量で流すことができなくなってしまう。かといって、設定流量のレンジを考慮して、設定圧力をある程度高い値に設定すると、設定流量が小さい場合には圧力式の流量センサの感度や測定精度が本来の実力と比較して悪化してしまう。具体的には図６のグラフに示すように設定圧力の値が大きくなり流体抵抗の下流側の圧力である第２圧力Ｐ２の値が大きくなるほど、流量に対する差圧ΔＰ＝Ｐ_１−Ｐ_２の感度は低下し、測定精度も低下することになる。

特開２０１５−１０９０２２号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、小流量においても流量センサの感度や測定精度を高く保つことができるとともに、大流量にも対応することができる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、流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、前記流量制御器が前記第２バルブに入力する操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御方法であって、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御ステップと、前記流量制御ステップにおいて前記第２バルブに入力される操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御ステップと、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、例えば設定流量が初期流量値から初期流量値よりも小さい維持流量値に変化した場合には、前記流量制御器は前記第２バルブの開度を小さくするように前記第２バルブに入力する操作量を変化させ、当該第２バルブを通過できる流体の流量を小さくしようとする。

前記第２バルブの開度が変化すると、前記第１バルブ制御器では制御量と目標量との偏差が大きくなるので、当該第１バルブ制御器は前記第２バルブの開度をもとに戻すために前記第１バルブの開度を変化させる。この例の場合には、前記第１バルブと前記第２バルブとの間にある前記流量センサに流入する流体の流量を小さくし、設定流量よりも測定流量が小さくなる状態となる。そうすると、前記流量制御器は前記第２バルブを通過する流体の流量を増加させて偏差を小さくするために前記第２バルブの開度を大きくする。

このような前記流量制御器と前記第１バルブ制御器の動作が制御周期ごとに繰り返されることによって、前記第２バルブの開度は、変化後の維持流量値においても初期流量値において維持されていた開度と同じ開度に戻すことができる。

したがって、維持流量値のような小流量で流体を流す場合には、最終的には前記第１バルブの開度を小さくして流体の流入を小さくして、前記第２バルブは抵抗とならないように開度を大きくできる。この結果、前記流量センサにおける絶対圧を低くし、流量センサの感度や測定精度を高い状態に保てる。一方、初期流量値のように大流量で流体を流す場合には、前記第２バルブの開度が所定の開度で保たれるように、前記第１バルブの開度が大きくなるように変更されてより流体の流入が大きくなる。このため、前記流量センサや前記第２バルブの圧損や前記第２バルブの下流側の圧力を上回らせて大流量を流すことができる。このように本発明であれば小流量時には前記流量センサの感度や測定精度を高く保つことと、大流量を流すのに必要な差圧の実現も両立させることができる。

前記流量センサが、前記第１バルブと前記第２バルブとの間に設けられた流体抵抗と、前記第１バルブと前記流体抵抗の間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、前記第１圧力センサで測定される第１圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２圧力とに基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備えたものである場合に、前記流量センサの感度や測定精度を十分に発揮できるようにするには、前記第１バルブ制御器に設定される前記目標量が、前記第２バルブの開度が全開側の所定開度に維持される一定値であればよい。このようなものであれば、前記第２バルブの開度が大きい状態が保たれるので、前記第２バルブの上流側にある前記流量センサの圧力を低下させることが可能となり、感度や測定精度を向上させることができる。

前記第１バルブ制御器の具体的な制御則としては、前記第２バルブの開度が前記目標量に相当する開度よりも小さい場合には、前記第１バルブ制御器が、前記第１バルブの開度を小さくする方向に制御するものが挙げられる。このような、前記第２バルブの開度が目標とする状態よりも小さくなった場合には、前記第１バルブの開度が小さくなり、前記第２バルブに供給される流量を小さくなる。このため、前記流量制御器は流量を維持するために前記第１バルブの開度を大きくするように動作するので、前記第１バルブの開度を目標とする開度で保ち続けることができる。

前記第１バルブ及び前記第１バルブ制御器の具体的な構成例としては、前記第１バルブがノーマルオープンタイプのピエゾバルブであり、前記第１バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第１バルブに印加する電圧を大きくする方向に制御するものが挙げられる。

前記第１バルブ及び前記第１バルブ制御器の別の構成例としては、前記第１バルブがノーマルクローズタイプのピエゾバルブであり、前記第１バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第１バルブに印加する電圧を小さくする方向に制御するものが挙げられる。

既存の流量制御装置に対してプログラムの更新を行うことにより、本発明に係る流量制御装置と同様の効果を発揮できるようにするには、流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、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、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、前記流量制御器が前記第２バルブに入力する操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、としての機能をコンピュータに発揮させ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良い。

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、BD、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。

流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の物理量を測定する流体センサと、前記流体センサで測定される測定量と設定量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流体制御器と、前記流体制御器が前記第２バルブに入力する操作量又は前記第２バルブの開度である制御量と、目標量との偏差が小さくなるように、前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、を備えた流体制御装置であれば、流量、圧力、あるいは濃度といった流体の物理量を設定量と一致するように制御しつつ、第２バルブの開度を所望の開度で維持し続けて、流体センサを動作させるのに適した圧力を保つ事が可能となる。したがって、制御の対象となる物理量の種類に関わらず、制御精度を従来よりも向上させることが可能となる。

例えばチャンバ内にガスを供給してプラズマを形成するようなプロセスの場合、チャンバ内でプロセスが休止している期間でも最低限のプラズマを生成し続ける。これは、チャンバ内の不純物等が空中に浮いた状態を維持し、基板には不純物が堆積しないようにするためである。このため、プロセス中には所定流量のガスをチャンバに供給しておき、休止期間に入るとガスの流量をプラズマが維持されるような最低限度の維持流量まで減少させて維持される。

ところで、流量センサと、前記流量センサの下流側に設けられた制御バルブと、流量センサの測定流量と設定流量の偏差に基づいて制御バルブを制御する流量制御器とを備えた流量制御装置において、上記のような流量制御を実現するために前記流量制御器に対してステップ状に流量値が大きく低下する設定流量を設定し、維持流量に相当する前記制御バルブの開度が全閉に近い開度の場合には、瞬間的にチャンバ内にはガスが供給されていない状況が発生する可能性がある。

具体的には前記流量センサは前記制御バルブの上流側に存在するため、前記制御バルブを実際に通過しているガスの流量に対して時間遅れが発生している。このため、前記流量制御器が維持流量を実現するために前記制御バルブの開度を小さくし、ある時点で前記制御バルブが維持流量を実現するのに適した開度となっていても前記流量センサは維持流量よりも大きい測定流量を出力することになる。そして、流量制御器は測定流量と設定流量の偏差を解消するために、さらに前記制御バルブの開度を小さくするので、前記制御バルブが全閉となってしまう可能性がある。すなわち、図７のグラフに示すように前記流量センサの出力はゼロとなっていなくても、前記制御バルブの開度はゼロとなっているので、実際には図８に示すように前記制御バルブの下流側にはガスは流れておらず、チャンバにおいてプラズマを維持できない状態になってしまう。

このような問題を解決するには、流路に設けられ、当該流路を流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構と、前記センシング機構の出力信号の示す測定値と、前記測定値に応じた流量特性値とに基づいて前記流量を算出する流量算出部と、を具備する流量センサと、前記流量センサの上流側又は下流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサで測定される測定流量と、設定流量との偏差が小さくなるように前記制御バルブを制御する流量制御器と、指令流量に対して前記センシング機構の出力信号の示す測定値に応じた時間遅れを付与した前記設定流量を前記流量制御器に設定するリファレンスガバナと、を備えた流量制御装置を用いれば良い。

このようなものであれば、前記リファレンスガバナが前記センシング機構の出力信号の示す測定に応じた時間遅れを付与して前記設定流量を前記流量制御器に設定するので、前記設定流量には前記流量センサの時間遅れを反映させることができる。したがって、前記流量センサの時間遅れによる測定流量と設定流量との偏差が発生しにくいため、前記流量制御器が全閉に近い開度に相当する流量を実現しようとする場合でも、前記制御バルブが全閉となるまで制御されるのを防ぐことができる。

また、前記リファレンスガバナは前記センシング機構の出力信号の示す測定値に応じて前記設定流量に時間遅れを付与するので、例えば流量の大きさの違いにより前記流量センサに現れる時間遅れの大きさの違いも正確に反映させることができる。このため、一定の時間遅れが設定流量に対してそのまま与えられる場合と比較して、前記流量センサの時間遅れに起因する偏差を発生しにくくし、前記制御バルブが全閉となって低流量での流体の供給が途切れてしまうのを防ぐことができる。

前記リファレンスガバナによって、前記設定流量に前記流量センサの時間遅れを正確に反映させるための具体的な構成例としては、前記センシング機構が、流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と下流側に設けられた第２圧力センサと、を具備し、前記流量算出部が、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力信号の示す測定値である第１圧力及び第２圧力に基づいて、前記流量特性値である流路抵抗を決定する係数決定部と、前記第１圧力、前記第２圧力、及び、前記流路抵抗に基づいて前記流量を算出する出力部と、を具備し、前記リファレンスガバナが、前記係数決定部で決定される前記流路抵抗と、前記指令流量に基づいて前記設定流量を算出し、前記流量制御器に当該設定流量を設定するように構成されたものが挙げられる。

流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記流路において前記第１バルブと前記第２バルブの間に設けられた流体抵抗と、前記流路において前記第１バルブと前記流体抵抗との間の容積である第１容積内の圧力を測定する第１圧力センサと、前記流路において前記流体抵抗と前記第２バルブとの間の容積である第２容積内の圧力を測定する第２圧力センサと、前記第１圧力センサで測定される第１圧力と前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備えた流量制御装置において、前記第１容積の大きさについて正確に同定できるようにし、製造誤差等があったとしても前記第１容積の大きさから定められる各種パラメータを機器ごとに適切に設定して流量制御の精度をさらに向上させられるようにするには、前記第１容積又は前記第２容積の容積について診断する診断器と、を備え、前記診断器が、前記第１バルブが開放され、前記第２バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第１圧力の変化量とに基づいて前記第１容積の大きさを算出するものであればよい。

前記第２容積の大きさについても正確に同定できるようにするには、前記診断器が、前記第２バルブが開放され、前記第１バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第２圧力の変化量とに基づいて前記第２容積の大きさを算出するものであればよい。

大きさを同定した容積内への流体の流出又は流入が安定した状態となっており、同定誤差を発生しにくくするには、前記所定期間が、前記第１圧力と前記第２圧力の差の絶対値が最大となってから前記第１圧力と前記第２圧力が等しくなるまでの期間であればよい。

同定された前記第１容積及び前記第２容積の大きさについて、別の方法でその正しいを検定できるようにするには、前記診断器が、前記所定期間の開始時点における前記第１圧力と前記所定期間の終了時点における前記第１圧力の差と、前記所定期間の開始時点における前記第２圧力と前記所定期間の終了時点における前記第２圧力の差に基づいて、前記第１容積と前記第２容積との間の容積比を算出するものが挙げられる。

このように本発明に係る流量制御装置であれば、前記第２バルブが流量フィードバックにより制御され、前記第２バルブの上流側にある前記第１バルブが前記第２バルブの開度に関連する制御量が目標量と一致するように制御することにより、小流量を流す場合には流量センサの感度や測定精度が発揮されるような低圧を実現しつつ、大流量を流す場合には各種圧損や下流側の圧力を上回れるような圧力差を実現することもできる。

本発明の一実施形態における流量制御装置を示す模式図。 同実施形態における流量制御装置の流量制御と第２バルブの開度維持に関連する構成を示した模式図。 同実施形態における流量制御装置の第１バルブと第２バルブの動作を示す模式的グラフ。 同実施形態における流量制御装置のリファレンスガバナに関連する構成を示した模式図。 従来の流量制御装置における第１バルブと第２バルブの制御例を示す模式図。 圧力式の流量センサにおける絶対圧に対する感度変化を示す流量−差圧のグラフ。 従来の流量制御装置における第１バルブ及び第２バルブの開度変化を示す模式図。 従来の流量制御装置における流量変化の例を示す模式図。 本発明のその他の実施形態における流量制御装置を示す模式図。 同定される第１容積又は第２容積のズレを示す模式図。 プロセス停止時等に実施される第２容積の同定に関する動作を示すフローチャート。 プロセス停止時等に実施される第１容積の同定に関する動作を示すフローチャート。 プロセス中においてガスの供給が停止される場合等に実施される容積比、第１容積、及び、第２容積の同定に関する動作を示すフローチャート。

本発明の第１実施形態における流量制御装置１００について図１乃至図４を参照しながら説明する。

一実施形態の流量制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてプラズマが生成されるチャンバ内に反応性ガスを予め定められた設定流量で供給するために用いられるものである。具体的にはこの流量制御装置１００は、チャンバ内でドライエッチングを進行させるプロセス期間中は所定流量の反応性ガスを供給する。また、この流量制御装置１００は、プロセスの休止期間中にはチャンバ内にプラズマを維持するために必要最小限の流量である維持流量で供給する。維持流量は、例えばチャンバ内に微粒子（ダスト）によりクーロン結晶が形成され、チャンバ内の基板に微粒子が休止期間中に堆積しないようにできる反応性ガスの流量となる。

図１に示すように流量制御装置１００は、流路に設けられたセンサ、バルブからなる流体機器と、当該流体機器の制御を司る制御演算機構ＣＯＭと、を備えている。

流体機器は、流路に対して設けられた、供給圧センサＰ０、第１バルブＶ１、第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、第２圧力センサＰ２、第２バルブＶ２からなる。各機器は上流側からこの順番で設けられている。

ここで、流体抵抗ＦＲは層流素子であり、その前後の差圧に応じて当該流体抵抗ＦＲ内に流れるガスの流量が生じる。第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、第２圧力センサＰ２、及び、後述する流量算出部ＦＣは第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間の流路を流れる流体の流量を測定する流量センサＦＳを構成する。すなわち、第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、及び、第２圧力センサＰ２は流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構ＳＭであり、流量算出部ＦＣはセンシング機構ＳＭの出力信号に基づいて流路を流れている流体の流量を算出する。この流量センサＦＳはいわゆる圧力式の流量センサであるため、各圧力センサで測定される圧力が低いほど測定される流量の測定精度が高くなる特性を有している。本実施形態では流量制御装置１００の設けられている流路は真空引きされているチャンバに接続されている。したがって、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２との間の容積内の圧力を所定値以下に低下させるには、第１バルブＶ１は全閉側の開度に保ち流入する流体の量を減らし、第２バルブＶ２を所定開度に以上に保ち、容積内の流体が第２バルブＶ２を通過しやすくすればよい。

供給圧センサＰ０は、上流側から供給されるガスの圧力をモニタリングするためのものである。なお、供給圧センサＰ０については供給圧が安定していることが保証されている場合等には省略してもよい。

第１圧力センサＰ１は、流路において第１バルブＶ１と流体抵抗ＦＲとの間における容積である第１容積ＶＬ１内にチャージされているガスの圧力（以下、第１圧力とも言う。）を測定するものである。

第２圧力センサＰ２は、流路において流体抵抗ＦＲと第２バルブＶ２との間における容積である第２容積ＶＬ２にチャージされているガスの圧力（以下、第２圧力とも言う。）を測定するものである。

このように第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、第１バルブＶ１、流体抵抗ＦＲ、第２バルブＶ２で形成される２つの容積である第１容積ＶＬ１、第２容積ＶＬ２の圧力をそれぞれ測定している。また、別の表現をすると、第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、流体抵抗ＦＲの前後に配置されたそれぞれの容積内の圧力を測定するものである。

第１バルブＶ１、及び、第２バルブＶ２は、この実施形態では同型のものであり、例えばピエゾ素子によって弁体が弁座に対して駆動されるピエゾバルブである。なお、第２バルブＶ２は請求項における制御バルブにも相当する。この実施形態では第２バルブＶ２が流量センサの測定流量による流量フィードバック制御によってその開度が制御される。一方、第１バルブＶ１は第２バルブＶ２に印加されている電圧がフィードバックされ、その電圧が予め定めた一定値となるようにその開度が制御される。すなわち、第１バルブＶ１に対しては自身とは異なるバルブに印加されている電圧の情報がフィードバックされて、その開度が制御される。

次に制御演算機構ＣＯＭについて詳述する。制御演算機構ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を具備するいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されている流体制御装置用プログラムが実行されて各種機器が協業することにより、流量算出部ＦＣ、流量制御器１、第１バルブ制御器２、リファレンスガバナ３としての機能を少なくとも発揮する。

流量算出部ＦＣは、センシング機構ＳＭの出力信号の示す測定値と、測定値に応じた流量特性値とに基づいて流量を算出する。具体的には流量算出部ＦＣは、センシング機構ＳＭの出力信号の示す測定値である流体抵抗ＦＲの上流側の圧力である第１圧力と下流側の圧力である第２圧力に基づいて、流体抵抗ＦＲ内を流れている流体の流量を算出する。ここで、流量算出部ＦＣは、第１圧力と第２圧力だけでなく、流体抵抗ＦＲの特性に応じて定まる流量特性値に基づいて流量を算出する。

すなわち、流量算出部ＦＣは、第１圧力、及び、第２圧力に基づいて流量特性値である流路抵抗を決定する係数決定部ＦＣ１と、第１圧力、第２圧力、流路抵抗とに基づいて流量を算出し流量制御器１に出力する出力部ＦＣ２とからなる。

出力部ＦＣ２は、例えば流量をＱ、流路抵抗をＲ、第１圧力をＰ_１、第２圧力をＰ_２とした場合にＱ＝（Ｐ_１−Ｐ_２）／Ｒの式に基づいて流量を算出する。ここで、流路抵抗Ｒは第１圧力Ｐ_１及び第２圧力Ｐ_２の影響を受けて変化する。

係数決定部ＦＣ１は、例えば第１圧力Ｐ_１と、第１圧力Ｐ_１と第２圧力Ｐ_２の差圧ΔＰから流量特性値である流路抵抗Ｒを決定する。係数決定部ＦＣ１は、例えば流路抵抗Ｒを第１圧力Ｐ_１、と差圧をパラメータとする多変数関数から算出するように構成してもよいし、予め実験等により決定した流路抵抗Ｒ、第１圧力、差圧のテーブルを参照して流路抵抗Ｒを決定するように構成してもよい。

流量制御器１は、リファレンスガバナ３により設定される設定流量と、流量センサで測定されている測定流量との偏差が小さくなるように例えばＰＩＤ制御によって第２バルブＶ２に入力される操作量である印加電圧を流量フィードバック制御する。

この実施形態では設定流量は、ユーザによって例えばステップ関数や折れ線関数等として入力される指令流量がリファレンスガバナ３によって、流量センサの測定流量の時間遅れが反映された連続関数に変換されたものである。

第１バルブ制御器２は、第２バルブＶ２に入力される操作量である印加電圧を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブＶ１への印加電圧を制御する。ここで、目標量は例えばユーザによって設定される値であり、第２バルブＶ２において維持し続けたい開度に相当する維持電圧値である。本実施形態では維持電圧値に相当する開度は、第２バルブＶ２の全開側の開度であり、チャンバからの真空引きにより第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間の容積が、流量センサの動作に適した所定圧力以下の状態が実現される。また、維持電圧値は定数であり、常に一定の値として設定される。通常第１バルブＶ１の開度を制御するのであれば、第１バルブＶ１に関する情報、あるいは、第１バルブＶ１によって直接的に操作される流量の物理量をフィードバックして制御するところ、第１バルブ制御器２は第２バルブＶ２に関する情報をフィードバックして第１バルブＶ１の開度を制御する。

より具体的には第１バルブ制御器２は、第２バルブＶ２が目標の開度で維持されるように第２バルブＶ２への印加電圧の大きさに応じて、流量センサ及び第２バルブＶ２へと供給される流体の流量を変化させる。つまり、第１バルブ制御器２は、維持電圧値に対して第２バルブＶ２への印加電圧が小さくなっており、第２バルブＶ２の開度が目標の開度よりも小さくなっている場合には、第２バルブＶ２への流体の供給量を減らすように第１バルブＶ１への印加電圧を減少させて、第１バルブＶ１の開度を小さくする。逆に第２バルブＶ２の開度が目標の開度よりも大きくなっている場合には、第２バルブＶ２への流体の供給量を増やすように第１バルブＶ１への印加電圧を増加させて、第１バルブＶ１の開度を大きくする。

ここで、このように構成された流量制御器１と第１バルブ制御器２とが協調してどのように動作するかについて図２及び図３を参照しながら説明する。この説明では簡単のため、図２に示すようにリファレンスガバナ３の影響については省略してある。また、設定流量については図３に示すようにプロセス期間中の所定の流量から休止期間中の維持流量へと折れ線関数で変化する場合を例としており、グラフには第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２への印加電圧の時間変化が示してある。

プロセス期間中において所定の流量で安定供給されている間は、第１バルブＶ１への印加電圧Ｖ１及び第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２はそれぞれほぼ一定値で安定する。この期間における第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２の値は、第１バルブ制御器２に入力されている目標量の維持電圧値とほぼ一致する。

次にプロセス期間と休止期間との間の遷移期間では、流量制御器１に入力されている設定流量は所定の流量から維持流量へと短時間で大きく変化するので、流量センサの出力する測定流量よりも設定流量のほうが小さくなり、偏差が発生する。このため、流量制御器１は測定流量が小さくなるように第２バルブＶ２の開度が小さくなるように印加電圧Ｖ２を低下させていく。

図３に示すように遷移期間において第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２が変化すると、目標量である維持電圧値よりも制御量である印加電圧Ｖ２が小さくなり偏差が発生する。したがって、第１バルブ制御器２はこの偏差を解消するために、第１バルブＶ１への印加電圧Ｖ１を低下させて、第１バルブＶ１の開度を小さくして、第２バルブＶ２への流体の供給量を減少させ始める。

休止期間の初期においては、第１バルブＶ１からの流体の供給が減少すると、流量センサで測定される測定流量も減少するので、維持流量よりも測定流量が小さくなり偏差が生じる。このため、流量制御器１は前記第２バルブＶ２を通過する流体の流量を増加させるために第２バルブＶ２の開度を大きくして、測定流量を維持流量に戻そうとする。また、第２バルブＶ２の印加電圧Ｖ２は維持電圧よりも小さい状態は維持されているので、第１バルブ制御器２は引き続き、第１バルブＶ１への印加電圧Ｖ１を低下させて、第２バルブＶ２への流体の供給量を減少させ続ける。このような動作が制御周期ごとに繰り返されることにより、第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２は上昇し続け、第１バルブＶ１への印加電圧Ｖ１は低下し続けることになる。このような傾向は最終的に第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２が目標である維持電圧と一致するまで継続されることになる。最終的には、第２バルブＶ２への印加電圧Ｖ２は維持電圧で保たれ、第１バルブＶ１への印加電圧Ｖ１は第２バルブＶ２の印加電圧Ｖ２が目標である維持電圧と一致した時点の電圧で一定に保たれる。

このように休止期間の初期では第２バルブＶ２の開度が全閉近傍に変化することにより維持流量が実現され、その後は第１バルブＶ１の開度が徐々に小さく変更されるのに対応して、第２バルブＶ２の開度が徐々に大きく変更される。このため、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２の開度がそれぞれ変更されても第２バルブＶ２から流出する流体の流量は維持流量で保たれる。このようにして、設定流量に変化がある場合でも最終的には第２バルブＶ２の開度は目標量である維持電圧値に収束することになる。また、小流量を流す場合には、流量センサＦＳの設けられている容積の圧力は感度や測定精度が最も良くなる圧力まで低下させることができる。一方、大流量を流す場合には、第１バルブＶ１の開度は大きい状態に保たれ、流体の流入が増加するので、第１圧力の値を流体抵抗ＦＲである層流素子や第２バルブＶ２の圧損、及び、第２バルブＶ２の下流側の圧力を上回るようにして、大流量を実現できる。

次にリファレンスガバナ３について図１及び図４を参照しながら説明する。

リファレンスガバナ３は、ユーザにより入力される指令流量に対してセンシング機構ＳＭの出力信号の示す測定値に応じた時間遅れを付与した設定流量を流量制御器１に設定する。具体的には図１に示すようにリファレンスガバナ３には各制御周期において流量センサの流量算出部ＦＣで使用されている流量特性値が逐次フィードバックされる。リファレンスガバナ３は、フィードバックされた流量特性値に応じた係数を使用して指令流量から設定流量を算出し、流量制御器１に対して入力する。

具体的には図４に示すようにリファレンスガバナ３は、流路抵抗をＲ、流量センサが測定対象とする容積をＶとした場合に、１／（１＋ＲＶｓ）として表現される一時遅れ要素として作用するものである。ここで、Ｒは定数ではなく、第１圧力Ｐ_１と、第１圧力と第２圧力の差圧ΔＰをパラメータとする変数である。このように指令流量に対して一時遅れ要素としてリファレンスガバナ３が作用すると、出力される設定流量には流量センサの時間遅れが反映されたものとなる。すなわち、第２バルブＶ２の上流側に流量センサが設けられているので、容積分だけ第２バルブＶ２に流れている流量に対して流量センサの測定流量には所定の時間遅れが第１圧力Ｐ_１と差圧ΔＰに応じて発生している。本実施形態ではリファレンスガバナ３によって設定流量にもこのような流量センサにおける時間遅れが反映された値が入力されている。この結果、設定流量が所定の値から維持流量のような全閉に近い開度に相当する流量に変更されたとしても、流量制御器１において過剰な偏差が発生するのを防ぎ、瞬間的に第２バルブＶ２が全閉されてしまうのを防ぐことができる。したがって、休止期間においてプラズマを生成し続けるのに必要な最低限の流量を途切れることなく供給することが可能となる。

このように本実施形態の流量制御装置１００によれば、流量制御器１と第１バルブ制御器２の制御によって、設定流量に変化があったとしても第２バルブＶ２の開度は維持電圧に相当する全開側の開度で一定に保つことができる。したがって、流量制御装置１００における下流側から十分な量の流体を排気し、流量センサのセンシング機構ＳＭにおける圧力を測定精度が発揮される低圧に保つ事が可能となる。このため、流量制御装置１００としての流量精度を従来よりも向上させることができる。また、大流量を流す場合には第１バルブＶ１の開度が大きくなるように変更され、流体の流入が増加し、大流量を実現するのに必要な差圧も実現できる。すなわち、本実施形態の流量制御装置１００は、小流量を流す場合は低圧状態を実現でき、大流量を流す場合には高圧状態を実現できるので、小流量での流量制御精度と大流量の供給能力を両立させることができる。

さらに、リファレンスガバナ３によって設定される設定流量は、第１圧力、第２圧力の影響を受ける流量センサの時間遅れについても忠実に再現しているので、設定流量が大きく変化する場合でも流量制御器１に過大な偏差が瞬間的に発生して全閉状態が発生するのを防ぐことができる。このため、プロセスの休止期間中において維持流量を実現するために第２バルブＶ２が閉じられていく場合に、瞬間的に全閉となるのを防ぐことができる。したがって、チャンバ内には常にプラズマを生成するのに必要な反応性ガスを供給し続けることができ、チャンバ内の微粒子等が基板に堆積するのを防ぐことができる。

本発明のその他の実施形態における流量制御装置について説明する。

図９に示す流量制御装置１００は、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の大きさを流量センサＦＳの各出力に基づいて同定する診断器Ｄを備えたものである。なお、図９では前述した実施形態において説明した流量制御に関連する流量制御器１、第１バルブ制御器２、リファレンスガバナ３については省略表記している。また、この実施形態の診断器Ｄは、流路に対して第１バルブＶ１、第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、第２圧力センサＰ２、第２バルブＶ２がこの順番で設けられている流量制御装置１００を診断対象としている。

図９に示す診断器Ｄは、第１バルブＶ１と流量センサＦＳの一部である流体抵抗ＦＲとの間に形成される内部空間である第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の大きさについて、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２、流量センサＦＳ、及び、図示しない温度センサの出力に基づいて同定する。ここで、流体抵抗ＦＲは、図１０に示すように微細な溝が形成された流れ方向に沿って形成されたプレートＰＬを積層した層流素子である。第１容積ＶＬ１、及び、第２容積ＶＬ２の大きさは、図１０に示すように流体抵抗ＦＲに関連する各種パラメータによって設計値からばらつきが発生する。すなわち、従来であれば流体抵抗ＦＲの上流側端面において層流が成立すると考えられていたため、流体抵抗ＦＲの下流端面は設計上の流体抵抗ＦＲの上流端位置を基準として算出されていた。しかしながら、実際には流体抵抗ＦＲの位置は加工機差等により設計上の位置からずれているととともに、層流ＬＦが形成される面ＬＦ１も流体抵抗ＦＲの端面よりも一定距離内側から発生する。このため、流体抵抗ＦＲの設計上の端面位置及びシール面ＳＬで第１容積ＶＬ１の大きさを算出すると実際の値からずれが生じていることを本願発明者らは見出した。また、同様に第２容積ＶＬ２の大きさも流体抵抗ＦＲの下流側端面の位置ずれや、層流ＬＦが最終的に破壊される面ＬＦ２が流体抵抗ＦＲの外側に発生すること等により設計上の大きさからはずれが生じている。

診断器Ｄは、例えば流量制御装置１００において用いられる制御モデルの精度を向上させるために、上述したような第１容積ＶＬ１、第２容積ＶＬ２の大きさのずれを低減する。具体的に診断器Ｄは、図９に示すように少なくとも診断動作制御部Ｄ１、第１容積算出部Ｄ２、第２容積算出部Ｄ３、容積比算出部Ｄ４、校正部Ｄ５としての機能を備えたものである。以下では図１１、図１２、図１３のフローチャートを参照しながら各部の構成及び動作について詳述する。

最初に図１１に示すフローチャートに基づいて第２容積ＶＬ２の大きさの同定手順に基づいて説明する。なお、図１１に示す第２容積ＶＬ２の同定手順は、流量制御装置１００によるチャンバへの各種ガスの供給が行われるプロセス期間中ではなく、例えばチャンバへの各種ガスの供給が停止されている休止期間中に実施される。

まず、診断動作制御部Ｄ１は第１バルブＶ１を全閉状態に制御するとともに、第２バルブＶ２については全開状態に制御する。このように下流側にある第２バルブＶ２のみを全開状態に保ち、流量制御装置１００内の第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２のガス例えば排気流路等へ排気する（ステップＳ１）。

次に診断動作制御部Ｄ１は第１バルブＶ１を全開状態に制御するとともに、第２バルブＶ２については全閉状態に制御する。すなわち、上流側にある第１バルブＶ１のみを開放した状態にすることで、流量制御装置１００内の第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２内にガスを充填して、昇圧を開始する（ステップＳ２）。

また、ガスの充填が開始された時点から、第２容積算出部Ｄ３は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２による各容積内の圧力の測定を開始する（ステップＳ３）。

第２容積算出部Ｄ３は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２で測定される各圧力の圧力差が最大となったかどうかについて判定し（ステップＳ４）、圧力差が最大となった時点からは第２容積算出部Ｄ３は、流量センサＦＳが出力する流量の積算を開始する（ステップＳ５）。第２容積算出部Ｄ３は、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２に十分な量のガスがチャージされ、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２で測定される各圧力が高圧側でほぼ等しくなったかどうかについて判定し（ステップＳ６）、各圧力が等しくなった時点で第２容積算出部Ｄ３は質量流量の積算を終了する（ステップＳ７）。最後に第２容積算出部Ｄ３は、算出された積算流量ｎを積算期間の間における第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力の変化量ΔＰ２で割って、第２容積ＶＬ２の大きさを同定する（ステップＳ８）。

上記の手順で第２容積ＶＬ２を算出できる根拠は以下の通りである。流体抵抗ＦＲを通過して第２容積ＶＬ２に流入したガスの流量の積算値は、流量の積算を行った所定期間内に流入したガスのモル数の変化量に相当するので、第２容積ＶＬ２に流入したガスについて気体の状態方程式を当てはめると、ΔＰ２・ＶＬ２＝ｎＲ_ＧＴとなる。ここでｎは流量の積算値であり、Ｒ_Ｇは気体定数、Ｔはガスの温度であり、所定期間中は一定温度として扱う。この気体の状態方程式を変形すれば、ＶＬ２＝（ｎＲ_ＧＴ）／ΔＰ２であることが分かる。

次に図１２に示すフローチャートに基づいて第１容積ＶＬ１の大きさの同定手順に基づいて説明する。なお、図１２に示す第１容積ＶＬ１の同定手順は、流量制御装置１００によるチャンバへの各種ガスの供給が行われるプロセス期間中ではなく、例えばチャンバへの各種ガスの供給が停止されている休止期間中に実施される。また、第２容積ＶＬ２の同定では昇圧過程におけるガスの圧力と流量の変化を利用したが、第１容積ＶＬ１の同定では減圧過程におけるガスの圧力と流量の変化を利用する。

まず、診断動作制御部Ｄ１は第１バルブＶ１を全開状態に制御するとともに、第２バルブＶ２を全閉状態に制御し、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２内の各圧力がほぼ平衡となるまで待機する（ステップＳＴ１）。次に診断動作制御部Ｄ１は第１バルブＶ１を全閉状態に制御するとともに、第２バルブＶ２を全開状態に制御し、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２からガスを排気させ、減圧を開始する（ステップＳＴ２）。

また、第２バルブＶ２が開放された時点から、第１容積算出部Ｄ２は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２による各容積内の圧力の測定を開始する（ステップＳＴ３）。

第１容積算出部Ｄ２は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２で測定される各圧力の圧力差が最大となったかどうかについて判定する（ステップＳＴ４）。圧力差が最大となった時点で第１容積算出部Ｄ２は、流量センサＦＳの出力する流量の積算を開始する（ステップＳＴ５）。

次に第１容積算出部Ｄ２は、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２から十分に排気され、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２で測定される各圧力が低圧側でほぼ等しくなったかどうかについて判定し（ステップＳＴ６）、各圧力が等しくなった時点で第１容積算出部Ｄ２は質量流量の積算を終了する（ステップＳＴ７）。最後に、第１容積算出部Ｄ２は、算出された積算流量ｎを積算期間において第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力の変化量ΔＰ１で割って、第１容積ＶＬ１の大きさを同定する（ステップＳＴ８）。具体的には第１容積算出部Ｄ２は、第２容積算出部Ｄ３と同様に気体の状態方程式から導出されるＶＬ１＝（ｎＲ_ＧＴ）／ΔＰ１に基づいて第１容積ＶＬ１の大きさを同定する。ここで、ｎは流量の積算値であり、Ｒ_Ｇは気体定数、Ｔはガスの温度であり、所定期間中は一定温度として扱っている。

次に容積比算出部Ｄ４による第１容積ＶＬ１と第２容積ＶＬ２の容積比の算出手順について図１３のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図１３に示す手順は図１１及び図１２とは異なり、休止期間中ではなく、チャンバ内に各種ガスが供給されるプロセス期間中においても実施可能なものである。

まず、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２が前述した実施形態において説明した第１バルブ制御器２及び流量制御器１による通常の流量制御が行われている状態から（ステップＳＰ１）、診断動作制御部Ｄ１は、第１バルブＶ１を全閉状態に制御するとともに、第２バルブＶ２を全閉状態に制御する（ステップＳＰ２）。なお、ステップＳＰ２については診断動作制御部Ｄ１が各バルブを制御した結果ではなく、プロセス期間中に設定流量がゼロとなっている場合や、全閉指令が各バルブの制御器に入力されている結果、生じたものであってもよい。また、並行して第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２による圧力測定が開始され（ステップＳＰ３）、各圧力センサで測定される初期圧力について容積比算出部Ｄ４は記憶する（ステップＳＰ４）。さらに第１容積算出部Ｄ２、及び、第２容積算出部Ｄ３は流体抵抗ＦＲを流れるガスの流量である流量センサＦＳの出力する流量の積算を開始する（ステップＳＰ５）。ここで、流量制御状態から各バルブが全閉された直後の状態では、流量制御装置１００内には圧力差が存在し、第１圧力の方が第２圧力よりも高圧の状態となっている。

容積比算出部Ｄ４は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２の測定する圧力がほぼ等しくなったかどうかをについて判定する（ステップＳＰ６）。第１圧力が低下し、第２圧力が上昇することで、各圧力がほぼ等しくなると、容積比算出部Ｄ４はその圧力を平衡点圧力として記憶するとともに（ステップＳＰ７）、第１容積算出部Ｄ２、及び、第２容積算出部Ｄ３は流量センサＦＲの出力する流量の積算を終了する（ステップＳＰ８）。

容積比算出部Ｄ４は、記憶している各初期圧力と平衡点圧力に基づいて第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の比を算出する（ステップＳＰ９）。具体的には、第１圧力センサＰ１で測定された初期圧力をＰ１Ｓ、第２圧力センサＰ２で測定された初期圧力をＰ２Ｓ、平衡点圧力をＰＥとすると、Ｐ１Ｓ−ＰＥ：ＰＥ−Ｐ２Ｓ=ＶＬ１：ＶＬ２に基づいて第１容積ＶＬ１と第２容積ＶＬ２の容積比ＶＬ１：ＶＬ２を算出することができる。

また、第１容積算出部Ｄ２は積算流量ｎをＰ１Ｓ−ＰＥで割って第１容積ＶＬ１の大きさを算出する（ステップＳＰ１０）。同様に第２容積算出部Ｄ３は積算流量ｎをＰＥ−Ｐ２Ｓで割って第２容積ＶＬ２の大きさを算出する（ステップＳＰ１１）。より具体的にはＲ_Ｇは気体定数、Ｔはガスの温度とした場合にＶＬ１＝（ｎＲ_ＧＴ）／（Ｐ１Ｓ−ＰＥ）、ＶＬ２＝（ｎＲ_ＧＴ）／（ＰＥ−Ｐ２Ｓ）に基づいて第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の大きさは算出される。

さらに第１容積算出部Ｄ２、第２容積算出部Ｄ３、容積比算出部Ｄ４から算出される第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の大きさや比に基づいて、校正部Ｄ５は流量センサＦＲにおいて使用されている流量の算出のためのパラメータを校正したり、第１バルブ制御器２又は流量制御器１において使用されている各種パラメータを校正したりする。

このように図９乃至図１３に基づいて説明した流量制御装置１００であれば、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２の大きさや比について流体抵抗ＦＲの加工誤差等の器差や実際に層流が形成される面の位置のズレを反映した値で同定できる。したがって、第１容積ＶＬ１及び第２容積ＶＬ２がガスに対して作用する大きさを正確に得られるので、流量の算出や流量制御に用いられる各種パラメータの設定をより正確に行う事が可能となる。このため、より正確で精度の高い流量制御を実現できるようになる。

なお、図１１乃至図１３において示した手順において流量の積分値を求める区間の開始点、終了点については前述したものに限られない。例えば各圧力の差圧が最大となってから所定時間経過後から、各圧力が平衡となる所定時間前までの区間を積分区間に設定してもよい。すなわち、同定精度によっては区間をより短く設定しても構わない。

前記実施形態では、第１バルブ制御部にフィードバックされるのは第２バルブへ入力される操作量である第２バルブへの印加電圧であったが、第２バルブに変位センサを設けて第２バルブの開度を測定できるように構成しておき、変位センサで測定される測定開度を制御量として第１バルブ制御器にフィードバックするようにしてもよい。この場合、第１バルブ制御器に入力される目標量は第２バルブにおいて維持したい開度の値そのものであればよい。

前記実施形態から例えば図２の模式図に示したようにリファレンスガバナを省略して構成してもよい。この場合ユーザにより設定される指令流量と設定流量は完全に一致することになる。逆に図４の模式図に示したように第１バルブを省略して、流量センサ、第２バルブ（制御バルブ）、流量制御器、リファレンスガバナからなる流量制御装置として構成してもよい。また、図４の模式図に示すように流量センサの下流側に制御バルブが配置されるものに限られず、制御バルブが流量センサの上流側に配置されるものであってもよい。上流側に流量が配置されている場合には、流量センサ自体の特性による時間遅れや、制御バルブにより流量センサが上流側に設けられていることによる位相進みの両方又は一方がリファレンスガバナによって流量制御器に反映されるようにしてもよい。

また、流量センサの流量算出部において用いられる流量算出式についても前記実施形態において説明したものに限られない。例えば、第１圧力をＰ_１と、第２圧力をＰ_２、流路抵抗をＲとした場合に、Ｐ_１ ^２−Ｐ_２ ^２と流路抵抗Ｒに基づいて流量を算出するようにしてもよい。また、係数決定部で決定される係数は流路抵抗Ｒに限られるものではなく、その他の種類の流量を算出するために必要で第１圧力又は第２圧力の影響を受けて変化するようなパラメータの値を決定してもよい。また、リファレンスガバナもこのようなパラメータを逐次フィードバックして流量制御器に対して流量センサにおける時間遅れを反映させるようにしてもよい。

流量センサについては圧力式の流量センサに限られるものではなく、熱式や超音波式等の様々な方式のものであっても構わない。なお、流量センサの方式に応じて第２バルブにおいて維持し続けたい圧力が異なる場合には、第１バルブ制御器に入力される目標量を適宜変更し、流量センサにおいて維持したい圧力に応じた開度が第２バルブで実現されるようにすればよい。また、第１バルブ及び第２バルブについてもノーマルクローズタイプのものに限られず、ノーマルオープンタイプのものであってもよい。バルブのタイプに応じて電圧の印加方向が逆となるので、それに合わせて第１バルブ制御器に入力される目標量を設定すればよい。

本発明は流量制御装置に限られるものではなく、例えば圧力制御装置、濃度制御装置に適用することも可能である。すなわち、第１バルブ及び第２バルブの協業によって第２バルブを通過する流体の圧力を設定圧力に一致させながら、第２バルブの開度については所望の開度に保ち続けられるようにしてもよい。あるいは、第１バルブ及び第２バルブの協業によって第２バルブを通過する流体の濃度を設定濃度に一致させながら、第２バルブの開度については所望の開度に保ち続けられるようにしてもよい。すなわち、本発明に係る流体制御装置は、流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の物理量を測定する流体センサと、前記流体センサで測定される測定量と設定量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流体制御器と、前記第２バルブに入力される操作量又は前記第２バルブの開度である制御量と、目標量との偏差が小さくなるように、前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、を備えたものであってもよい。ここで言う物理量とは例えば流量、圧力、濃度を含む概念である。また、流体センサは流体の流量、圧力、濃度のいずれかを測定するものである。

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変形や、各実施形態の一部同士を組み合わせてもよい。

１００・・・流量制御装置
Ｖ１ ・・・第１バルブ
Ｖ２ ・・・第２バルブ（制御バルブ）
ＦＳ ・・・流量センサ（流体センサ）
ＳＭ ・・・センシング機構
ＦＣ ・・・流量算出部
ＦＣ１・・・係数決定部
ＦＣ２・・・出力部
Ｐ１ ・・・第１圧力センサ
Ｐ２ ・・・第２圧力センサ
１ ・・・流量制御器
２ ・・・第１バルブ制御器
３ ・・・リファレンスガバナ
Ｄ ・・・診断器
Ｄ１ ・・・診断動作制御部
Ｄ２ ・・・第１容積算出部
Ｄ３ ・・・第２容積算出部
Ｄ４ ・・・容積比算出部

Claims (14)

1. 流路に設けられた第１バルブと、
   前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、
   前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、
   前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、
   前記流量制御器が前記第２バルブに入力する操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、を備えたことを特徴とする流量制御装置。
2. 前記流量センサが、
   前記第１バルブと前記第２バルブとの間に設けられた流体抵抗と、
   前記第１バルブと前記流体抵抗の間に設けられた第１圧力センサと、
   前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサで測定される第１圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２圧力とに基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備え、
   前記第１バルブ制御器に設定される前記目標量が、前記第２バルブの開度が全開側の所定開度に維持される一定値である請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記第２バルブの開度が前記目標量に相当する開度よりも小さい場合には、前記第１バルブ制御器が、前記第１バルブの開度を小さくする方向に制御する請求項１又は２いずれかに記載の流量制御装置。
4. 前記第１バルブがノーマルオープンタイプのピエゾバルブであり、
   前記第１バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第１バルブに印加する電圧を大きくする方向に制御する請求項１乃至３いずれかに記載の流量制御装置。
5. 前記第１バルブがノーマルクローズタイプのピエゾバルブであり、
   前記第１バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第１バルブに印加する電圧を小さくする方向に制御する請求項１乃至３いずれかに記載の流量制御装置。
6. 流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御方法であって、
   前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御ステップと、
   前記流量制御ステップにおいて前記第２バルブに入力される操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御ステップと、を備えたことを特徴とする流量制御方法。
7. 流路に設けられた第１バルブと、前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、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、
   前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第２バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、
   前記流量制御器が前記第２バルブに入力する操作量又は前記第２バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第１バルブを制御する第１バルブ制御器と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする流量制御装置用プログラム。
8. 流路に設けられた第1バルブと、
   前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、
   前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の物理量を測定する流体センサと、
   前記流体センサで測定される測定量と設定量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流体制御器と、
   前記流体制御器が前記第2バルブに入力する操作量又は前記第2バルブの開度である制御量と、目標量との偏差が小さくなるように、前記第1バルブを制御する第１バルブ制御器と、を備えた流体制御装置。
9. 流路に設けられ、当該流路を流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構と、前記センシング機構の出力信号の示す測定値と、前記測定値に応じた流量特性値とに基づいて前記流量を算出する流量算出部と、を具備する流量センサと、
   前記流量センサの上流側又は下流側に設けられた制御バルブと、
   前記流量センサで測定される測定流量と、設定流量との偏差が小さくなるように前記制御バルブを制御する流量制御器と、
   指令流量に対して前記センシング機構の出力信号の示す測定値に応じた時間遅れを付与した前記設定流量を前記流量制御器に設定するリファレンスガバナと、を備えた流量制御装置。
10. 前記センシング機構が、
    流体抵抗と、
    前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、
    前記流体抵抗と下流側に設けられた第２圧力センサと、を具備し、
    前記流量算出部が、
    前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力信号の示す測定値である第１圧力及び第２圧力に基づいて、前記流量特性値である流路抵抗を決定する係数決定部と、
    前記第１圧力、前記第２圧力、及び、前記流路抵抗に基づいて前記流量を算出する出力部と、を具備し、
    前記リファレンスガバナが、前記係数決定部で決定される前記流路抵抗と、前記指令流量に基づいて前記設定流量を算出し、前記流量制御器に当該設定流量を設定するように構成された請求項９記載の流量制御装置。
11. 流路に設けられた第１バルブと、
    前記流路において前記第１バルブよりも下流側に設けられた第２バルブと、
    前記流路において前記第１バルブと前記第２バルブの間に設けられた流体抵抗と、
    前記流路において前記第１バルブと前記流体抵抗との間の容積である第１容積内の圧力を測定する第１圧力センサと、
    前記流路において前記流体抵抗と前記第２バルブとの間の容積である第２容積内の圧力を測定する第２圧力センサと、
    前記第１圧力センサで測定される第１圧力と前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、
    前記第１容積又は前記第２容積の容積について診断する診断器と、を備え、
    前記診断器が、前記第１バルブが開放され、前記第２バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第１圧力の変化量とに基づいて前記第１容積の大きさを算出する流量制御装置。
12. 前記診断器が、前記第２バルブが開放され、前記第１バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第２圧力の変化量とに基づいて前記第２容積の大きさを算出する請求項１１記載の流量制御装置。
13. 前記所定期間が、前記第１圧力と前記第２圧力の差の絶対値が最大となってから前記第１圧力と前記第２圧力が等しくなるまでの期間である請求項１１又は１２記載の流量制御装置。
14. 前記診断器が、前記所定期間の開始時点における前記第１圧力と前記所定期間の終了時点における前記第１圧力の差と、前記所定期間の開始時点における前記第２圧力と前記所定期間の終了時点における前記第２圧力の差に基づいて、前記第１容積と前記第２容積との間の容積比を算出する請求項１１乃至１３いずれかに記載の流量制御装置。
    

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