JP2021149264A - 調整装置、制御システムおよび調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マスフローコントローラの高精密な制御特性を維持する。【解決手段】調整装置２０は、流体の流量をバルブ５によって調節するマスフローコントローラ１０から得られた流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰに整定した状態を検出したときに、この整定状態におけるバルブ５への開度指示信号ＭＶをマスフローコントローラ１０の流量制御部９から取得する開度指示信号取得部２１と、開度指示信号取得部２１によって複数の整定状態が検出されたときに、各整定状態で取得された開度指示信号ＭＶに基づいて、開度指示信号ＭＶと流量計測値ＰＶとの関係を特徴付ける特徴パラメータを算出するパラメータ算出部２２とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、マスフローコントローラの制御パラメータを調整する調整装置、制御システムおよび調整方法に関するものである。

半導体製造装置では、材料ガスなどを真空チャンバー内に一定流量で導入するために、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）などの流量制御装置が採用されている（特許文献１参照）。図１８はＭＦＣ１０の構成を示す断面図である。図１８において、１は本体ブロック、２はセンサパッケージ、３はセンサパッケージ２のヘッド部、４は流量計測部（フローセンサ）、５はバルブ、６は本体ブロック１の内部に形成された流路、７は流路６の入口側の開口、８は流路６の出口側の開口である。

流体は、開口７から流路６に流入してバルブ５を通過し、開口８から排出される。このとき、流量計測部４は流体の流量を計測する。流量計測部４は、センサパッケージ２のヘッダ部３に搭載され、計測対象の流体に晒されるように本体ブロック１に装着される。ＭＦＣ１０の図示しない制御装置は、流量計測部４によって得られた流量計測値と流量設定値とを比較し、この比較結果に基づいてバルブ５への駆動電流を出力する。こうして、バルブ５を駆動することにより、流体の流量が流量設定値と一致するように制御される。

図１９は半導体製造装置で使用される真空装置（例えばプラズマエッチング装置）の構成を示す断面図である。このような真空装置は例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。図１９において、１００は真空チャンバー、１０１は真空チャンバー１００の底部に設けられた排気管、１０２は上部電極として機能するシャワーヘッド、１０３は下部電極として機能する載置台、１０４はシャワーヘッド１０２のガス導入口と接続されたガス供給管、１０５は真空チャンバー１００内に設けられた圧力センサ、１０６は高周波電源である。ガス供給管１０４には、図１８で説明したＭＦＣ１０が設けられている。

図１９の真空装置の例では、排気管１０１より真空チャンバー１００の内部雰囲気を排気して所定の真空度まで真空引きし、処理ガスをガス供給管１０４を介してシャワーヘッド１０２へ導入する。処理ガスは、シャワーヘッド１０２に設けられた複数の吐出孔（不図示）を介して、載置台１０３上に載置されたウェハ１０７に対して均一に吐出され、真空チャンバー１００内の圧力が所定の値に維持される。この状態で高周波電源１０６から高周波電力が載置台１０３に印加される。これにより、下部電極としての載置台１０３と上部電極としてのシャワーヘッド１０２との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。このプラズマにより、ウェハ１０７にエッチング処理が施される。

半導体製造装置のようにガスの流量精度が重要なアプリケーションでは、定期校正でＭＦＣの計測精度や制御性能が維持されていることを確認することが求められている。
ＭＦＣの制御性能を決定する大きな要因として、バルブへの開度指示信号（例えばソレノイドバルブへの電流入力値）と流体の実流量との関係（以下、信号−流量関係とする）に対する制御パラメータ（例えばＰＩＤパラメータなど）の調整状態の適／不適がある。図２０は信号−流量関係の１例を示す図である。このような信号−流量関係は、ＭＦＣが実用される環境などによって変化するので、実用時の制御性能の劣化の要因になり得る。
半導体製造プロセスゆえの精度要求を満たすために、ＭＦＣの高精密な制御特性を維持することは、言うまでもなく重要である。ＭＦＣの制御特性維持のために、常に改善が求められている。

特開２００８−０３９５８８号公報 特開平１１−２３３５０７号公報 特開２０１４−２０７３５３号公報 特開２０１８−００６３８０号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＭＦＣの高精密な制御特性を維持することができる調整装置、制御システムおよび調整方法を提供することを目的とする。

本発明の調整装置は、流体の流量をバルブによって調節するマスフローコントローラから得られた流量計測値が流量設定値に整定した状態を検出したときに、この整定状態における前記バルブへの開度指示信号を前記マスフローコントローラの流量制御部から取得するように構成された開度指示信号取得部と、前記開度指示信号取得部によって複数の整定状態が検出されたときに、各整定状態で取得された前記開度指示信号に基づいて、前記開度指示信号と前記流量計測値との関係を特徴付ける特徴パラメータを算出するように構成されたパラメータ算出部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の調整装置の１構成例は、前記特徴パラメータに基づいて、前記流量制御部の制御パラメータの調整値を算出するように構成された制御調整値算出部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の調整装置の１構成例は、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新するように構成された制御調整実行部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の調整装置の１構成例において、前記制御調整実行部は、前記制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとの差の絶対値が予め規定された変化幅を超えたときに、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新することを特徴とするものである。

また、本発明の調整装置の１構成例において、前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に基づいて前記開度指示信号を算出するＰＩＤ演算を行ない、前記制御調整値算出部によって調整値が算出される制御パラメータは、ＰＩＤパラメータである。
また、本発明の調整装置の１構成例において、前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に非線形処理を施した補正偏差に基づいて前記開度指示信号を算出する偏差ギャップ付ＰＩＤ演算を行ない、前記制御調整値算出部によって調整値が算出される制御パラメータは、前記偏差のゼロ付近のギャップ内における前記偏差に対する前記補正偏差の傾きである。
また、本発明の制御システムは、マスフローコントローラと、調整装置とを備え、前記マスフローコントローラの流量制御部は、外部から前記流量設定値を特定の値に変更する指示を受けたときに、前記流量設定値を前記特定の値と異なる値に変更して前記流量計測値を整定させた後に、前記流量設定値を前記特定の値に変更することを特徴とするものである。

また、本発明の調整方法は、流体の流量をバルブによって調節するマスフローコントローラから得られた流量計測値が流量設定値に整定した状態を検出したときに、この整定状態における前記バルブへの開度指示信号を前記マスフローコントローラの流量制御部から取得する第１のステップと、前記第１のステップで複数の整定状態が検出されたときに、各整定状態で取得された前記開度指示信号に基づいて、前記開度指示信号と前記流量計測値との関係を特徴付ける特徴パラメータを算出する第２のステップとを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の調整方法の１構成例は、前記特徴パラメータに基づいて、前記流量制御部の制御パラメータの調整値を算出する第３のステップをさらに含むことを特徴とするものである。
また、本発明の調整方法の１構成例は、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新する第４のステップをさらに含むことを特徴とするものである。
また、本発明の調整方法の１構成例において、前記第４のステップは、前記制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとの差の絶対値が予め規定された変化幅を超えたときに、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新するステップを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の調整方法の１構成例において、前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に基づいて前記開度指示信号を算出するＰＩＤ演算を行ない、前記第３のステップで調整値が算出される制御パラメータは、ＰＩＤパラメータである。
また、本発明の調整方法の１構成例において、前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に非線形処理を施した補正偏差に基づいて前記開度指示信号を算出する偏差ギャップ付ＰＩＤ演算を行ない、前記第３のステップで調整値が算出される制御パラメータは、前記偏差のゼロ付近のギャップ内における前記偏差に対する前記補正偏差の傾きである。
また、本発明の調整方法の１構成例は、前記流量制御部が、前記第１のステップの前に、外部から前記流量設定値を特定の値に変更する指示を受けたときに、前記流量設定値を前記特定の値と異なる値に変更して前記流量計測値を整定させた後に、前記流量設定値を前記特定の値に変更する第５のステップをさらに含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、開度指示信号取得部とパラメータ算出部とを設けることにより、開度指示信号と流量計測値との関係を特徴付ける特徴パラメータを算出することができるので、マスフローコントローラの制御特性の劣化を推測あるいは予測することが可能となり、マスフローコントローラの高精密な制御特性を維持することが可能となる。

また、本発明では、制御調整値算出部を設けることにより、マスフローコントローラの流量制御部の制御パラメータの調整値を算出することができる。

また、本発明では、制御調整実行部を設けることにより、マスフローコントローラの流量制御部の制御パラメータを自動的に調整することができる。

また、本発明では、制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとの差の絶対値が予め規定された変化幅を超えたときに、流量制御部に設定されている制御パラメータを調整値に更新するので、開度指示信号と流量計測値との関係が誤差変動レベルで変化したときに制御パラメータを更新することを避けることができ、制御パラメータの不要な更新を減らすことができる。

また、本発明では、マスフローコントローラの流量制御部が、外部から流量設定値を特定の値に変更する指示を受けたときに、流量設定値を特定の値と異なる値に変更して流量計測値を整定させた後に、流量設定値を特定の値に変更するので、制御パラメータの調整の機会を増やすことができる。

図１は、本発明の実施例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの流量制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの流量制御動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの流量制御部の別の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの別の流量制御動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施例に係る偏差変換部による非線形処理を説明する図である。 図７は、本発明の実施例に係る調整装置の動作を説明するフローチャートである。 図８は、本発明の実施例における流量計測値と操作量の変化の１例を示す図である。 図９は、本発明の実施例における流量計測値と操作量の変化の別の例を示す図である。 図１０は、マスフローコントローラの信号−流量関係を特徴付けるパラメータについて説明する図である。 図１１は、本発明の実施例におけるパラメータの表示例を示す図である。 図１２は、本発明の実施例における流量計測値と操作量の変化の別の例を示す図である。 図１３は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの流量制御部の別の構成を示すブロック図である。 図１４は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの別の流量制御動作を説明するフローチャートである。 図１５は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの流量制御部の別の構成を示すブロック図である。 図１６は、本発明の実施例に係るマスフローコントローラの別の流量制御動作を説明するフローチャートである。 図１７は、本発明の実施例に係る調整装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図１８は、マスフローコントローラの構成を示す断面図である。 図１９は、真空装置の構成を示す断面図である。 図２０は、マスフローコントローラの信号−流量関係の１例を示す図である。

［発明の原理１］
例えばＰＩＤ制御は典型的な線形制御理論であるため、ＰＩＤパラメータの調整においては、制御対象を線形的な特性と見なすことが前提になっている。発明者は、ＭＦＣの信号−流量関係が、実用される環境などによって変化した場合でも、多くのケースで直線近似可能な範囲での変化に留まることに着眼した。そして、発明者は、限られた複数の整定状態に基づき、信号−流量関係の代表値を算出し、この代表値をモニタリングすることで、制御特性の劣化を推測あるいは予測することが可能となり、制御パラメータ（例えばＰＩＤパラメータなど）の自動調整が可能になることに想到した。

［発明の原理２］
ＭＦＣの信号−流量関係の場合、特有のオフセット領域（不感帯）と傾きとのどちらが変化するかによって、制御パラメータの調整指針が異なってくる。例えば傾きのみが変化したときにＰＩＤパラメータ自体を調整する場合、オフセット領域の影響に対して好適に調整されていた応答特性も変化してしまう。そこで、偏差ギャップ付ＰＩＤ制御を行なう場合、信号−流量関係の傾きのみが変化したときは、偏差ゼロ近傍の傾きを自動調整の対象とするのが好適である。これにより、整定状態に至る間際の安定性のみを調整することが可能になる。

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。制御システムは、ＭＦＣ１０と、ＭＦＣ１０の制御パラメータを調整する調整装置２０とから構成される。

ＭＦＣ１０の構成は図１８と同様である。図１では、ＭＦＣ１０の構成として、制御対象の流体の流量を計測する流量計測部（フローセンサ）４と、流量を調節するバルブ５と、流量設定値ＳＰと流量計測値ＰＶとを入力としてバルブ５への開度指示信号を算出する流量制御部９のみ記載している。

調整装置２０は、ＭＦＣ１０から得られた流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰに整定した状態を検出したときに、この整定状態におけるバルブ５への開度指示信号ＭＶをＭＦＣ１０の流量制御部９から取得する開度指示信号取得部２１と、流量設定値ＳＰが異なる複数の整定状態が開度指示信号取得部２１によって検出されたときに、各整定状態で取得された開度指示信号ＭＶに基づいて、開度指示信号ＭＶと流量計測値ＰＶとの関係を特徴付ける特徴パラメータを算出するパラメータ算出部２２と、特徴パラメータに基づいて流量制御部９の制御パラメータの調整値を算出する制御調整値算出部２３と、流量制御部９に設定されている制御パラメータを調整値に更新する制御調整実行部２４と、パラメータ算出部２２によって算出された特徴パラメータの履歴を表示するパラメータ表示部２５とを備えている。

図２はＭＦＣ１０の流量制御部９の構成を示すブロック図である。流量制御部９は、流量設定値ＳＰと流量計測値ＰＶとの偏差ｅｒを算出する偏差算出部９０と、偏差ｅｒを入力としてバルブ開度を指定する開度指示信号ＭＶ（操作量）を算出するＰＩＤ制御部９１と、バルブ５を駆動するバルブ駆動回路９２とを備えている。

図３は、流量制御部９として図２の構成を用いる場合のＭＦＣ１０の流量制御動作を説明するフローチャートである。
偏差算出部９０は、例えばオペレータによって設定された流量設定値ＳＰと流量計測部４によって計測された流量計測値ＰＶ（制御量）との偏差ｅｒ＝ＳＰ−ＰＶを算出する（図３ステップＳ１００）。

ＰＩＤ制御部９１は、偏差ｅｒが０となるように、例えば以下の伝達関数式のようなＰＩＤ演算を行って開度指示信号ＭＶの値を算出する（図３ステップＳ１０１）。
ＭＶ＝（α／Ｐ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝ｅｒ ・・・（１）

式（１）において、Ｐは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｓはラプラス演算子、αは所定の係数である。
ＰＩＤ制御部９１は、算出した開度指示信号ＭＶをバルブ駆動回路９２に出力する（図３ステップＳ１０２）。バルブ駆動回路９２は、開度指示信号ＭＶに応じてバルブ５にバルブ駆動電流を出力する。バルブ駆動電流の出力により、バルブ５は、開度指示信号ＭＶに応じた開度となるように制御される。

こうして、例えばオペレータによってＭＦＣ１０の動作終了が指示されるまで（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理が制御周期毎に実施される。

図４は流量制御部９の別の構成を示すブロック図である。図４の流量制御部９は、偏差算出部９０と、ＰＩＤ制御部９１と、バルブ駆動回路９２と、偏差ｅｒに非線形処理を施した補正偏差ｅｒ’を算出する偏差変換部９３とを備えている。

図５は、流量制御部９として図４の構成を用いる場合のＭＦＣ１０の流量制御動作を説明するフローチャートである。偏差算出部９０の動作（図５ステップＳ２００）は、ステップＳ１００と同じである。
偏差変換部９３は、偏差ｅｒのゼロ付近の領域（ギャップ）内における偏差ｅｒに対する補正偏差ｅｒ’の傾きが、ギャップ外における偏差ｅｒに対する補正偏差ｅｒ’の傾きよりも小さくなるように、補正偏差ｅｒ’を算出する（図５ステップＳ２０１）。

図６は偏差変換部９３による非線形処理を説明する図である。図６において、ｆ１は偏差変換部９３のｅｒ−ｅｒ’特性を示し、ｆ２は偏差変換部９３がない場合のｅｒとｅｒ’の関係（ｅｒ＝ｅｒ’）を示している。Ｇはギャップ、ＧＷ＋は正のギャップ幅、ＧＷ−は負のギャップ幅である。ここでは、負のギャップ幅ＧＷ−が正のギャップ幅ＧＷ＋よりも大きい例を示している。

ＰＩＤ制御部９１は、補正偏差ｅｒ’が０となるように、例えば以下の伝達関数式のようなＰＩＤ演算を行って開度指示信号ＭＶの値を算出する（図５ステップＳ２０２）。
ＭＶ＝（α／Ｐ）｛１＋（１／Ｔｉｓ）＋Ｔｄｓ｝ｅｒ’ ・・・（２）

ＰＩＤ制御部９１は、算出した開度指示信号ＭＶをバルブ駆動回路９２に出力する（図５ステップＳ２０３）。
こうして、例えばオペレータによってＭＦＣ１０の動作終了が指示されるまで（図５ステップＳ２０４においてＹＥＳ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０３の処理が制御周期毎に実施される。

次に、本実施例の調整装置２０の動作について説明する。図７は調整装置２０の動作を説明するフローチャートである。
調整装置２０の開度指示信号取得部２１は、流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰの特定の第１の値ＳＰ１に整定した状態（第１の整定状態）を検出したときに（図７ステップＳ３００においてＹＥＳ）、この整定状態における開度指示信号ＭＶ＝ＭＶ１を取得する（図７ステップＳ３０１）。

本実施例では、ＳＰ１＝１０．０％とする。例えば図８の例では、時刻１００ｍｓｅｃ．において流量設定値ＳＰが０から１０．０％に変更された後に６００ｍｓｅｃ．付近で流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰ＝ＳＰ１＝１０．０％に整定する。このときの開度指示信号ＭＶは４５．０％である。したがって、開度指示信号取得部２１は、開度指示信号ＭＶ＝ＭＶ１の値として４５．０％を取得する。

次に、開度指示信号取得部２１は、流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰの特定の第２の値ＳＰ２に整定した状態（第２の整定状態）を検出したときに（図７ステップＳ３０２においてＹＥＳ）、この整定状態における開度指示信号ＭＶ＝ＭＶ２を取得する（図７ステップＳ３０３）。

本実施例では、ＳＰ２＝７０．０％とする。例えば図９の例では、時刻１００ｍｓｅｃ．において流量設定値ＳＰが０から７０．０％に変更された後に５００ｍｓｅｃ．付近で流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰ＝ＳＰ２＝７０．０％に整定する。このときの開度指示信号ＭＶは７５．０％である。したがって、開度指示信号取得部２１は、開度指示信号ＭＶ＝ＭＶ２の値として７５．０％を取得する。

なお、流量計測値ＰＶと流量設定値ＳＰと開度指示信号ＭＶの単位として、汎用的な意味を持たせるために、本実施例では０−１００％のフルスケールに対するパーセンテージ％を採用することにしたが、別の単位を適宜採用してもよいことは言うまでもない。

調整装置２０のパラメータ算出部２２は、流量設定値ＳＰが異なる複数の整定状態（第１の整定状態と第２の整定状態）を検出できたときに、それら各整定状態で取得された開度指示信号ＭＶと各整定状態における流量設定値ＳＰとに基づいて、信号−流量関係を特徴付ける特徴パラメータの値を算出する（図７ステップＳ３０４）。

本実施例では、図１０に示すように、特徴パラメータとして、開度指示信号ＭＶに対する流量計測値ＰＶの傾きｔａｎθと、開度指示信号ＭＶに対する流量計測値ＰＶの傾きが０になる不感帯の幅（オフセット量）Ｄｅａｄとを算出する。傾きｔａｎθと不感帯幅Ｄｅａｄの算出式は次のとおりである。
ｔａｎθ＝（ＳＰ１−ＳＰ２）／（ＭＶ１−ＭＶ２） ・・・（３）
Ｄｅａｄ＝（ＳＰ１ＭＶ２−ＳＰ２ＭＶ１）／（ＳＰ１−ＳＰ２） ・・・（４）

本実施例では、パラメータ算出部２２は、ｔａｎθ＝２．０、Ｄｅａｄ＝４０．０％と算出する。
なお、本実施例の特徴パラメータの算出方法は１例であって、別の算出方法でも構わない。例えば後述のように３つ以上の多数の整定状態を検出して、各制御状態で得られた流量設定値ＳＰと開度指示信号ＭＶの組を基に、最小二乗法により信号−流量特性の直線の近似式を求め、この直線の近似式から傾きｔａｎθと不感帯幅Ｄｅａｄを算出するようにしてもよい。

パラメータ表示部２５は、パラメータ算出部２２によって算出された特徴パラメータの履歴をオペレータに対して表示する（図７ステップＳ３０５）。図１１の例では、パラメータ表示部２５が表示する画面５０に不感帯幅Ｄｅａｄと傾きｔａｎθの履歴がグラフ形式で表示されている。これらの特徴パラメータ値はＭＦＣ１０の制御特性を示す監視指標になる。オペレータは、画面５０に表示された特徴パラメータの変化を見ることで、流量制御部９の制御パラメータの再調整の必要性などを判断することが可能になる。

次に、調整装置２０の制御調整値算出部２３は、パラメータ算出部２２によって算出された特徴パラメータに基づいて、流量制御部９の制御パラメータの調整値を算出する（図７ステップＳ３０６）。

ＭＦＣ１０の流量制御部９として図２の構成が使用されている場合、すなわち通常のＰＩＤ制御を行なう場合、調整対象の制御パラメータとしては例えば比例帯Ｐがある。制御調整値算出部２３は、制御パラメータ（比例帯Ｐ）を更新した前回の調整時の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）に対して最新の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）がｎ倍（ｎは実数）変化した場合、流量制御部９のＰＩＤ制御部９１に設定されている現在の比例帯Ｐをｎ倍した値を最新の調整値とする。

また、ＭＦＣ１０の流量制御部９として図４の構成が使用されている場合、すなわち偏差ギャップ付ＰＩＤ制御を行なう場合、調整対象の制御パラメータとしては、偏差ｅｒのゼロ付近のギャップＧ内における偏差ｅｒに対する補正偏差ｅｒ’の傾きがある。図６に示すように、ギャップＧ内におけるｅｒ−ｅｒ’特性の直線と偏差ｅｒの軸とのなす角をφとすると、ギャップＧ内における偏差ｅｒに対する補正偏差ｅｒ’の傾きはｔａｎφである。

制御調整値算出部２３は、制御パラメータ（傾きｔａｎφ）を更新した前回の調整時の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）に対して最新の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）がｎ倍変化した場合、流量制御部９の偏差変換部９３に設定されている現在の傾きｔａｎφを１／ｎ倍した値を最新の調整値とする。このように信号−流量特性の傾きｔａｎθが変化したときに、偏差ｅｒのゼロ付近のギャップＧ内におけるｅｒ−ｅｒ’特性の傾きｔａｎφのみを調整することは、流量計測値ＰＶが整定状態に至る間際の安定性のみを調整することを意味する。
なお、本実施例の調整値の算出方法は１例であって、別の算出方法でも構わない。

調整装置２０の制御調整実行部２４は、流量制御部９に設定されている制御パラメータを調整値に更新する。信号−流量関係の誤差変動レベルの変化に対応して制御パラメータの更新を行なうのは、あまり現実的ではない。

そこで、制御調整実行部２４は、制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）と最新の特徴パラメータ（傾きｔａｎθ）との差の絶対値が予め規定された変化幅ＴＨを超えたときに（図７ステップＳ３０７においてＹＥＳ）、流量制御部９に設定されている制御パラメータを制御調整値算出部２３によって算出された調整値に更新する（図７ステップＳ３０８）。変化幅ＴＨは、前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとを、前回の調整時の特徴パラメータを１００％として規格化したときに、例えばＴＨ＝２０％と規定されている。

上記のように、ＭＦＣ１０の流量制御部９として図２の構成が使用されている場合、制御調整実行部２４は、流量制御部９のＰＩＤ制御部９１に設定されている比例帯Ｐを制御調整値算出部２３によって算出された調整値に更新する。また、ＭＦＣ１０の流量制御部９として図４の構成が使用されている場合、制御調整実行部２４は、流量制御部９の偏差変換部９３に設定されている傾きｔａｎφを制御調整値算出部２３によって算出された調整値に更新する。

こうして、調整装置２０は、第１の整定状態と第２の整定状態とが発生する度に図７の処理を行う。

ＭＦＣ１０の流量制御部９の偏差算出部９０は、例えばオペレータから流量設定値ＳＰを特定の第２の値ＳＰ２に変更する指示が与えられたときに、流量設定値ＳＰを特定の第１の値ＳＰ１にいったん変更して流量計測値ＰＶを流量設定値ＳＰ＝ＳＰ１に整定させた後に、流量設定値ＳＰを特定の第２の値ＳＰ２に変更するようにしてもよい。この場合の流量設定値ＳＰと流量計測値ＰＶと開度指示信号ＭＶの変化の例を図１２に示す。このように２段階の整定方式を採用することにより、制御パラメータの調整の機会を増やすことができる。

２段階の整定方式を採用する場合のＭＦＣ１０の流量制御部９の構成を図１３に示す。図１３の流量制御部９は、図２の構成に整定判定部９４を追加したものである。
図１４は、流量制御部９として図１３の構成を用いる場合のＭＦＣ１０の流量制御動作を説明するフローチャートである。図１４のステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理は図３で説明したとおりである。

流量制御部９の偏差算出部９０は、外部から流量設定値ＳＰ＝ＳＰ２が入力されたとき（図１４ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰ＝ＳＰ１に整定していない場合には（図１４ステップＳ１０５においてＮＯ）、流量設定値ＳＰを特定の第１の値ＳＰ１にいったん設定して、偏差ｅｒ＝ＳＰ１−ＰＶを算出する（図１４ステップＳ１０５）。図１４のステップＳ１０７，Ｓ１０８の処理は図３のステップＳ１０１，Ｓ１０２と同じである。

次に、流量制御部９の整定判定部９４は、流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰ＝ＳＰ１に整定した状態を検出する。
偏差算出部９０は、流量計測値ＰＶが流量設定値ＳＰ＝ＳＰ１に整定した後は（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、流量設定値ＳＰを第２の値ＳＰ２に設定して、偏差ｅｒ＝ＳＰ２−ＰＶを算出する（図１４ステップＳ１０９）。図１４のステップＳ１１０，Ｓ１１１の処理は図３のステップＳ１０１，Ｓ１０２と同じである。こうして、２段階の整定方式を実現することができる。

２段階の整定方式を採用する場合の流量制御部９の別の構成を図１５に示す。図１５の流量制御部９は、図４の構成に整定判定部９４を追加したものである。
図１６は、流量制御部９として図１５の構成を用いる場合のＭＦＣ１０の流量制御動作を説明するフローチャートである。図１６のステップＳ２００〜Ｓ２０３の処理は図５で説明したとおりである。

図１６のステップＳ２０５〜Ｓ２０７の処理は、図１４のステップＳ１０４〜Ｓ１０６と同じである。図１６のステップＳ２０８〜Ｓ２１０の処理は、図５のステップＳ２０１〜Ｓ２０３と同じである。図１６のステップＳ２１１の処理は、図１４のステップＳ１０９と同じである。図１６のステップＳ２１２〜Ｓ２１４の処理は、図５のステップＳ２０１〜Ｓ２０３と同じである。こうして、２段階の整定方式を実現することができる。

なお、本実施例の制御システムの構成要素の全てをＭＦＣ１０に実装する必要はない。通信機能によりＭＦＣ１０と接続される上位側のＰＣ（Personal Computer）などに調整装置２０の構成を実装し、上位側からＭＦＣ１０の機器本体内に実装された流量制御部９の制御パラメータを通信機能により更新するようにしてもよい。制御パラメータの調整を上位側のＰＣなどで行なう場合には、３つ以上の多数の整定状態を検出して、この多数の制御状態で得られた流量設定値ＳＰと開度指示信号ＭＶの組を基に特徴パラメータを算出することにより、統計的に信頼できる特徴パラメータを求めることが可能である。

本実施例の調整装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１７に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、ＭＦＣ１０の流量計測部４と流量制御部９などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。また、ＭＦＣ１０の流量制御部９の偏差算出部９０とＰＩＤ制御部９１と偏差変換部９３についても、コンピュータによって実現することができる。

本発明は、マスフローコントローラに適用することができる。

４…流量計測部、５…バルブ、９…流量制御部、１０…マスフローコントローラ、２０…調整装置、２１…開度指示信号取得部、２２…パラメータ算出部、２３…制御調整値算出部、２４…制御調整実行部、２５…パラメータ表示部、９０…偏差算出部、９１…ＰＩＤ制御部、９２…バルブ駆動回路、９３…偏差変換部、９４…整定判定部。

Claims (14)

1. 流体の流量をバルブによって調節するマスフローコントローラから得られた流量計測値が流量設定値に整定した状態を検出したときに、この整定状態における前記バルブへの開度指示信号を前記マスフローコントローラの流量制御部から取得するように構成された開度指示信号取得部と、
   前記開度指示信号取得部によって複数の整定状態が検出されたときに、各整定状態で取得された前記開度指示信号に基づいて、前記開度指示信号と前記流量計測値との関係を特徴付ける特徴パラメータを算出するように構成されたパラメータ算出部とを備えることを特徴とする調整装置。
2. 請求項１記載の調整装置において、
   前記特徴パラメータに基づいて、前記流量制御部の制御パラメータの調整値を算出するように構成された制御調整値算出部をさらに備えることを特徴とする調整装置。
3. 請求項２記載の調整装置において、
   前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新するように構成された制御調整実行部をさらに備えることを特徴とする調整装置。
4. 請求項３記載の調整装置において、
   前記制御調整実行部は、前記制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとの差の絶対値が予め規定された変化幅を超えたときに、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新することを特徴とする調整装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の調整装置において、
   前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に基づいて前記開度指示信号を算出するＰＩＤ演算を行ない、
   前記制御調整値算出部によって調整値が算出される制御パラメータは、ＰＩＤパラメータであることを特徴とする調整装置。
6. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の調整装置において、
   前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に非線形処理を施した補正偏差に基づいて前記開度指示信号を算出する偏差ギャップ付ＰＩＤ演算を行ない、
   前記制御調整値算出部によって調整値が算出される制御パラメータは、前記偏差のゼロ付近のギャップ内における前記偏差に対する前記補正偏差の傾きであることを特徴とする調整装置。
7. マスフローコントローラと、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の調整装置とを備え、
   前記マスフローコントローラの流量制御部は、外部から前記流量設定値を特定の値に変更する指示を受けたときに、前記流量設定値を前記特定の値と異なる値に変更して前記流量計測値を整定させた後に、前記流量設定値を前記特定の値に変更することを特徴とする制御システム。
8. 流体の流量をバルブによって調節するマスフローコントローラから得られた流量計測値が流量設定値に整定した状態を検出したときに、この整定状態における前記バルブへの開度指示信号を前記マスフローコントローラの流量制御部から取得する第１のステップと、
   前記第１のステップで複数の整定状態が検出されたときに、各整定状態で取得された前記開度指示信号に基づいて、前記開度指示信号と前記流量計測値との関係を特徴付ける特徴パラメータを算出する第２のステップとを含むことを特徴とする調整方法。
9. 請求項８記載の調整方法において、
   前記特徴パラメータに基づいて、前記流量制御部の制御パラメータの調整値を算出する第３のステップをさらに含むことを特徴とする調整方法。
10. 請求項９記載の調整方法において、
    前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新する第４のステップをさらに含むことを特徴とする調整方法。
11. 請求項１０記載の調整方法において、
    前記第４のステップは、前記制御パラメータを更新した前回の調整時の特徴パラメータと最新の特徴パラメータとの差の絶対値が予め規定された変化幅を超えたときに、前記流量制御部に設定されている制御パラメータを前記調整値に更新するステップを含むことを特徴とする調整方法。
12. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の調整方法において、
    前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に基づいて前記開度指示信号を算出するＰＩＤ演算を行ない、
    前記第３のステップで調整値が算出される制御パラメータは、ＰＩＤパラメータであることを特徴とする調整方法。
13. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の調整方法において、
    前記流量制御部は、前記流量設定値と前記流量計測値との偏差に非線形処理を施した補正偏差に基づいて前記開度指示信号を算出する偏差ギャップ付ＰＩＤ演算を行ない、
    前記第３のステップで調整値が算出される制御パラメータは、前記偏差のゼロ付近のギャップ内における前記偏差に対する前記補正偏差の傾きであることを特徴とする調整方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の調整方法において、
    前記流量制御部が、前記第１のステップの前に、外部から前記流量設定値を特定の値に変更する指示を受けたときに、前記流量設定値を前記特定の値と異なる値に変更して前記流量計測値を整定させた後に、前記流量設定値を前記特定の値に変更する第５のステップをさらに含むことを特徴とする調整方法。

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