JP2022083378A - 流量制御装置、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】下流側バルブを通過している流体の流量を時間遅れはほとんど発生させずに、ノイズを大幅に低減した形で得ることができ、応答性を従来よりも向上させることができる流量制御装置を提供する。【解決手段】下流側バルブＶ２を通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器ＶＦＳと、前記下流側バルブＶ２の開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデル３１を具備するオブザーバ３と、を備え、前記オブザーバ３を、前記下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて流体の流量を制御する流量制御装置等に関するものである。

例えばプロセスチャンバ内に導入される各種ガスの流量を制御するためにマスフローコントローラとよばれる各種流体機器と制御機構がパッケージ化された流量制御装置が用いられている。

典型的な流量制御装置は、流路に対して設けられた流量センサと、流量センサの下流側に設けられた下流側バルブと、流量センサで測定される測定流量がユーザの設定する時間変化のある設定流量と一致するように下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器と、を備えている。

ところで、流量センサによる流体の測定点と下流側バルブによる流体の制御点は、流れ方向に対して所定距離ずれているので、流量センサの測定流量には下流側バルブを通過している流量に対して時間遅れが存在する。このような測定流量に含まれている時間遅れは、半導体製造プロセスで求められる流量制御の応答性を実現しようとする場合に問題となる。

このような問題を解決するために、下流側バルブを通過している実際の流量（以下、下流側バルブ流量ともいう）を測定できる下流側バルブ流量測定器を流量制御装置に適用することが試みられている。例えば下流側バルブ流量測定器は、従来からある圧力式流量センサと、下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器を備えている。下流側バルブ流量算出器は、圧力式流量センサが測定している層流素子を通過している流体の流量（以下、抵抗流量ともいう）と、圧力式流量センサと下流側バルブとの間の容積における圧力（以下、下流側圧力ともいう）とを用いて、下流側バルブ流量を算出する。具体的に下流側バルブ流量算出器は、抵抗流量から下流側圧力の時間微分値に所定係数を乗じた値を差し引くことで下流側バルブ流量を算出する。

しかしながら、このような手法で測定される下流側バルブ流量は、流量制御に問題となるほど大きなノイズを含む場合がある。これは、下流側圧力が例えば電気的なノイズ等を含んでいると、下流側圧力の時間微分によってノイズが拡大されてしまうことに起因する。

このような場合に、下流側圧力又は下流側バルブ流量をローパスフィルタに通すことによってノイズを除去することも考えられるが、そうするとフィルタによる時間遅れが発生するので実際の下流側バルブ流量を時間遅れなく得られなくなってしまう。

特開２００４－２８０６８８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、下流側バルブを通過している流体の流量を時間遅れはほとんど発生させずに、ノイズを大幅に低減した形で得ることができ、応答性を従来よりも向上させ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。

本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、を備え、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成されたことを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定することと、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバを用いて前記下流側バルブ流量を推定することと、を含み、前記オブザーバに前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差をフィードバックすることを特徴とする。

このようなものであれば、前記オブザーバが前記下流側バルブ流量推定モデルに基づいて時間遅れと例えば電気的なノイズを含まない形で前記下流側バルブ流量を推定できる。また、前記下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差が前記オブザーバにフィードバックされるので、初期値等において測定値と推定値とが乖離している場合には速やかにそのような乖離が解消されて実際の流量制御装置の状態を示す推定値を得られるようになる。これらのことから、前記オブザーバが出力する前記下流側バルブ流量の推定値に基づいて、流量制御の応答性を従来よりも向上させることができる。

前記下流側バルブ流量を流量制御装置の制御特性を十分に模擬して精度よく推定できるようにするには、入力された開度指令に応じた電圧を前記下流側バルブに出力する第１電圧生成回路をさらに備え、前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第１電圧生成回路、前記下流側バルブ、及び、前記下流側バルブ流量測定器の特性をモデル化したものであり、前記オブザーバが、前記入力パラメータとして前記開度指令が入力され、前記下流側バルブ流量を推定するものであればよい。

前記下流側バルブ流量の推定値の精度を高くするための具体的な構成例としては、前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第１電圧生成回路における時間遅れを模擬するものが挙げられる。

前記オブザーバが、推定値と初期値の違いによる推定値の誤差を早期に解消できるようにするには、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部をさらに備えたものであればよい。

前記下流側バルブ流量の推定値が測定値に対して大きく乖離しており、前記オブザーバが実際の状態を反映できていない場合にはそのような乖離を早期に解消できるようにするとともに、前記オブザーバが十分な精度で前記下流側バルブ流量を推定できている場合にはシステムに由来しない突発的なノイズ等に対して、当該オブザーバのロバストとなるようにするには、前記オブザーバゲイン部が、前記流路に流れる流体の流量が所定値で安定している場合に用いられる第１オブザーバゲインと、前記流路に流れる流体の流量が変化している場合に用いられ、前記第１オブザーバゲインよりも値が大きい第２オブザーバゲインと、を具備するものであればよい。

従来よりも前記下流側バルブ流量の制御に関する応答性を向上させるには、前記下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器をさらに備え、前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいて、前記開度指令を生成するように構成されたものであればよい。

前記オブザーバが推定する前記下流側バルブ流量に基づくフィードバック制御の具体的な構成としては、前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行うＰＩＤ制御器と、前記ＰＩＤ制御器からＰＩＤ演算結果に応じた前記開度指令を生成する開度指令生成器と、を具備するものが挙げられる。

従来流量制御装置に用いられている流量センサ等のハードウェアを利用して前記下流側バルブ流量測定器を構成するには、前記下流側バルブ流量測定器が、前記流体抵抗の上流側に設けられ、上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、前記上流側圧力と、前記下流側圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、前記抵抗流量から前記下流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を差し引いて前記下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器と、を具備するものが挙げられる。

前記下流側バルブの制御的な余裕を大きくしたり、流体の供給圧の変動を抑えたりできるようにして応答性をさらに向上させられるようにするには、流量制御装置が、前記上流側圧力センサの上流側に設けられた上流側バルブと、前記上流側バルブの開度を制御する上流側バルブ制御器と、をさらに備えたものであればよい。

設定流量が立ち上がったり、立ち下がったりする場合に前記上流側バルブ及び前記下流側バルブがそれぞれ開度の変化方向が逆向きとなり、前記流体抵抗の前後圧を高速で変化させて所望の流量を高速で得られるようにしつつ、前記流体抵抗の前後の平均圧力は低い圧力に保って圧力式の流量センサとしての感度を高く保つことができるようにするには、前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器をさらに備え、前記上流側バルブ制御器が、設定流量と前記上流側バルブ流量の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御すればよい。

前記上流側バルブ流量についてもノイズ影響を低減して、制御性能をさらに向上させるには、前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器と、前記上流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバと、をさらに備え、前記上流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記サブオブザーバの出力する前記上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものであればよい。

前記流量制御装置に供給される流体の供給圧を一定に保つことができる具体的な構成例としては、前記上流側バルブ制御器が、設定圧力と前記上流側圧力の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものが挙げられる。

設定流量の目標値が変化しても前記下流側バルブの開度が所定開度に保たれるようにして、前記流体抵抗の前後にける圧力の絶対値を低圧に保てるようにするには、前記上流側バルブ制御器が、前記下流側バルブで維持する開度に相当する設定電圧と、前記下流側バルブに印加されている電圧との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御するものであればよい。このようなものであれば、圧力に基づく流量測定を行っている前記下流側バルブ流量測定器の感度を向上させることができる。例えば前記下流側バルブの開度が全開状態又はその近傍の開度で保たれるようにして、前記流体抵抗の前後の圧力を低圧に保つようにすればよい。このようにすれば、圧力式の流量検出方法を用いている場合には、測定感度を高めて、制御の応答性を向上させることができる。

前記下流側バルブ流量測定器による前記下流側バルブ流量の測定の前提条件である、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間の容積を明確に仕切ることができ、正確な容積な値を得られるようにして前記下流側バルブ流量の測定精度を高められるようにするには、前記流体抵抗が、層流素子、分流素子、又は、オリフィスであればよい。

従来、半導体製造プロセスにおいて用いられる流量制御装置において流量センサ等に何らかの異常が発生した場合には、ユーザやマスターとなる制御装置にアラーム出力をしたり、外部に表示される流量を負の値等のありえない値にしたりして異常を知らせている。さらに、異常が発生した場合には、プロセス中であっても制御バルブを全閉等のセーフステートに変更してプロセスを中断している。プロセスを中断した場合、再開しても中断前と同じ結果や効果が得られないことが多い。このため、特にバッチ処理式のプロセス装置では中断によるウエハスクラップの被害が大きくなり、例えば中断された場合の歩留まりはゼロ又はほとんどゼロとなってしまう。

上述したようなプロセスの中断によるロスを低減できるようにするために、例えば流量を測定するための各種センサに異常が発生したとしても、プロセスを継続して、ある程度の歩留まりを確保できるようにするには、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合に、前記オブザーバにおいて前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値のフィードバックを行わない異常モードで前記オブザーバを動作させる異常モード切替部をさらに備えたものであればよい。

このようなものであれば、異常モードにおいては故障等により値が信頼できない前記下流側バルブ流量測定器の出力を使用せずに前記オブザーバから出力される前記下流側バルブ流量の推定値のみで流量制御を継続できる。したがって、ある程度実際に流れている流量に近い値に基づいて流量制御を継続できるので、例えばプロセス中のウエハの歩留まりを所定値に保つことが可能となる。

前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合には、正常であった時点で使用されていたパラメータを用いることで、その時点で流れている流量に近い推定値を前記オブザーバが出力できるようにし、ウエハの歩留まり等を高い値に保てるようにするには、前記オブザーバが、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部と、少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差、又は、当該偏差に所定演算がされた値を正常値として記憶する正常値記憶部と、前記異常モードにおいて、前記正常値に基づいた値を前記下流側バルブ流量推定モデルに入力するロールバック部と、をさらに備えたものであればよい。

簡単な構成で前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合には、当該下流側バルブ流量測定器の測定値を流量制御に用いず前記オブザーバの推定値のみで流量制御を継続できるようにするには、流量制御前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部を備え、前記オブザーバゲイン部が、前記異常モードにおいて前記オブザーバゲインとしてゼロの値を使用するように構成されたものが挙げられる。

前記異常モード切替部の具体的な態様としては、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値、又は、当該下流側バルブ流量測定器において使用される内部パラメータに基づいて、前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作しているか、異常が発生しているかを判定するように構成されたものが挙げられる。

流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた既存の流量制御装置に対して例えばプログラムを更新することで、本発明に係る流量制御装置と同等の流量制御特性が得られるようにするには、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された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、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。

このように本発明に係る流量制御装置は、前記下流側バルブを通過している流量の流量である前記下流側バルブ流量を推定する前記オブザーバを備えているので、時間遅れとノイズを低減した下流側バルブ流量を得ることができる。したがって、本発明であれば、流量制御における応答性及び精度を従来よりも向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。 第１実施形態の流量制御装置の下流側バルブに関する制御系の概略を示すブロック線図。 第１実施形態のオブザーバ及び下流側バルブ制御器の詳細を示すブロック線図。 第１実施形態における流量制御装置の第１変形例の構成を示すブロック線図。 第１実施形態における流量制御装置の第２変形例の構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。 本発明の第３実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。 本発明の第４実施形態における流量制御装置の構成を示す模式図。 本発明の第５実施形態における正常モードにおける流量制御装置の構成を示す模式図。 第５実施形態における異常モードにおける流量制御装置の構成を示す模式図。 第５実施形態における正常モードと異常モードにおける流量制御装置の動作イメージを示す模式図。

第１実施形態に係る流量制御装置１００について図１乃至図３を参照しながら説明する。

第１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チャンバに対してプロセスガスや貴ガス等の希釈ガス等を設定流量で供給するために用いられるものである。ここで、設定流量は、例えばある目標値から別の目標値へ階段状に立ち上がる、あるいは、立ち下がるステップ状の時間変化を含む。このような設定流量のステップ流量指令に対して、所定時間内に追従するようにこの流量制御装置１００は構成してある。なお所定時間は、製造される半導体の品質を満たすことができる時間として設定され得る。

具体的には流量制御装置１００は、図１に示すように、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装置ＣＯＭと、を備えている。なお、流路は例えば図示しないブロック内に形成された複数の内部流路として形成され、当該内部流路は当該ブロックにおいて流体機器が取り付けられる部品取付面に少なくとも一端部が開口する。

流路に対して上流側から順番に供給圧センサ（図示しない）、上流側バルブＶ１、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２、下流側バルブＶ２が設けてある。ここで、流体抵抗Ｒは例えば層流素子であり、その前後に流れるガス流量に応じた差圧を発生する。

上流側圧力センサＰ１は、流路において上流側バルブＶ１と流体抵抗Ｒとの間における容積である上流側容積ＶＬ１内にチャージされているガスの圧力を測定する。以降の説明では上流側圧力センサＰ１で測定される圧力を上流側圧力ともいう。

下流側圧力センサＰ２は、流路において流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間における容積である下流側容積ＶＬ２にチャージされているガスの圧力を測定する。以降の説明では下流側圧力センサＰ２で測定される圧力を下流側圧力ともいう。

第１実施形態では上流側圧力センサＰ１及び下流側圧力センサＰ２は例えば同型のものであり、例えばダイヤフラムで形成された感圧面に流路からガスが導かれる。感圧面の変位は例えば静電容量型の変位センサで測定され、その変位から各圧力が測定される。このように上流側圧力センサＰ１と下流側圧力センサＰ２は、上流側バルブＶ１、流体抵抗Ｒ、下流側バルブＶ２で形成される２つの容積の圧力をそれぞれ測定している。

上流側バルブＶ１、及び、下流側バルブＶ２は、第１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材に対して駆動されるピエゾバルブである。第１実施形態では上流側バルブＶ１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力に基づいて上流側容積内の圧力を制御する。一方、流体機器において最も下流側に設けられている下流側バルブＶ２は、流体機器から流出するガス流量全体を制御するものである。

次に制御装置ＣＯＭについて詳述する。

制御装置ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段を具備するいわゆるコンピュータである。具体的にはマイコンボードを用いてその機能が実現されるが、一般的なコンピュータを用いてもよい。制御装置ＣＯＭはメモリ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が協業することにより、少なくとも抵抗流量算出器１、下流側バルブ流量算出器２、オブザーバ３、下流側バルブ制御器４、第１電圧生成回路５、上流側バルブ流量算出器６、上流側バルブ制御器７、第２電圧生成回路８としての機能を発揮する。

抵抗流量算出器１は、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２とともにいわゆる圧力式の流量センサを構成するものである。つまり、抵抗流量算出器１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力を入力として、流体抵抗Ｒを流れるガス流量である抵抗流量を算出し、その結果を下流側バルブ流量算出器２に出力する。

ここで、抵抗流量算出器１で用いられる流量の算出式は既存の圧力式流量センサで採用されているものを用いることができる。抵抗流量算出器１で算出される抵抗流量は、連続的に変化するものであるが、下流側バルブＶ２の制御により実現される当該下流側バルブＶ２を通過している実際の流量に対して所定の時間遅れが発生している。

以降では下流側バルブＶ２を通過している流量のことを下流側バルブ流量ともよぶ。また、第１実施形態では下流側バルブ流量は上流側圧力センサＰ１及び下流側圧力センサＰ２の出力に基づいて算出される値を測定値と定義する。一方、下流側バルブ制御器４の内部出力と、数学的なモデルに基づき、上流側圧力センサＰ１及び下流側圧力センサＰ２の出力を直接は使用せずに算出される下流側バルブ流量は推定値と定義する。

下流側バルブ流量算出器２は、抵抗流量算出器１で算出される抵抗流量と、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力とに基づいて、下流側バルブＶ２から流出するガス流量である下流側バルブ流量を算出し、その結果をオブザーバ３に出力する。より具体的には下流側バルブ流量算出器２は、流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間の下流側容積ＶＬ２に対して流入するガス流量である抵抗流量と、下流側容積ＶＬ２から流出するガス流量である下流側バルブ流量の差の定数倍が、下流側圧力の時間変化量と等しいことに基づいて下流側バルブ流量を算出している。具体的には、下流側圧力をＰ_２、下流側容積ＶＬ２の大きさをＶ_２、ガスの温度をＴ、気体定数をＲ_Ｇ，質量をｎ_２とした場合、下流側容積ＶＬ２を対象として気体の状態方程式を適用するとＰ_２＝ｎ_２Ｒ_ＧＴ／Ｖ_２が導出される。また、質量ｎ_２の時間微分値は、下流側容積ＶＬ２に流入する抵抗流量Ｑ_Ｒと、下流側容積ＶＬ２から流出する下流側バルブ流量Ｑ_Ｖ２の差に比例していることから、最終的に以下のような式で下流側バルブ流量Ｑ_Ｖ２は算出できる。Ｑ_Ｖ２＝Ｑ_Ｒ―Ａ・ｄ／ｄｔ（Ｐ_２）：ここでｄ／ｄｔは時間微分演算子、Ａはガスの温度Ｔ、気体定数Ｒ_Ｇ等で決まる定数である。

第１実施形態では、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２、及び、抵抗流量算出器１がいわゆる圧力式の流量センサを構成している。また、圧力式の流量センサにさらに下流側バルブ流量算出器２が加わることで、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳが構成される。

オブザーバ３は、数学的な制御系のモデルと、下流側バルブＶ２の開度を変更する入力パラメータとに基づいて下流側バルブ流量を推定する。オブザーバ３で推定された下流側バルブ流量は、下流側バルブ制御器４に出力される。

下流側バルブ制御器４は、ユーザにより設定される設定流量と、オブザーバ３により推定される下流側バルブ流量との偏差が小さくなるように下流側バルブＶ２の開度を制御する。第１実施形態では下流側バルブ制御器４は、偏差に応じた開度指令を生成し、第１電圧生成回路５に出力する。

第１電圧生成回路５は、開度指令に応じた電圧を下流側バルブＶ２に印加する。この第１電圧生成回路５では開度指令に対して例えば１次遅れの時間遅れが発生する。

上流側バルブ流量算出器６は、抵抗流量算出器１で算出される抵抗流量と、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力とに基づいて、上流側バルブＶ１から上流側容積ＶＬ１に流入するガス流量である上流側バルブ流量を算出し、その結果を上流側バルブ制御器７に出力する。より具体的には上流側バルブ流量算出器６は、上流側バルブＶ１と流体抵抗Ｒとの間の上流側容積ＶＬ１に対して流入するガス流量である上流側バルブ流量と、上流側容積ＶＬ１から流出するガス流量である抵抗流量との差の定数倍が、上流側圧力の時間変化量と等しいことに基づいて、上流側バルブ流量を算出している。具体的には、上流側圧力をＰ_１、上流側容積ＶＬ１の大きさをＶ_１、ガスの温度をＴ、気体定数をＲ_Ｇ，質量をｎ_１とした場合、上流側容積ＶＬ１を対象として気体の状態方程式を適用するとＰ_１＝ｎ_１Ｒ_ＧＴ／Ｖ_１が導出される。また、質量ｎ_１の時間微分値は、上流側容積ＶＬ１に流入する上流側バルブ流量Ｑ_Ｖ１と、上流側容積ＶＬ１から流出する抵抗流量Ｑ_Ｒの差に比例していることから、最終的に以下のような式で上流側バルブ流量Ｑ_Ｖ１は算出できる。Ｑ_Ｖ１＝Ｑ_Ｒ＋Ａ・ｄ／ｄｔ（Ｐ_１）：ここでｄ／ｄｔは時間微分演算子、Ａはガスの温度Ｔ、気体定数Ｒ_Ｇ等で決まる定数である。

なお、上流側バルブ流量算出器６は、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳにおいて圧力式の流量センサを構成する上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２、及び、抵抗流量算出器１を共用している。すなわち、上流側バルブ流量算出器６は、圧力式の流量センサを下流側バルブ流量測定器ＶＦＳと共用して、上流側バルブ流量測定器としての機能を発揮するように構成されている。

上流側バルブ制御器７は、ユーザによって設定される設定流量と、上流側バルブ流量算出器６の算出する上流側バルブ流量と、に基づいて上流側バルブＶ１を制御する。すなわち、上流側バルブ制御器７は、ユーザにより設定される設定流量の目標値と上流側バルブ流量の測定値との偏差が小さくなるように、上流側バルブＶ１を制御する。より具体的には、上流側バルブ制御器７は、設定流量と上流側バルブ流量の偏差に基づくＰＩＤ演算により、上流側バルブＶ１が達成すべき開度を示す開度指令を生成し、その開度指令を第２電圧生成回路に入力する。第２電圧生成回路は、開度指令に応じた電圧を上流側バルブＶ１に印加する。すなわち、上流側バルブＶ１は下流側バルブＶ２とは異なり、オブザーバによる推定値ではなく、測定値に基づいて制御される。また、上流側バルブ制御器７及び下流側バルブ制御器４に入力される設定流量はそれぞれ同じものであり、同期させて入力される。

次に下流側バルブＶ２に関連する制御系の詳細と、オブザーバ３、及び、下流側バルブ制御器４の詳細について図２及び図３のブロック線図を参照しながら説明する。

図２のブロック線図に示すように、下流側バルブＶ２の制御系は、ハードウェアの出力に基づき下流側バルブ流量を測定するとともに、実際の下流側バルブ流量に影響を与えるリアルシステムと、数学的なモデルに基づいて下流側バルブ流量を推定するイマジナリーシステムとから構成されている。リアルシステムは、下流側バルブ制御器４、第１電圧生成回路５、下流側バルブＶ２、及び、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳからなる。一方、イマジナリーシステムは、オブザーバ３で構成される。

オブザーバ３で推定される下流側バルブ流量は下流側バルブ制御器４にフィードバックされる。すなわち、設定流量の目標値と下流側バルブ流量の推定値の偏差が下流側バルブ制御器４に入力される。また、オブザーバ３で推定される下流側バルブ流量と下流側バルブ流量測定器で測定される下流側バルブ流量の偏差はオブザーバ３にフィードバックされる。オブザーバ３は下流側バルブ制御器４からリアルシステムに入力されるのと同じ開度指令が入力され、開度指令に応じた下流側バルブ流量の推定値を出力する。

図３の詳細なブロック線図に示すように、オブザーバ３は、リアルシステムにおける制御対象である第１電圧生成回路５、下流側バルブＶ２、及び、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳを模擬する下流側バルブ流量推定モデル３１を具備している。すなわち、下流側バルブ流量推定モデル３１は第１電圧生成回路５、下流側バルブＶ２、及び、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳにそれぞれ対応する第１電圧生成回路模擬部５Ｍ、下流側バルブ模擬部Ｖ２Ｍ、及び、下流側バルブ流量測定器模擬部ＶＦＭからなる。

第１電圧生成回路模擬部５Ｍは、開度指令に対して第１電圧生成回路５が実際に出力する電圧の時間遅れを模擬している。また、下流側バルブ模擬部Ｖ２Ｍは下流側バルブＶ２、すなわち、ピエゾバルブとしての制御特性を例えば理論式を参照して模擬しており、下流側バルブＶ２に印加されている電圧に対して対応する下流側バルブ流量を出力する。なお、下流側バルブ模擬部Ｖ２Ｍは、例えば流量、バルブの前後圧、温度、開度に相当する電圧等との間の関係を記憶したルックアップテーブルを参照することでそのバルブ特性を模擬するものであってもよい。加えて、下流側バルブ流量測定器模擬部ＶＦＭは、実際の下流側バルブ流量に対して測定値に表れる時間遅れを模擬している。ここで、下流側バルブ流量測定器模擬部ＶＦＭが模擬する時間遅れは、制御点と測定点のずれに起因するものではなく、電気回路内や演算に起因するものである。下流側バルブ流量推定モデル３１は数学的なモデルであるため、開度指令が入力されることにより出力される下流側バルブ流量の推定値には電気的なノイズは重畳せず、下流側バルブ流量の変化のみが表れる。

また、オブザーバ３はさらに下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差に所定のオブザーバゲインＯＧを乗じるオブザーバゲイン部３２を備えている。オブザーバゲインＯＧには対応して積分器が設けられており、積分器の出力が、第１電圧生成回路模擬部５Ｍの出力する電圧に加算される。

最後に下流側バルブ制御器４について説明する。下流側バルブ制御器４は、設定流量とオブザーバ３が推定する下流側バルブ流量との偏差が入力されるＰＩＤ制御器４１と、ＰＩＤ制御器４１が出力するＰＩＤ演算結果に応じた開度指令を出力する開度指令生成器４２と、を具備している。すなわち、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳで測定される下流側バルブ流量はオブザーバ３へのフィードバックのみに用いられており、下流側バルブＶ２に印加される電圧を決定するためには直接は使用されない。電気的なノイズを含まない設定流量の目標値とオブザーバ３の流量の推定値の偏差に基づいて、下流側バルブＶ２が制御される。

このように構成された流量制御装置１００であれば、オブザーバ３によって下流側バルブＶ２を通過している流体の下流側バルブ流量をほとんど時間遅れと電気的なノイズが含まれない形で推定できる。このような推定値に基づいて下流側バルブ制御器４が下流側バルブＶ２の開度を制御するので、従来よりも応答性のよい流量制御を実現できる。

また、上流側バルブＶ１は測定される上流側バルブ流量と設定流量の偏差が小さくなるように制御され、下流側バルブＶ２はオブザーバ３で推定される推定流量と設定流量の偏差が小さくなるように制御されるので、流体抵抗Ｒの前後の差圧を高速で変化させることができる。例えば設定流量を現状よりも大きくする場合には、上流側バルブ制御器７は、上流側圧力が大きくなるように上流側バルブＶ１を制御するとともに、下流側バルブ制御器４は下流側圧力が小さくなるように下流側バルブＶ２を制御する。設定流量が現状よりも小さくなる場合には、前述した逆の動作が実現される。したがって、２つのバルブによって上流側圧力と下流側圧力はそれぞれ逆方向に変化させることができるので、流量の増減を高速で調節できる。さらに、上流側圧力と前下流側圧力の平均圧力はほぼ一定の圧力に保つことができる。また、この平均圧力を抵抗流量の算出に適した低圧力に調節することで、圧力式の流量センサとしての感度も高く保つことができる。この結果、上流側バルブ流量の測定値や下流側バルブ流量の推定値の感度も高めることができ、流量制御における応答性をさらに向上させられる。

次に第１実施形態の流量制御装置１００の第１変形例について図４を参照しながら説明する。この第１変形例では、オブザーバ３のオブザーバゲイン部３２の構成が前述した実施形態と異なっている。具体的には、オブザーバゲイン部３２は、流路を流れる流体の流量が安定している場合に用いられる第１オブザーバゲインＯＧ１と、流路を流れる流体の流量が所定量以上変化している場合に用いられ、第１オブザーバゲインＯＧ１よりも値が大きい第２オブザーバゲインＯＧ２と、流量の状態に応じていずれのオブザーバゲインを用いるかを決定する切替器ＳＷと、を具備している。各オブザーバゲインＯＧ１、ＯＧ２には対応して積分器が設けられており、積分器の出力が、第１電圧生成回路模擬部５Ｍの出力する電圧に加算される。

切替器ＳＷは、例えば設定流量の目標値が一定値に保たれている区間では第１オブザーバゲインＯＧ１が下流側バルブ流量の測定値と推定値の偏差に乗じられるようにし、設定流量の目標値がある値から別の値に立ち上がる、又は、立ちさがる場合には第２オブザーバゲインＯＧ２が前述した偏差に乗じられるようにする。

このように構成されているので、流量が大きく変化する場合には第２オブザーバゲインＯＧ２が用いられて第１電圧生成回路模擬部５Ｍの出力する電圧の値が大きく修正されることになる。この結果、オブザーバ３による推定値の乖離が短時間で修正される。一方、設定流量の目標値が一定値の区間であり、流量が安定している場合には第１オブザーバゲインＯＧ１が用いられて偏差に対する修正感度が抑えられる。すなわち、推定値と測定値との差が殆ど無い場合には突発的な外乱影響をオブザーバ３が受けにくくなり、ロバスト性が高くなった状態となる。

次に第１実施形態の流量制御装置１００の第２変形例について図５を参照しながら説明する。第２変形例では下流側バルブ流量だけでなく、上流側バルブ流量についてもオブザーバによる推定を行い、さらに応答性の良い流量制御を実現している。具体的には、上流側バルブＶ１の開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバ９をさらに備え、上流側バルブ制御器７が、設定流量の目標値とサブオブザーバ９の出力する上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように上流側バルブＶ１の開度を制御する。なお、サブオブザーバ９の具体的には構成は図２及び図３で示した下流側バルブ流量を推定するオブザーバ３と対応する構成を有している。すなわち、サブオブザーバ９は、上流側バルブ制御器７の出力する開度指令に基づいて上流側バルブ流量を推定するとともに、その推定値と上流側バルブ流量算出器６の算出する測定値の偏差に所定のオブザーバゲインが乗じられて、上流側バルブ流量推定モデル内にフィードバックされるようにしている。

このように第２変形例であれば、上流側バルブ流量と下流側バルブ流量の両方を数学的なモデルに基づくオブザーバによる推定値で得ることができ、より応答性や制御の安定性を向上させた流量制御を実現できる。

次に本発明の第２実施形態の流量制御装置１００について図６を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態の説明では第１実施形態において説明した各部と対応する部分には同じ符号を付すこととする。

第２実施形態の流量制御装置は、下流側バルブＶ２の制御構成は第１実施形態と同じであるが、上流側バルブＶ１が流量ではなく、圧力に基づいて制御される点が異なっている。

具体的には上流側バルブ制御器は、ユーザにより設定される設定圧力と、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力との偏差に基づいて、上流側バルブＶ１を制御する。ここで、設定圧力は、下流側バルブ流量が設定流量で安定した場合において流体抵抗Ｒの前後において保たれるべき圧力差に基づいて設定される。

このような流量制御装置１００であれば、供給圧を一定に保ち、上流側からの圧力変動による外乱の影響を受けにくくした状態で下流側バルブＶ２を通過する下流側バルブ流量を制御できる。言い換えると、流体抵抗Ｒの前後の差圧が、第１実施形態ほどは高速で変化しにくくなる代わりに、流量制御の安定性は向上させられる。例えば供給される流体が液体原料等を気化させた原料ガス等の場合、発生量が安定しない場合でも一定の流量を供給し続けやすくなる。また、下流側バルブ流量をオブザーバ３で推定し、その推定値に基づいて制御を行うので、従来の単純な圧力フィードバック制御と流量フィードバック制御を組み合わせたものと比較して流量制御の応答性は向上させることができる。

次に本発明の第３実施形態の流量制御装置１００について図７を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態の説明では第１実施形態において説明した各部と対応する部分には同じ符号を付すこととする。

第３実施形態の流量制御装置１００は第１実施形態と比較して上流側バルブ制御器７の構成が異なっている。すなわち、上流側バルブ制御器７には第１電圧生成回路５から下流側バルブＶ２に印加される電圧がフィードバックされ、ユーザにより設定される設定電圧との偏差に基づいて上流側バルブＶ１の開度が制御される。設定電圧は例えば下流側バルブＶ２において維持する開度に相当する電圧が入力される。上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、及び、下流側圧力センサＰ２を用いた圧力式の流量測定は低圧であるほど感度を高めることができる。したがって、設定電圧は所望の流量感度を実現できる低圧にまで減圧される開度に相当する電圧がユーザにより設定される。下流側バルブ制御器４は上流側の圧力に応じて下流側バルブＶ２に印加する電圧を制御し、オブザーバ３による下流側バルブ流量の推定値が設定流量と一致するように制御をしている。この状態で上流側バルブ制御器７は、流体抵抗Ｒの前後における圧力の絶対値が小さくなるように上流側バルブＶ１の開度を閉じていき、ガスの供給を絞る。この結果、所望の流量を実現しながら、流量制御装置１００内のガスの圧力を下げていくことができ、流量の測定感度を高めることができる。

次に本発明の第４実施形態の流量制御装置１００について図８を参照しながら説明する。

第４実施形態の流量制御装置１００は、図８に示すように第１実施形態と比較して上流側バルブＶ１及び上流側バルブ制御器７が省略されている点で異なっている。

このような第３実施形態の流量制御装置１００であっても、従来との単一のバルブを備えた流量制御装置１００と比較して、オブザーバ３の推定する時間遅れとノイズの少ない下流側バルブ流量に基づいて応答性の良い流量制御が可能となる。

次に本発明の第５実施形態の流量制御装置１００について図９乃至図１１を参照しながら説明する。

第５実施形態の流量制御装置１００は、例えば下流側バルブ流量測定器ＶＦＳ又は下流側バルブ流量測定器ＶＦＳを構成するセンサに異常が発生した場合には、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの測定値を流量制御に用いずに、オブザーバ３から出力される推定値のみで流量制御を継続するように構成されたものである。具体的には第５実施形態の流量制御装置１００は、図９及び図１０に示すように第１実施形態と比較して、異常モード切替器ＡＭＳ、正常値記憶部、ロールバック部ＲＢを備えている点が構成上異なっている。以下に各部について詳述する。

異常モード切替器ＡＭＳは、少なくとも下流側バルブ流量測定器ＶＦＳにおいて異常が発生した場合に、流量制御装置１００の制御構成を図９に示す正常モードから図１０に示す異常モードに切り替える。より具体的には異常モード切替器ＡＭＳは、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力する流量の測定値、又は、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳ内で使用されている内部パラメータをモニタリングしており、モニタ値に基づいて下流側バルブ流量測定器ＶＦＳに異常が発生しているかどうかを判定する。また、異常モード切替器ＡＭＳは、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳに異常が発生していると判定すると、流量制御装置１００の制御構成を図１０に示すように下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力する流量の測定値が流量制御ループ内で使用されないようにループを切断する。その代わりに異常モード切替器ＡＭＳはオブザーバ３で推定される流量のみで流量制御ループが構成されるように制御構成を切り替える。

異常モード切替器ＡＭＳによる異常モードの判定は、例えば流れている流量がほぼ一定値に保たれる定常状態において行われる。言い換えると、設定流量の目標値がステップ状に変化し、流れている流量が過渡状態にある場合には異常モード切替器ＡＭＳは前述した偏差による異常判定を行わない。すなわち、異常モード切替器ＡＭＳは設定流量の目標値が一定に保たれている期間において、例えば下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの測定する流量値と設定流量の目標値との偏差をモニタリングし、偏差の絶対値が予め定められた異常モード切替判定閾値を超えた場合に下流側バルブ流量測定器ＶＦＳに異常が発生していると判定する。なお、異常判定後には異常モード切替器ＡＭＳはユーザに対して異常が発生していることを通知するアラーム表示も継続して行う。

正常値記憶部ＮＭは、流量制御装置１００が正常モードで動作している状態において下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの測定する流量と、オブザーバ３の推定する流量の偏差（イノベーション）が所定の基準を満たす場合の値を正常値として記憶する。具体的には正常値記憶部ＮＭは、設定流量の目標値が一定値に保たれている定常状態において、当該設定流量の目標値と下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力する流量値との差の絶対値が正常値採用判定閾値よりも小さい場合に前述したイノベーションを正常値として記憶する。正常値記憶部ＮＭは例えば最新の正常値のみを保持するようにしてもよいし、日時や時間とともに複数の正常値を保持してもよい。

ロールバック部ＲＢは、異常モード切替器ＡＭＳによって流量制御装置１００の制御構成が異常モードに切り替えられた場合に、正常値記憶部ＮＭに記憶されている正常値に所定値を乗じて算出される固定値を下流側バルブ流量推定モデル３１に入力する。すなわち、異常モードではオブザーバゲイン部３２を構成するロールバック部ＲＢには下流側バルブ流量測定器ＶＦＳ及び下流側バルブ流量測定器模擬部ＶＦＭの出力が入力されない。代わりにロールバック部ＲＢは正常モードで動作していたときに入力されていた正常値を使用して、オブザーバゲイン部３２としての出力を算出する。このため、異常モードでオブザーバゲイン部３２から出力される値は下流側バルブ流量推定モデル３１のモデル化誤差が正常モードと同じであるとの仮定のもとで出力されていることになる。

このように構成された第５実施形態の流量制御装置１００による正常モードと異常モードでの制御動作について図１１を参照しながら説明する。

正常モードでの動作は第１実施形態における制御動作とほぼ同じであって、定常状態における下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの測定する流量値と下流側バルブ流量測定器模擬部ＶＦＭの推定する流量値の偏差であるイノベーションの絶対値が正常値採用判定閾値よりも小さい場合にその値が正常値として正常値記憶部ＮＭに記憶される。

また、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳにおいて何らかの異常が発生し、定常状態において下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力する測定値と設定流量との差の絶対値が異常モード切替閾値よりも大きくなった場合には、異常モード切替部は異常が発生したと判定する。異常モード切替部は流量制御装置１００の制御構成を異常モードに切り替え、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力がオブザーバ３で使用されないようにしつつ、オブザーバゲイン部３２からの出力はロールバック部ＲＢから出力される。すなわち、ロールバック部ＲＢは正常値記憶部ＮＭに記憶されている正常値に所定値を乗じた固定値を下流側バルブ流量推定モデル３１へ出力する。この結果、オブザーバ３の状態は異常が発生する前の状態にロールバックされ、その状態から流量制御装置１００における流量フィードバック制御はオブザーバ３の推定値のみで継続されることになる。

このように構成された第５実施形態の流量制御装置１００であれば、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳを構成するセンサ等に異常が発生した場合でも、流量制御を中断せずにオブザーバ３の出力する流量の推定値のみに基づいて流量制御を継続できる。また、オブザーバ３で推定される流量は正常モードでのイノベーションに基づいて算出される値でモデル化誤差が修正されたものであるので、実際に流れている流量からの乖離を小さくできる。このため、流量制御装置１００から供給される流量は設定流量に対して許容できる程度の誤差しか発生しないようにでき、プロセスを中断した場合よりもウエハの歩留まりを高く保つ事が可能となる。

第５実施形態の流量制御装置１００の変形例について説明する。
正常値記憶部ＮＭに記憶されている正常値は前述したイノベーションではなく、正常モードにおいてオブザーバゲイン部３２が出力していた値そのものであってもよい。このようなものの場合にはロールバック部ＲＢは、正常値をそのまま下流側バルブ流量推定モデル３１に対して入力するように構成すればよい。

異常モード切替器ＡＭＳにおける異常判定アルゴリズムは前述したものに限られない。例えば、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳの出力がオーバーレンジしている場合には異常が発生していると判定してもよい。また、下流側バルブ流量測定器ＶＦＳを構成する各種センサの出力や電気回路の出力に基づいて異常が発生しているかどうかを判定してもよい。

例えば第１実施形態の流量制御装置１００の構成をそのまま用いながら異常モードでも流量制御を所定の制御精度で継続できるようにするには、異常モード切替器ＡＭＳが異常モードにおいてはオブザーバゲイン部３２に対してオブザーバゲインをゼロに変更するように構成されたものであればよい。

その他の実施形態について説明する。

上流側バルブ、及び、下流側バルブはピエゾバルブに限られるものではなく、その他のアクチュエータにより駆動されるものであっても構わない。各バルブは、例えばソレノイドバルブであっても構わないし、各バルブがそれぞれ同型のものでなくてもよい。

流体抵抗は層流素子に限られるものではなく、例えばオリフィスや熱式流量センサを構成するための分流素子であってもよい。要するに流体抵抗は流路に設けられた抵抗体であり、流路抵抗と下流側バルブとの間の容積が仕切られて他の部分とは異なる圧力に変化させられるものであればよい。

流体抵抗を流れる抵抗流量は、圧力式の流量センサで測定されるものに限られない。例えば流体抵抗として分流素子を用いるとともに、この分流素子を迂回する細管で形成されたバイパス流路に一対の温度測定素子を設けた熱式流量センサで抵抗流量が測定されてもよい。この場合には分流素子と下流側バルブとの間にある下流側容積の圧力を測定するために別途下流側圧力センサを設けることで、第１実施形態の流量制御装置と同等の制御が可能となる。

オブザーバに下流側バルブ流量の推定のために入力される入力パラメータは、開度指令に限られない。入力パラメータは、例えば設定流量や、下流側バルブに入力される電圧であってもよい。入力パラメータの種類に応じてリアルシステム内の要素のうち、下流側バルブ流量推定モデル内に含まれる要素を増減させればよい。また、各要素のうちほぼ時間遅れ等が無視できる理想的な応答をするものについては、下流側バルブ流量推定モデルを構成する要素から外しても良い。すなわち、流量推定モデルは各実施形態において示した物に限られない。下流側バルブ流量推定モデルは、例えば制御系の各要素が満たす物理法則に基づいて数学的に方程式を立てたものであってもよいし、ステップ応答等から実験的に定めたものであってもよい。

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変形や、各実施形態の要素同士を組み合わせても構わない。

１００ ：流量制御装置
Ｐ１ ：上流側圧力センサ
Ｐ２ ：下流側圧力センサ
Ｖ１ ：上流側バルブ
Ｖ２ ：下流側バルブ
ＶＬ１ ：上流側容積
ＶＬ２ ：下流側容積
ＣＯＭ ：制御装置
１ ：抵抗流量算出器
２ ：下流側バルブ流量算出器
３ ：オブザーバ
３１ ：下流側バルブ流量推定モデル
Ｖ２Ｍ ：下流側バルブ模擬部
５Ｍ ：第１電圧生成回路模擬部
ＶＦＭ ：下流側バルブ流量測定器模擬部
３２ ：オブザーバゲイン部
ＯＧ１ ：第１オブザーバゲイン
ＯＧ２ ：第２オブザーバゲイン
ＳＷ ：切替器
４ ：下流側バルブ制御器
４１ ：ＰＩＤ制御器
４２ ：開度指令生成器
５ ：第１電圧生成回路
６ ：上流側バルブ流量算出器
７ ：上流側バルブ制御器
８ ：第２電圧生成回路
９ ：サブオブザーバ
ＡＭＳ ：異常モード切替器
ＮＭ ：正常値記憶部
ＲＢ ：ロールバック部

Claims (20)

1. 流路に設けられた流体抵抗と、
   前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、
   前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、
   前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、を備え、
   前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された流量制御装置。
2. 入力された開度指令に応じた電圧を前記下流側バルブに出力する第１電圧生成回路をさらに備え、
   前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第１電圧生成回路、前記下流側バルブ、及び、前記下流側バルブ流量測定器の特性をモデル化したものであり、
   前記オブザーバが、前記入力パラメータとして前記開度指令が入力され、前記下流側バルブ流量を推定する請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記下流側バルブ流量推定モデルが、前記第１電圧生成回路における時間遅れを模擬する請求項２記載の流量制御装置。
4. 前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部をさらに備えた請求項１乃至３いずれかに記載の流量制御装置。
5. 前記オブザーバゲイン部が、
   前記流路に流れる流体の流量が所定値で安定している場合に用いられる第１オブザーバゲインと、
   前記流路に流れる流体の流量が変化している場合に用いられ、前記第１オブザーバゲインよりも値が大きい第２オブザーバゲインと、を具備する請求項４記載の流量制御装置。
6. 前記下流側バルブの開度を制御する下流側バルブ制御器をさらに備え、
   前記下流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいて、前記開度指令を生成するように構成された請求項２又は３記載の流量制御装置。
7. 前記下流側バルブ制御器が、
   設定流量の目標値と前記オブザーバの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行うＰＩＤ制御器と、
   前記ＰＩＤ制御器からＰＩＤ演算結果に応じた前記開度指令を生成する開度指令生成器と、を具備する請求項６記載の流量制御装置。
8. 前記下流側バルブ流量測定器が、
   前記流体抵抗の上流側に設けられ、上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、
   前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、
   前記上流側圧力と、前記下流側圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、
   前記抵抗流量から前記下流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を差し引いて前記下流側バルブ流量を算出する下流側バルブ流量算出器と、を具備する請求項１乃至７いずれかに記載の流量制御装置。
9. 前記上流側圧力センサの上流側に設けられた上流側バルブと、
   前記上流側バルブの開度を制御する上流側バルブ制御器と、をさらに備えた請求項８記載の流量制御装置。
10. 前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器をさらに備え、
    前記上流側バルブ制御器が、設定流量と前記上流側バルブ流量の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項９記載の流量制御装置。
11. 前記抵抗流量から前記上流側圧力の時間変化量に所定係数を乗じた値を足して前記上流側バルブを通過する上流側バルブ流量を算出する上流側バルブ流量算出器と、
    前記上流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記上流側バルブ流量を推定する上流側バルブ流量推定モデルを具備するサブオブザーバと、をさらに備え、
    前記上流側バルブ制御器が、設定流量の目標値と前記サブオブザーバの出力する前記上流側バルブ流量の推定値との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項９記載の流量制御装置。
12. 前記上流側バルブ制御器が、設定圧力と前記上流側圧力の偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項９記載の流量制御装置。
13. 前記上流側バルブ制御器が、前記下流側バルブで維持する開度に相当する設定電圧と、前記下流側バルブに印加されている電圧との偏差が小さくなるように前記上流側バルブの開度を制御する請求項９記載の流量制御装置。
14. 前記流体抵抗が、層流素子、分流素子、又は、オリフィスである請求項１乃至１３いずれかに記載の流量制御装置。
15. 少なくとも前記下流側バルブ流量測定器に異常が発生した場合に、前記オブザーバにおいて前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値のフィードバックを行わない異常モードで前記オブザーバを動作させる異常モード切替部をさらに備えた請求項１記載の流量制御装置。
16. 前記オブザーバが、
    少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部と、
    少なくとも前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作している状態において、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差、又は、当該偏差に所定演算がされた値を正常値として記憶する正常値記憶部と、
    前記異常モードにおいて、前記正常値に基づいた値を前記下流側バルブ流量推定モデルに入力するロールバック部と、をさらに備えた請求項１５記載の流量制御装置。
17. 前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量の測定値と前記下流側バルブ流量の推定値との偏差にオブザーバゲインを乗じるオブザーバゲイン部を備え、
    前記オブザーバゲイン部が、前記異常モードにおいて前記オブザーバゲインとしてゼロの値を使用するように構成された請求項１５記載の流量制御装置。
18. 前記異常モード切替部が、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値、又は、当該下流側バルブ流量測定器において使用される内部パラメータに基づいて、前記下流側バルブ流量測定器が正常に動作しているか、異常が発生しているかを判定するように構成された請求項１５乃至１７いずれかに記載の流量制御装置。
19. 流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
    前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定することと、
    前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバを用いて前記下流側バルブ流量を推定することと、を含み、
    前記オブザーバに前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差をフィードバックする流量制御方法。
20. 流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、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、
    前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量と、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間にある内部容積内の圧力である下流側圧力の時間変化量とに基づいて、前記下流側バルブを通過する流体の流量である下流側バルブ流量を測定する下流側バルブ流量測定器と、
    前記下流側バルブの開度を変化させる入力パラメータに基づいて前記下流側バルブ流量を推定する下流側バルブ流量推定モデルを具備するオブザーバと、としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
    前記オブザーバが、前記下流側バルブ流量測定器の出力する前記下流側バルブ流量の測定値と、前記下流側バルブ流量推定モデルの出力する前記下流側バルブ流量の推定値との偏差がフィードバックされるように構成された流量制御装置用プログラム。

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