JP4795396B2 - 流体温度制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管を流れる流体の温度を制御する装置に関する。

流体の温度制御装置が利用されている用途の一つに、半導体製造装置で用いられる真空チャンバの温度制御がある。例えば図１に示すようなエッチング装置の真空チャンバ２０の場合、一般に、その外壁２１は８０℃以上の高温域に、蓋２２は−１５℃程度の低温に、ウェハ２３のセットされる電極２４は−２０℃〜８０℃程度の低温域に制御される必要がある。外壁２１、蓋２２及び電極２４の温度制御は、それぞれの場所に配管を巡らし、それぞれの配管に温度制御された作動流体を流すことによって行われている。ここで、作動流体には、水、エチレングリコール或いはフロリナート（FLUORINERT）（登録商標）などが用いられている。

例えば電極２４のための低温域での温度制御には、例えば図２に示すような流体温度制御装置（以下、「低温機」という）３０を用いることができる。また、例えば外壁２１のための高温域での温度制御には、例えば図３に示すような流体温度制御装置（以下、「高温機」という）５０を用いることができる。

図２に示す低温機３０では、流体循環供給系３１があり、そこで、作動流体が、チラー（冷却機）３２又はバイパス通路３５、ハロゲンランプヒータ３３、真空チャンバ２０を順番に通って循環している。作動流体は、チラー（冷却機）３２を通るときに冷却され、次いで、ヒータ３３を通るときに加熱され、そして、真空チャンバ２０に供給される。作動流体の温度が真空チャンバ２０の入口で目標温度になるよう、チラー通路３７とバイパス通路３５にそれぞれ設けた２つの流量制御弁３４、３６の開度制御と、ハロゲンランプヒータ３３の出力制御とが行なわれる。

図３に示す高温機５０には、流体循環供給系５１があり、そこで、作動流体が、ハロゲンランプヒータと冷却水路とを内蔵したヒータ・クーラ５２、真空チャンバ２０（例えば、その外壁２１）を順番に通って循環している。作動流体は、ヒータ・クーラ５２を通るときに、冷却水により冷却されるとともにハロゲンランプヒータによって加熱され、そして、真空チャンバ２０に供給される。作動流体の温度が真空チャンバ２０の入口で目標温度になるように、冷却水の流量制御弁６２の開度制御とハロゲンランプの出力制御とが行なわれる。

低温機３０でも、高温機５０でも、作動流体の温度を調節するために、２種類の熱交換器が用いられている。すなわち、作動流体を冷却水で冷やすための熱交換器と、作動流体をヒータで加熱するための熱交換器である。このような２種類の熱交換器を用いて流体の温度を制御する従来の装置として、特開２０００−２８４８３２号に記載のものがある。

特開２０００−２８４８３２号に記載の従来の温度制御装置は、次のような特徴をもった制御を行なっている。

第一の特徴点は、作動流体又は冷却水の流量調節のための流量制御弁（例えば比例弁）の制御に関するものである。一般に、比例弁の開閉操作はモータによって行われ、モータドライバに加える操作量（パルス数）により、流量制御弁の開閉量が制御される。しかし、加えたパルス数と流量の変化率との関係（流量制御弁の流量特性）は非線形である。すなわち、同じパルス数を加えたときの流量変化率は一定ではなく、流量制御弁の開度位置によって違ってくる。そこで、従来装置では、流量制御弁がもつ非線形な流量特性を補償するような特性をもった開度‐パルス数テーブルを導入することで、或る理想的な特性（リニアな特性に、流量が小さいほど制御分解能が高くなるようなガンマ特性を加えたもの）をもった開度‐流量特性を作りだしている。それにより、流量制御弁の開度計算において流量制御弁の非線形特性を考慮に入れる必要性をなくし、もって、制御処理を簡単化し制御精度を向上させている。

第二の特徴点は、過渡時（現在温度が目標温度から離れているとき）の制御に関するものである。例えば作動流体の目標温度が変更されるなどして、作動流体の目標温度と現在温度との偏差が大きくなったとき、従来装置の制御動作は急加熱モード又は急冷却モードに入る。急加熱モードでは、冷却水の流量制御弁又はチラーを流れる作動流体の流量制御弁を、最小開度に閉じる。急冷却モードでは、冷却水の流量制御弁又はチラーを流れる作動流体の流量制御弁を、最大開度に開く。このような流量制御弁の開度を最小又は最大に設定した急加熱又は急冷却動作によって、応答性が向上する。

第三の特徴点は、整定時（現在温度が目標温度の近傍にあるとき）の制御に関するものである。現在温度が目標温度の近傍範囲に入ると、従来装置の制御動作は整定モードに入る。整定モードでは、冷却水の流量制御弁又はチラーを流れる作動流体の流量制御弁の開度を、目標温度に応じた所定の値に制御することにより、ハロゲンランプヒータの出力値を所定の適正出力範囲内に保持しておく。この状態で、作動流体の温度に外乱（真空チャンバで行なわれるプロセスの発生熱による温度変動）が加わると、ハロゲンランプヒータの出力パワーを加減することでその外乱に対応する。ハロゲンランプヒータの出力パワーは高速且つ高精度に調節し得るので、外乱に即座に且つ的確に対応でき、作動流体の温度を目標温度に維持することが容易である。

特開２０００−２８４８３２号公報

上述した従来装置には次のような課題が存在する。

第一に、流量制御弁の流量特性に固体差が存在することである。つまり、同機種の流量制御弁であっても、１つ１つの製品がもつ流量特性は少しずつ異なる。そのため、上述した開度‐パルス数テーブルは、固体差による流量特性の分布をカバーする広いマージンをもたざるを得ない。その結果、開度‐パルス数テーブルは、個々の流量制御弁の製品について必ずしも最適ではない。

第二に、オーバーシュート（アンダーシュートも含む）を抑制する能力がまだ十分ではなく、作動流体の現在温度が目標温度に達してから真空チャンバでプロセスを開始することができる状態になるまでの時間がまだ十分には短くない点である。その一つの原因は、作動流体と冷却水との熱交換のための熱交換器の冷却特性が非線形であることである。すなわち、冷却水の流量が同じであっても、作動流体と冷却水との温度によって冷却能力が異なってくる。作動流体と冷却水との温度差が大きいほど、冷却能力はより大きくなる。そのため、作動流体の温度に応じて、同じ冷却能力を得るための冷却水量を違えなくてはならない。また、冷却水の温度によっても、同じ冷却水量における冷却能力が違ってくる。さらに、別の原因として、装置が持つモータなどの様々な発熱源も、作動流体の温度に影響を与えるが。しかし、従来装置の急加熱又は急冷却モードの制御方法は、こうした熱交換器の非線形特性や他の発熱源の影響などの問題に十分に対応できるものではなく、オーバーシュートを十分に抑制することが難しい。

第三に、外乱に対する対応能力が十分に大きくはない点である。すなわち、従来装置では、ハロゲンランプヒータの出力制御によって外乱に対応している。そのため、ハロゲンランプヒータのもつ出力能力の余裕を非常に大きくしないと、外乱に完全に対応することが難しい。

従って、本発明の目的は、オーバーシュートが良好に抑制できる流体温度制御装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、整定時間の短い流体温度制御装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、外乱に十分に対応できる流体温度制御装置を提供することにある。

本発明の第１の観点に従う流体温度制御装置は、作動流体と冷却液が流れる、作動流体を冷却液で冷却するための熱交換器と、熱交換器を流れる作動流体又は冷却液の流量を制御する流量制御弁と、熱交換器を出た作動流体を加熱する電気的なヒータと、ヒータを出た作動流体の温度を目標温度に制御するために、ヒータの出力パワーを操作するヒータ制御部と、熱交換器の冷却能力を制御するために、流量制御弁を操作する弁制御部とを備える。そして、上記弁制御部が、
(1) 作動流体の現在温度が目標温度に到達する前の過渡時に、現在温度の変化速度に応じて流量制御弁を操作する過渡時弁制御手段と、
(2) 現在温度が目標温度に到達した後の整定時に、ヒータの出力パワーを所定の適正出力範囲内に収めるように、流量制御弁を操作する整定時弁制御手段と
を有する。

この流体温度制御装置によれば、過渡時に現在温度の変化速度に応じて弁制御を行うことで、オーバーシュートをより効果的に抑制して整定時間を短くすることができる。

好適な実施形態では、前記整定時弁制御手段が、ヒータ制御部から参照出力パワーをフィードバックする手段と、参照出力パワーが適正出力範囲外にあるとき、参照出力パワーと適正出力範囲との偏差の大きさに応じて流量制御弁を操作する手段とを有する。これにより、負荷外乱への対応能力が向上する。

好適な実施形態では、前記整定時弁制御手段が、現在温度が目標温度に到達した直後のオーバーシュートの間、比較的に大きい値の制御ゲインを用いて流量制御弁の操作量を計算する手段と、オーバーシュートが終わった後に、比較的に小さい値の制御ゲインを用いて流量制御弁の操作量を計算する手段とを有する。これにより、オーバーシュートをより効果的に抑制できるとともに、オーバーシュートが終わった後は制御を安定させ得る。

好適な実施形態では、前記整定時弁制御手段が、ヒータの出力パワーが適正出力範囲を超えた幅で振動するハンチングの発生を検出する手段と、ハンチングが検出されたとき、流量制御弁の操作量を計算するために用いる制御ゲインを小さくする手段とを有する。これにより、ハンチングを効果的に抑制できる。

好適な実施形態では、前記ヒータ制御手段が、過渡時と整定時のオーバーシュートの時、比較的に大きい制御ゲインを用いた速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法でヒータの出力パワーの操作量を計算する手段と、整定時のオーバーシュートの終わった後、比較的に小さい制御ゲインを用いたＰＩＤ制御の方法でヒータの出力パワーの操作量を計算する手段とを有する。

図４は、本発明の一実施形態にかかる流体温度制御装置の機械的なシステム構成を示す。

この流体温度制御装置１００において、太い実線ラインで示された経路１０１は作動流体の循環する経路である。そこでは、タンク１０２からポンプ１０３により送り出された作動流体が、まず分れてメイン路１０４とバイパス路１０５とに入り、メイン路１０４では冷却用の熱交換器１０６を通り、次に合流してからハロゲンランプを用いたランプヒータ（加熱用の熱交換器）１０８を通り、そして、図示しない真空チャンバなどの負荷へ供給され、その後、再びタンク１０２に戻るようになっている。バイパス路１０５には、そこを流れる作動流体の流量を測る流量センサ１０７がある。ランプヒータ１０８の出口（この流体温度制御装置１００の出口）には、その出口での作動流体の現在温度（負荷に供給される作動流体の現在温度）を測る温度センサ１０９がある。作動流体は、この経路１００を常に一定の流量で流れ、熱交換器１０６を通るときに冷却され、ランプヒータ１０８を通るときに加熱されることで、その温度が制御される。

細い実線ラインで示された経路１１１は、作動流体を冷やすための冷却水の流れる経路である。そこでは、ポンプ１０３により送り出された冷却水が、まず分れてメイン路１１３とバイパス路１１５に入り、メイン路１１３では熱交換器１０６を通り、そして合流し、定流量弁１１７により制御された一定流量で流れている。メイン路１１３とバイパス路１１５には、それぞれ、冷却水の流量を制御する比例弁１１２、１１４が設けられている。

図５は、この流体温度制御装置１００の制御動作を行なうハードウェアの構成を示す。

図示のように、ＣＰＵボード（コントローラ）１２１は、温度センサ１０９から、負荷へ供給される作動流体の温度の検出値を取り込み、流量センサ１０７から、熱交換器１０６をバイパスした作動流体の流量の検出値を取り込み、また、ランプヒータ１０８から、ランプに流れる電流の検出値を取り込む。そして、コントローラ１２１は、出口での作動流体の温度を所定の目標温度に一致させるために、上記の検出値に基づいて、後述する演算処理を行ない、その結果に従って、冷却水の流量を制御するための比例弁１１２、１１４を開き量を制御したり、ランプヒータ１０８の出力パワーを制御したりする。コントローラ１２１はまた、ポンプ１０３の起動や停止も行なう。コントローラ１２１には、操作パネル１２２及びホストコンピュータ１２３と接続されており、操作パネル１２２又はホストコンピュータ１２３から送られてくる指令に従って、上述した制御動作の開始や終了、目標温度の設定などを行なう。

図６は、コントローラ１２１の基本的な機能構成を示す。

コントローラ１２の機能は、弁コントローラ１３１とランプコントローラ１３２に大別される。弁コントローラ１３１は、冷却水量を制御する比例弁１１２、１１４の開き量を制御するものである。ランプコントローラ１３２は、ランプヒータ１０８の出力パワーを制御するものである。弁コントローラ１３１とランプコントローラ１３２の２種類の制御が相俟って、作動流体の出口での現在温度（ＰＶ）を目標温度（ＳＶ）に制御するわけであるが、弁コントローラ１３１の制御とランプコントローラ１３２の制御の役割は次のように異なる。

すなわち、作動流体の現在温度（ＰＶ）を目標温度（ＳＶ）に制御する役割を直接的に担うのは、ランプコントローラ１３２の制御下にあるランプヒータ１０８である。そのため、ランプコントローラ１３２は、現在温度（ＰＶ）と目標温度（ＳＶ）を入力し、両者の偏差に対してＰＩＤ演算を行なって、偏差をゼロにするようにランプヒータ１０８の出力パワーを制御する。ランプヒータ１０８の出力パワーは、高速に且つ高精度に制御し得るので、これによって作動流体の温度を制御することで、応答性が高く且つ精度の高い温度制御が可能となる。

一方、熱交換器１０６での冷却水による冷却量の制御は、応答性が低く、制御精度も低い。そこで、弁コントローラ１３１が行う冷却量制御の役割は、ランプヒータ１０８の出力パワーを上述の役割を果たすための所定の適正出力範囲内に入れるように制御することにある。そのため、弁コントローラ１３１は、作動流体の目標温度（ＳＶ）と現在温度（ＰＶ）とランプコントローラ１３２の出力パワー（特に、例えば、温度検出誤差などの外乱の影響を受け難い積分成分）とを入力し、これらの入力量を用いて後述する方法で演算処理を行ない、その結果に基づいて比例弁１１２、１１４を操作する。

以上述べた基本的な構成において、特に、弁コントローラ１３１が行なう比例弁１１２、１１４の具体的な制御方法において本発明に原理が適用されている。そこで、以下では、弁コントローラ１３１が行なう比例弁１１２、１１４の制御方法について詳細に説明する。

比例弁１１２、１１４の制御で新規に採用された主要な事項を挙げると次の通りである。

(1) 熱交換器１０６がもつ非線形な冷却特性を補償するテーブルと、比例弁１１２、１１４がもつ非線形な流量特性を補償するテーブルとの２種類のテーブルを使用する。

(2) 比例弁１１２、１１４の流量特性を補償するテーブルは、各パルス数位置に対する絶対流量という絶対値ではなく、各パルス数位置に対して、その位置からパルス数を単位量（例えば、１パルス）だけ変えたときに生じる流量の変化率（例えば、冷却水の全流量に対する流量変化量の比）という相対値で定義している。

(3) 比例弁１１２、１１４の流量特性を補償するテーブルは、個々の比例弁の個性（固体差）を表したパラメータをこのテーブルに適用することによって、個々の比例弁に適合したものになるようになっている。

(4) 過渡時（現在温度と目標温度の偏差が大きいとき）には、現在温度の変化速度に応じて比例弁制御を行なう。

(5) 整定時（現在温度と目標温度の偏差が小さいとき）には、ランプヒータ１０８の出力パワー（特に、温度検出誤差などの外乱の影響を受け難い積分成分）を参照し、これを所定の適正出力範囲内に収めるように比例弁を制御する。そのとき、出力パワーが適正出力範囲外へ出た場合には、両者間の偏差の大きさに応じて比例弁を操作する。

(6) 整定時（現在温度と目標温度の偏差が小さいとき）には、オーバーシュートを素早く抑えて整定時間（現在温度が目標温度に達した時点から、負荷外乱を加えても、つまり、真空チャンバでプロセスを開始しても、現在温度を目標温度に良好に維持することができる安定状態（以下、レディ状態という）になるまでの時間）を短くするために、レディ状態になるまでの初期段階では制御ゲインを通常より高くして比例弁の応答性を高める。

(7) 比例弁の特性に起因するハンチングを抑制する機能がある。

(8) 具体的に使用されている比例弁の流量特性を自動的に検出して、その比例弁に適したパラメータを決定し、そのパラメータを比例弁特性補償テーブルに適用するオートチューニング機能がある。

また、ランプコントローラ１３２が行なうランプヒータ１０８の出力制御にも、次の新しい事項が採用されている。

(9) 過渡時と整定時の上述したレディ状態になるまでの初期段階では、速度型Ｉ−ＰＤ制御を採用し且つゲインを高めに設定することで、オーバーシュートを小さく抑える。また、レディ状態になった後は、ゲインを低めに設定することで、安定性を確保する。

以下、これらの新規な事項について順に説明する。

図７は、弁コントローラ１３１が行なう比例弁制御の全体的な流れを示す。

図示のように、過渡／整定判定（ステップ１４１）を行ない、その結果、過渡時と判断すれば過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を実行し、整定時と判断すれば整定時の比例弁制御（ステップ１４３）を実行する。過渡時の比例弁制御（ステップ１４２）では、作動流体の現在温度の変化速度と、その変化速度についての所定の目標値（目標変換速度）との偏差に対して制御演算を行なう。一方、整定時の比例弁制御（ステップ１４３）では、ランプコントローラ１３２の行なうランプ制御（ステップ１４９）からフィードバックされるランプヒータ１０８の出力パワー（参照ランプ出力）と、所定の適正ランプ出力幅との偏差に対して制御演算を行なう。

過渡時も整定時も、比例弁制御の演算結果１４４は、熱交換器１０６の冷却能力についての操作量（現在の冷却能力と操作後のそれとの間の差分）を示している。この冷却能力操作量１４４に対して、次に、熱交換器１０６のもつ非線形な冷却特性を補償するためのテーブル（熱交換器補償テーブル）を適用する（ステップ１４５）。その結果出てくる数値１４６は、冷却水流量についての操作量（現在の冷却水流量と操作後のそれとの間の差分）を示している。この冷却水流量操作量１４６に対して、次に、比例弁１１２、１１４のもつ非線形な流量特性を補償するためのテーブル（比例弁補償テーブル）を適用する（ステップ１４７）。なお、ここで、２つの比例弁１１２、１１４に対して、その各々の特性に適合させた２種類の比例弁補償テーブルをそれぞれ適用してもよいが、実用上は、処理を簡単にするために、より高精度な制御が要求されるメイン路の比例弁１１２の特性に適合させた１種類のテーブルを両比例弁１１２、１１４に適用することができる。以上の制御処理で最終的に得られた数値１４８は、比例弁１１２、１１４の各々の操作量（各弁を駆動するモータドライバに加えるパルス数であり、現在のパルス数位置と操作後のそれとの差分）を示している。

図８は、図７のステップ１４１に示した過渡／整定判断の一つの方法例の流れを示す。

図示のように、作動流体の温度調節を開始すると（ステップ１５１）、まず、作動流体の現在温度（ＰＶ）と所定の目標温度（ＳＶ）とを比較し（ステップ１５２）、両者が一致してれば、整定時であると判断して、前述したように整定時の比例弁制御動作（ステップ１４３）に入る。一方、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）とは異なっていれば、過渡時であると判断して、前述したように過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）に入る。

過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を行なっている間、周期的に、現在温度（ＰＶ）と所定の目標温度（ＳＶ）とを比較し（ステップ１５３）、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達してない間は、まだ過渡時であると判断して、過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を続け、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達すると、整定時になったと判断して、整定時の比例弁制御動作（ステップ１４３）に入る。

図９は、過渡／整定判断の別の方法例の流れを示す。

図示のように、作動流体の温度調節を開始すると（ステップ１６１）、まず、作動流体の現在温度（ＰＶ）と所定の目標温度（ＳＶ）とを比較し（ステップ１６２）、両者が一致してれば、整定時であると判断して、前述したように整定時の比例弁制御動作（ステップ１４３）に入る。一方、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）とは異なっていれば、過渡時であると判断して、前述したように過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）に入る。

過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を行なっている間、周期的に、作動流体を昇温中なのか降温中なのか及び目標温度（ＳＶ）が４０℃以上か未満かを判断する（ステップ１６３）。ここで、４０℃とは、作動流体の温度がそれよりも高いか低いかで、冷却水流量の変化が作動流体の温度変化に及ぼす影響が特に大きいか否かの違いが出てくる、大体の目安として定めた閾値である。この判断の結果、降温中で且つ目標温度（ＳＶ）が４０℃以上の場合には、次に、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達するのに要する時間を、現在温度（ＰＶ）の現在の変化速度から推定し、その推定された到達所要時間が６０秒以上か未満かを判断する（ステップ１６４）。ここで、６０秒とは、比例弁の操作を停止してからその効果が作動流体の温度に実際に現われるまでの遅れ時間の大体の予想値として定めた値である。その判断の結果、到達所要時間が６０秒以上あるときには、まだ過渡時であると判断して、過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を続ける。その後、到達所要時間が６０秒を切ると、ステップ１６６へ進み、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達するまで、比例弁操作を停止し続け（ステップ１６６）、その後、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達すると、整定時になったと判断して、整定時の比例弁制御動作（ステップ１４３）に入る。このように、降温中で且つ目標温度（ＳＶ）が４０℃以上である場合には、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達するより６０秒前の時点で、早々に過渡時の制御を切り上げ、整定時になるまで比例弁操作を停止することの理由は、特に大きい冷却能力をもって降温する時に発生し易いオーバーシュート（つまり、アンダーシュート）量を効果的に低減するためである。

他方、ステップ１６３の判断の結果、昇温中であるか又は目標温度（ＳＶ）が４０℃未満である場合には、ステップ１６５へ進み、図７に示した方法例と同様に、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達してない間は、まだ過渡時であると判断して、過渡時の比例弁制御動作（ステップ１４２）を続け、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達すると、整定時になったと判断して、整定時の比例弁制御動作（ステップ１４３）に入る。

図１０は、図７〜図９にステップ１４２で示した過渡時の比例弁制御の流れを示す。

過渡時の比例弁制御は、作動流体の温度（ＰＶ）を目標温度に向けて一定の速度で上昇又は下降させるものである。図示のように、作動流体の現在温度（ＰＶ）の変化速度を求め、これと所定の目標変化速度との偏差を計算し（ステップＳ１７１）、その変化速度の偏差を所定の周期（例えば２５０ｍ秒）でサンプリングし（ステップ１７２）、サンプリングした偏差に対して、所定の制御ゲイン（Ｋｐ）を用いてＰＩ演算（又はＰＩＤ演算）を行なう（ステップ１７３）。この演算の結果は、熱交換器１０６の冷却能力の操作量（現在と操作後間の差分）を示している。そして、現在昇温中であるか降温中であるかを判断し（ステップ１７４）、昇温中のときには、ＰＩ演算で得られた操作量に対して、冷却能力を増やす（メイン路の比例弁１１２を開く）方向の操作量はカットし、冷却能力を減らす（比例弁１１２を閉じる）方向の操作量のみを通すフィルタを施す（ステップ１７５）。また、降温中のときには、ＰＩ演算で得られた操作量に対して、冷却能力を減らす（比例弁１１２を閉じる）方向の操作量はカットし、冷却能力を増やす（比例弁１１２を開く）方向の操作量のみを通過させるフィルタを施す（ステップ１７６）。次に、フィルタを通過した操作量に対して、冷却能力を増やす場合でも減らす場合でも、所定の限界値より絶対値の大きい操作量はカットし、その限界値以下の絶対値をもった操作量のみを通すリミッタを施す（ステップ１７７）。このリミッタを通った操作量が、最終的に出力される冷却能力の操作量である。

ここで、目標変化速度は、ランプヒータ１０８による温度制御の応答速度とほぼ同等の値に設定される。熱交換器１０８等のもつ熱容量による遅れにより、現在温度が目標温度に到達した後にも、その直前まで行なわれていた過渡時の制御による温度変化は、徐々に緩やかになりつつ継続する。目標変化速度が、ランプヒータ１０８による温度制御の応答速度とほぼ同等であると、目標温度到達後に同じ速度で温度変化が続いたとしても、その温度変化を、ランプヒータ１０８の出力制御によって抑え込むことができる。制御ゲイン（Ｋｐ）には、小さめの値が設定される。それにより、穏やかに比例弁が操作されることになり、比例弁操作の行き過ぎ（開き過ぎ／閉じ過ぎ、つまり、冷やし過ぎ／冷やしなさ過ぎ）が抑制される。

ステップ１７５、１７６のフィルタは、比例弁操作に多少の行き過ぎが生じたとしても、比例弁操作を戻さないことを意味する。一定速度の昇温又は降温を維持するためには、原理的に一方向への比例弁操作を行ない続ける必要がある。すなわち、一定速度の昇温を維持する場合には、同じ冷却水流量では作動流体温度の上昇に伴い冷却能力が増大するので、冷却水流量を減らす（比例弁１１２を閉じる）操作を続ける必要がある。また、一定速度の降温を維持する場合には、同じ冷却水流量では温度の下降に伴い冷却能力が減少するので、冷却水流量を増やす（比例弁１１２を開く）操作を続ける必要がある。そのため、昇温時には比例弁１１２を閉じる操作に多少の行き過ぎがあっても、また、降温時には比例弁１１２を開く操作に多少の行き過ぎがあっても、その行き過ぎた操作は若干の時間後には適正量の操作に一致することになる。よって、比例弁操作が多少行き過ぎても、それを戻さないほうが、かえって、円滑な制御ができる。

ステップ１７７のリミッタの目的は、ランプヒータ１０８の出力能力では対応し得ない極端に大きい冷却能力操作を防止するためにある。そのため、リミッタの限界値は、ランプヒータ１０８の１００％出力パワー（例えば、３ｋＷ）に相当する冷却量能力操作量（冷却量差分／秒）に設定されている。

図１１は、図７〜図９にステップ１４３で示した整定時の比例弁制御の流れを示す。

整定時の比例弁制御は、ランプヒータ１０８の出力が所定の適正な範囲に収まるように、比例弁を操作して冷却水量を制御するものである。図示のように、ランプコントローラ１３２（図６参照）からフィードバックされた参照ランプ出力を、所定の下限値ＵＬと上限値ＵＨをもった適正出力範囲と比較し、参照ランプ出力が下限値ＵＬを下回っているときには参照ランプ出力と下限値ＵＬとの偏差を、参照ランプ出力が上限値ＵＨを上回っているときには参照ランプ出力と上限値ＵＨとの偏差を、参照ランプ出力がこの適正出力範囲内に収まっているときには値ゼロの偏差をそれぞれ出力する（ステップ１８１）。この偏差を所定の周期（例えば２５０ｍ秒）でサンプリングする。そして、現在レディ状態になっているか否かを判定する（ステップ１８３）。ここで、レディ状態とは、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達した後、所定の熱量（例えば、目標温度が４０℃以上の場合には１．５ｋｗ、４０℃未満の場合には１ｋｗ）の負荷外乱が発生しても、現在温度（ＰＶ）を目標温度（ＳＶ）に所定の精度（例えば、±１℃）で維持することができる状態を意味する。レディ状態の具体的な判定方法については後に説明する。

レディ判定の結果、まだレディ状態になっていなければ、サンプリングした偏差に対して、比較的に大きい値の制御ゲイン（Ｋp1／ＴI）を用いたＰＩ演算（又はＰＩＤ演算）を施し（ステップ１８４）、また、レディ状態になっていれば、サンプリングした偏差に対して、比較的に小さい値の制御ゲイン（Ｋp2／ＴI）（例えば、Ｋp1／ＴIの半分の値）を用いたＰＩ演算を施す（ステップ１８５）。このＰＩ演算の結果は、熱交換器１０６の冷却能力の操作量（現在と操作後間の差分）を示している。次に、この冷却能力操作量に対して、図１０の過渡時の制御で既に説明したステップ１７７と同様のリミッタを施す（ステップ１８６）。このリミッタを通った操作量が、最終的に出力される冷却能力の操作量である。

上述した参照ランプ出力には、ランプコントローラ１３２でのＰＩＤ演算で得られるＰ、Ｉ、Ｄの各成分のうちのＩ（積分）成分を原則として用いる。この積分成分は、温度検出誤差などの外乱に影響され難く（外部の負荷外乱には反応する）、冷却水による現在の冷却量を最も近く表しているからである。但し、後述するように、ランプ制御のＰＩＤ制御の方法が、レディ状態になる前と後では違っており、レディ状態になった後は位置型ＰＩＤ制御を行なうので、積分成分を独立して取り出すことができるが、レディ状態になる前はオーバーシュートを抑制し易い速度型Ｉ−ＰＤ制御を行なうため、積分成分を独立して取り出すことはできない。そのため、参照ランプ出力として積分成分を用いるのはレディ状態になってからであり、レディ状態になる前は、Ｐ、Ｉ、Ｄの全成分を含んだ値を使用する。

ステップ１８１の適正出力範囲（下限値ＵＬと上限値ＵＨ）は、例えば、下限値ＵＬがランプヒータ１０８の３０％出力パワー（例えば、０．９ｋＷ）、上限値ＵＨが６０％出力パワー（例えば、１．８ｋＷ）に相当する値に設定されている。ランプ出力が下限値ＵＬ以上であれば、予想される最大量（例えば１．５ｋＷ）の負荷外乱（作動流体温度を上昇させるもの）が発生した時でも、比例弁が応答するまでの間、ランプ出力の制御だけで、所定精度（例えば±１℃）で目標温度を維持できる状態にある。そして、下限値ＵＬと上限値ＵＨの差（適正出力範囲の幅）は、比例弁操作が行なわれてから作動流体温度が実際に変化するまでの遅れ時間中に、比例弁操作が更に進んでランプ出力の変動が行き過ぎ、次にそれを修正するために比例弁操作が戻されて、それも上記遅れ時間のために戻し過ぎてランプ出力が逆方向い行き過ぎてしまうというような、ハンチングが発生することを防止する目的で設定されたものある。つまり、この適正出力範囲の幅は、その幅内でのランプ出力の変動には比例弁制御を反応させないようにすることでハンチングを防止するという目的から、適切な幅（例えば、３０％ランプ出力相当）に設定されている（この幅が狭いほど、ハンチングが発生する可能性が高くなる）。なお、図１１には示してないが、整定時の比例弁制御（特に、レディ状態になる前の制御）では、万一ハンチングが発生した場合に制御ゲインを小さくすることでハンチングを抑制する処理が付加されており、このハンチング抑制処理については後に説明する。

ステップ１８４、１８５における制御ゲイン（Ｋp1／ＴI、Ｋp2／ＴI）は、ランプ制御が追従できる範囲内で設定される。すなわち、この制御ゲインが高すぎると、ランプ制御が追従できず、比例弁操作時の作動流体温度の変動が大きすぎることになるので、そうなる虞のない高すぎない範囲内で設定される。レディ状態になる前の比例ゲイン（Ｋp1）は比較的に高く設定され、それにより、比例弁の応答が速くなり、オーバーシュートを抑制し易い。一方、レディ状態になった後の比例ゲイン（Ｋp2）は比較的に低く設定され、それにより、比例弁の応答が遅くなり、制御が安定化する。積分時間ＴIは、熱交換器１０６における温度変化の時定数に大体相当する値に設定される。

図１２は、図７のステップ１４５で用いる熱交換器補償テーブルの機能を示している。

図示のように、熱交換器補償テーブル１９０は、熱交換器１０６がもつ非線形な冷却特性（Ｐcx）のほぼ逆の特性（Ｐcx-1）を持っており、冷却能力の操作量を、冷却水流量の操作量に変換する機能をもつ。熱交換器補償テーブル１９０の特性（Ｐcx-1）は、作動流体の現在温度（ＰＶ）の関数となっている。すなわち、作動流体温度（ＰＶ）によって、同じ冷却能力操作量に対する冷却水流量操作量は違ってくる。熱交換器補償テーブル１９０上で、冷却能力操作量は、例えば、ランプヒータ１０８の定格出力パワーに対する比[％］で定義されている。また、冷却水流量操作量は、冷却水の全流量（一定値であり、例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ）に対する熱交換器１０６に流れる冷却水流量の比（例えば、１％＝１００ｃｃ／ｍｉｎ）で定義されている。熱交換器補償テーブル１９０の特性（Ｐcx-1）は、熱交換器１０６の特性（Ｐcx）の実測結果又は計算結果に基づいて決定されている。

図１３は、熱交換器補償テーブル１９０の特性（Ｐcx-1）の具体例を示す。

図１３において、横軸は、作動流体温度（ＰＶ）を示している。縦軸は、１００％ランプ出力（例えば、３ｋＷ）相当の冷却能力を発生するために必要な冷却水流量操作量（全流量（例えば１０Ｌ／ｍｉｎ）に対する操作量の比）を示している。図中の実線グラフ１９１は、このテーブル１９０の設定値（このテーブル１９０の特性（Ｐcx-1））を示している。また、円形ドットのプロットと正方形ドットのプロットは、それぞれ、冷却水温度が予想される最低値１５℃と最高値３０℃である時における、熱交換器１０６のもつ実際の特性（Ｐcx）の逆特性を示している。

図示のように、このテーブル１９０の設定値は、冷却水温度が最低値１５℃であるときの熱交換器１０６の特性（Ｐcx）にほぼ対応したものとなっている。テーブル特性（Ｐcx-1）を冷却水温度が最低値１５℃である場合に適合させた理由は、冷却水温度が最低値１５℃であるとき、熱交換器１０６は最も大きい冷却能力を発揮し、よって、比例弁制御には最高の精細さが要求されるからである。冷却水温度が高くなる程、比例弁制御をより粗く行なうことが許されるようになる。

このテーブル１９０を用いることで、冷却能力操作量から冷却水流量操作量を次のようにして求めることができる。例えば、作動流体の現在温度（ＰＶ）が５０℃であるとき、冷却能力操作量が１０％と計算されたとする。このテーブル１９０によれば、現在温度（ＰＶ）が５０℃のとき、１００％の冷却能力を発生するための冷却水流量操作量は１５％である。よって、１０％の冷却能力操作量に対応する冷却水流量操作量は１．５％である。ここで、１００％の冷却水流量操作量が１０Ｌ／ｍｉｎであるから、１．５％の冷却水流量操作量とは０．１５Ｌ／ｍｉｎである。

図１４は、図７のステップ１４７で用いる比例弁補償テーブルの機能を示している。

図示のように、比例弁補償テーブル２００は、比例弁がもつ非線形な流量特性（Ｐcv）のほぼ逆の特性（Ｐcv-1）を持っており、冷却水流量の操作量を、比例弁の操作量（パルス数）に変換する機能をもつ。比例弁補償テーブル２００の特性（Ｐcv-1）は、比例弁の現在位置（現在のパルス数位置）（ＰＬ）の関数となっている。すなわち、比例弁位置（ＰＬ）によって、同じ冷却水流量操作量に対する比例弁操作量は違ってくる。比例弁補償テーブル２００上で、冷却水流量操作量は、例えば、冷却水の全流量（一定値であり、例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ）に対する熱交換器１０６に流れる冷却水流量の比（例えば、１％＝１００ｃｃ／ｍｉｎ）で定義されている。比例弁操作量は、現在位置から更に弁を開く又は閉じるために加えるべきパルス数（現在位置からの相対値）である。比例弁補償テーブル２００の特性（Ｐcｖ-1）は、同機種の多数の比例弁の特性（Ｐcｖ）の実測結果に基づいて決定されている。

図１５は、或る機種の多数の比例弁の特性を実測した結果を示している。

図１５において、横軸は、各比例弁のパルス数位置（全閉状態を原点とした絶対値）を示しており、縦軸は、各比例弁の圧力損失（Ｃv値）を示している。図中の実線の特性曲線２０１は、実測した多数の比例弁の特性曲線のうち図中で最も左側に寄ったものを示し、点線の特性曲線２０２は、実測した多数の比例弁の特性曲線のうち図中で最も右側に寄ったものを示している。他の比例弁の特性曲線は、図示の２本の特性曲線２０１、２０２の間に存在していた。

実測結果から分ったことは、全ての比例弁の特性曲線は、図示の特性曲線２０１、２０２とほぼ同じ形状をもち、固体間で相違するのは、主として、横軸方向の位置（パルス数位置）だけである、ということである。よって、比例弁の流量特性の固体差とは、実質的に、図中の横軸方向の位置シフトのみであると言うことができる。図示の特性曲線２０１、２０２の形状が示すように、全閉状態からパルスを加えていくと、しばらくはＣv値はゼロのままであるが、或るパルス数位置２０３、２０４でＣｖ値が急に立ち上がる。このパルス数位置２０３、２０４を、この明細書では比例弁特性の「第１急変部」と呼ぶ。さらにパルスを加えていくと、第１急変部からしばらくはＣv値はほぼ一定であるが、或るパルス数位置２０５、２０６でＣv値は増加し始める。この位置２０５、２０６を、この明細書では比例弁特性の「第２急変部」と呼ぶ。この第２急変部からは、パルス数の増加に伴ってＣv値も増大していく。

図１６は、図１５に示した実測特性に基づいて作成された比例弁補償テーブル２００の特性（Ｐcv-1）の具体例を示す。

図１６において、横軸は、図１５に示した各比例弁の第１急変部２０３、２０４を原点とした場合の各比例弁のパルス数位置を示している。縦軸は、バイパス路のＣv値が一定（例えば、＝１．５）であるという条件下で、メイン路の比例弁１１２を各パルス数位置から１パルスだけ移動させた時に生じるメイン路の冷却水流量の変化量を示している。この縦軸の変化量は、冷却水全流量（例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ）に対する比［％］（例えば、１％＝０．１Ｌ／ｍｉｎ）で表現してある。図中の細実線の特性曲線２０７は、図１５に示した実測された特性曲線２０１、２０２の一つに対応するものである。第１急変部２０３、２０４のパルス数位置を横軸の原点としてあるため、比例弁特性の固体差が除去され、よって、全ての比例弁の特性は、図示の特性曲線２０７とほぼ同じものとなる。この特性曲線２０７において、部分２０８が第１急変部、部分１０９が第２急変部である。図中の太実線の特性曲線２１０は、比例弁補償テーブル２００の設定値、つまり比例弁補償テーブル２００の特性（Ｐcv-1）である。この比例弁補償テーブル２００の設定値２１０は、機械処理の都合から簡略な形状になってはいるが、実質的に、固体差を除去した全比例弁の実際の特性２０７とほぼ同じである。

上記説明から明らかなように、比例弁補償テーブル２００の設定値２１０は、同機種の全ての比例弁の特性から個性（固体差）を除去した共通部分を表すであるため、同機種の全ての比例弁に共通に適用することができる。ここで、各比例弁の個性（固体差）は、図１５に示した各比例弁の第１急変部２０３、２０４の絶対的なパルス位置に代表的に反映される。そこで、比例弁補償テーブル２００では、各比例弁の個性（例えば、第１急変部２０３、２０４の絶対的なパルス位置）を表した数値を、パラメータとして取り込めるようになっている。加えて、比例弁の具体的特性に影響を及ぼす他の装置特性（圧力損失など）も、同様にパラメータとして取り込めるようになっている。取り込んだパラメータに対応するパルス数だけテーブル２００のパルス数位置（図１６に示したパルス数）がシフトされ、それによって、比例弁補償テーブル２００の特性を各比例弁の個性にマッチすることになる。上記のパラメータは、後述するオートチューニングを行なうことで、自動的に決定される。

上述した熱交換器補償テーブル１９０と比例弁補償テーブル２００を、図７に示したように、比例弁制御処理の後段で組み合わせて用いることにより、熱交換器の非線形な冷却特性と比例弁の非線形な流量特性を良好に補償することができる。よって、比例弁制御処理においては、熱交換器と比例弁の非線形特性を考慮する必要が無くなる。また、使用する比例弁や熱交換器の要素を具体的な機種を変更した場合、該当するテーブルだけを変更することで対応できる。また、熱交換器補償テーブル１９０と比例弁補償テーブル２００は、比例弁や熱交換器がそれぞれ持つ実際の特性から容易に作ることができるので、精度の高いものが得られる。

比例弁補償テーブル２００では、パルス数位置が全閉位置を原点とした絶対的なパルス数ではなく、個々の比例弁ごとの第１急変部を原点とした相対的なパルス数で定義されており、個々の比例弁の個性や、その比例弁が用いられる装置環境の特性（例えば、配管の圧力損失など）はパラメータとして取りこんでそれに適合化することができる。そのため、従来のように固体差を考慮した広いマージンが無くなり、従来よりも制御の応答性が向上する。また、比例弁補償テーブル２００では、流量についても、各パルス数位置における絶対的な流量ではなく、各パルス数位置で１パルス移動したら流量が全体の何％変化するかという相対値で定義してあるので、経時変化などによる比例弁特性の変化に対しても頑強である。

ところで、図４に示したように、メイン路１１３の比例弁１１２とバイパス路１１５の比例弁１１４が存在し、その２つの比例弁１１２、１１４の各々に対して、それぞれに適合した別の比例弁補償テーブルを適用することができる。しかし、実用上は、メイン路１１３の比例弁１１２に適合させた１つの比例弁補償テーブルを、メイン路１１３の比例弁１１２だけでなく、バイパス路１１５の比例弁１１４にも適用することで、処理を簡単化しても差し支えない。その一つの理由は、図４に示す定流量弁１１７の作用により、２つの比例弁１１２、１１４を合わせた圧力損失に関わらず、冷却水の全体流量は常に一定であり、そして、２つの比例弁１１２、１１４の操作は、片方ずつ行なうことができ、一方を操作しているときは、他方を全開状態にしているからである。また、別の理由は、目標温度（ＳＶ）の可変範囲の殆どの領域について、冷却能力の制御の為に操作されるのは専らメイン路１１３の比例弁１１２のみであり、そして、目標温度（ＳＶ）が低い一部の領域でのみ、バイパス路１１５の比例弁１１４が操作されるが、その領域での比例弁操作は粗い分解能で足り、高精細な操作は要求されないからである。

図１７は、図１１の整定時の比例弁制御においてステップ１８３で示したレディ判定の処理流れを示す。

図示のように、作動流体の温度調整動作が開始されると（ステップ２１１）、まず、作動流体の現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達したか否かを判断する（ステップ２１２）。目標温度（ＳＶ）に到達する前は、前述した過渡時の比例弁制御が行なわれるので、レディ判定を行なう余地はない。現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）を通過すると、前述した整定時の比例弁制御が開始される。整定時の比例弁制御が開始されると、その比例弁制御が確実に稼動に入る時間（例えば１秒）だけ待って（ステップ２１３）から、オーバーシュートが終わったか否かを判断し（ステップ２１４）、オーバーシュートが終わるまで待つ。オーバーシュートが終わると、レディ判定（ステップ１８３）に入る。

レディ判定に入ると、まず、その前の過渡時の制御が昇温であったか降温であったかを判断する（ステップ２１５）。過渡時に降温を行なったならば、オーバーシュートが終わった時点で、ランプ出力は、今までオーバーシュート（つまり、アンダーシュート）を抑えていたために、大きい値になっている（図１１に示した適正ランプ出力範囲の下限値ＵＬより確実に大きい値である）。よって、直ちに負荷外乱が発生しても、ランプ出力を下げて負荷外乱を十分に吸収し得るので、直ちにレディ状態になったと判断する（ステップ２１９）。

他方、ステップ２１５の判断の結果、過渡時に昇温を行なっていた場合には、オーバーシュートが終わった時点では、ランプ出力は今までオーバーシュートを抑えていために低い値になっている（図１１に示した適正ランプ出力範囲の下限値ＵＬより小さい可能性がある）。この場合には、冷却水で作動流体を或る程度冷やし、その分でランプ出力を下限値ＵＬ以上に引き上げないと、レディ状態にならない。そこで、まず、ステップ２１６で、メイン路の比例弁１１２のパルス数位置が第２急変部（図１５参照）以上であるか否かを判断する。比例弁１１２のパルス数位置が第２急変部未満（図１５で第２急変部の左側）である場合には、比例弁１１２は直ちに開くことができない（負荷外乱が発生しても比例弁１１２は直ぐに反応できない）。そこで、その場合には、ランプ出力Ｕが下限値ＵＬより高いか低いかを判断し（ステップ２１７）、ランプ出力Ｕが下限値ＵＬより確実に高くなるまで待って、レディ状態になったと判断する（ステップ２１９）。

一方、ステップ２１６の判断の結果、比例弁１１２のパルス数位置が第２急変部以上（図１５で第２急変部の右側）である場合には、比例弁１１２は直ちに開くことができ、負荷外乱が発生しても比例弁１１２は直ぐに反応できる。そこで、その場合には、ランプ出力Ｕが下限値ＵＬより若干量（例えば１０％）だけ低い値を超えたかどうかを判断し（ステップ２１９）、その若干量だけ低い値を上回れば（つまり、下限値ＵＬに近づいた段階で早めに）、レディ状態になったと判断する（ステップ２１９）。

このようにして、ランプ出力や温度変化や比例弁開度などの装置の諸状態からレディ状態であるか否かを判断することにより、装置の状態が実際にレディ状態になるや否や、レディ状態になったと判断でき、無駄に時間待ちすることなしに、素早く真空チャンバのプロセスを開始することができる。

図１８は、整定時の比例弁制御（特に、レディ状態になる前の制御）で行なわれるハンチング抑制処理の流れを示す。

ここでいうハンチングとは、比例弁操作によって、ランプ出力が上述した適正ランプ出力範囲（下限値ＵＬと上限値ＵＨ）を超えて変動している状態をいう。ハンチング発生すると、それを抑制するために比例弁が短時間に開閉動作を繰り返すので、そのような比例弁の動作を検出することで、ハンチングを検知することができる。

図１８に示すように、作動流体の温度調節動作が開始されると（ステップ２１１）、過渡／整定判断を行ない（ステップ２１２）、整定時と判断すると、前述した整定時の比例弁制御（図１８では図示省略）を開始するとともに、ハンチング抑制処理を開始する（ステップ２１３）。ハンチング抑制処理では、まず、前述したレディ判定の結果を参照する（ステップ２１４）。その結果、既にレディ状態になっていれば、ハンチングの発生のおそれは最早ないので、このハンチング抑制処理を終了する。

ステップ２１４の判断の結果、レディ状態に未だなっていない場合、次に、ハンチングが発生しているか否かを判断する（ステップ２１５）。ここでは、例えば、最近６０秒以内に比例弁の開操作と閉操作のセットを３回以上繰り返したか否かをチェックし、そうであれば、ハンチングが発生していると判断する（ステップ２１６）。ハンチングが発生している場合、それを抑制するために、制御の比例ゲイン（Ｋp）を半分に下げる（つまり、レディ状態時の制御ゲイン（図１１のブロック１８５の値）と同じ値にまで下げる）（ステップ２１７）。

その後、ステップ２１４に戻り、依然としてステップ２１５で６０秒間に３回以上の開閉操作があれば、ハンチングが継続していると判断し（２１６）、比例ゲイン（Ｋｐ）を現在値の更に半分に下げる（ステップ２１７）。こうして、ハンチングが収束するまで、比例ゲイン（Ｋｐ）を小さくしていく。ハンチングが収束し（ステップ２１５で３回未満）、そしてステップ２１４でレディ状態になると、ハンチングの発生のおそれは最早ないので、比例ゲイン（Ｋｐ）をレディ状態時の規定値（図１１のブロック１８５の値）に設定し（ステップ２１８）、このハンチング抑制処理を終了する。

以上、弁コントローラ１３１（図６参照）が行なう比例弁１１２、１１４の制御について一通り説明した。次に、ランプコントローラ１３２（図６参照）が行なうランプヒータ１０８の制御について説明する。

図１９は、ランプコントローラ１３２が行なうランプヒータ１０８の制御の全体的流れを示す。

図示のように、作動流体の温度調整動作を開始すると（ステップ２３１）、まず、ＰＩＤ制御の制御ゲイン（Ｋp）に所定の大きいゲイン値を設定し（ステップ２３２）、そして、その大きい制御ゲイン（Ｋp）用いて速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法でランプ出力の制御を行なう（ステップ２３３）。温度調節開始時は、通常、過渡時であるから、過渡時のランプ制御は、大きい制御ゲイン（Ｋp）用いた速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法で行なわれることになる。状態が過渡時から整定時に移行すると、前述したように、レディ判定２３４が行なわれる。その結果、未だレディ状態になっていない間は、大きい制御ゲイン（Ｋp）用いた速度型Ｉ−ＰＤ制御が継続される。その後、レディ状態になると、制御ゲイン（Ｋp）を所定の小さい値（例えば、最初のゲイン値の半分）に切り換え（ステップ２３５）、そして、制御方法を位置型ＰＩＤ制御に切り換えて、その位置型ＰＩＤ制御の方法でランプ出力を制御する（ステップ２３６）。

このようにして、ランプ制御は、過渡時から整定時のレディ状態に到達する前までは、大きい制御ゲインを用いた速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法で行ない、整定時のレディ状態に到達した後は、小さい制御ゲインを用いた位置型ＰＩＤ制御の方法で行なう。これにより、レディ状態到達前は、オーバーシュート量を小さく抑えることができ、レディ状態到達後は、制御を安定させることができる。

図２０は、速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法によるランプ制御の流れを示し、図２１は、位置型ＰＩＤ制御の方法によるランプ制御の流れを示す。

速度型Ｉ−ＰＤ制御及び位置型ＰＩＤ制御の方法それ自体は、当業者に周知であるからここでは説明を省略する。ない、整定時の比例弁制御へ送られる参照ランプ出力は、前述したように、レディ状態到達前で図２０の速度型Ｉ−ＰＤ制御を行なっているときには、Ｉ成分だけを取り出すことができないため、Ｐ、Ｉ、Ｄの３成分を全て含んだ値であり、一方、レディ状態到達後で図２１の位置型ＰＩＤ制御を行なっているときには、冷却水による現在の冷却量に最も近い値をもつＩ成分だけとなる。

図２２と図２３は、時間経過に伴う、作動流体の現在温度（ＰＶ）の具体的な変化と、ランプ制御及び比例弁制御の状態の変遷とを示したものである。図２２は、昇温時の場合であり、図２３は、降温時の場合である。

これらの図中、太い実線曲線は現在温度（ＰＶ）の変化を、太い一点鎖線曲線は比例弁開度の変化を、太い二点鎖線曲線はランプ出力の変化を示している。

図２２に示すように、昇温時には、温度調節開始から現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達する時刻ｔ１までは、過渡時の比例弁制御が行なわれ、時刻ｔ１から整定時の比例弁制御が行なわれる。時刻ｔ１からオーバーシュートが発生し、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に再び戻った時刻ｔ２でオーバーシュートが終わる。その後、ランプ出力が上昇して適正ランプ出力幅の下限値ＵＬに達した時刻ｔ３で、レディ状態になったと判定され、ランプ制御は大ゲインのＩ−ＰＤ制御から小ゲインのＰＩＤ制御へ切り換わり、整定時の比例弁制御のゲインも大きい値から小さい値へ切り換わる。

図２３に示すように、降温時には、温度調節開始から現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達する時刻ｔ２までは、過渡状態が続くが、それより前の、あと６０秒で現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に到達する予測された時刻ｔ１で、過渡時の比例弁制御が終わり、以後、時刻ｔ２までは比例弁無操作の状態になる。時刻ｔ２から整定時の比例弁制御が行なわれる。時刻ｔ２からオーバーシュートが発生し、現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）に再び戻った時刻ｔ３でオーバーシュートが終わり、それと同時にレディ状態になったと判定され、ランプ制御は大ゲインのＩ−ＰＤ制御から小ゲインのＰＩＤ制御へ切り換わり、整定時の比例弁制御のゲインも大きい値から小さい値へ切り換わる。

以上で、通常の温度調節時の制御の説明は終わる。最後に、比例弁補償テーブルを具体的な比例弁の個性に適合させるためのオートチューニングの処理について説明する。

図２４は、オートチューニングの処理の全体的な流れを示す。

オートチューニングは、作動流体温度を所定の目標温度に制御するようランプ出力制御を行ないつつ、メイン路の比例弁１１２を一定パルス数ずつ操作していって、それによるランプ出力の変動をモニタすることで、比例弁１１２の第１急変部のパルス数位置を検出し、これをパラメータとして比例弁補償テーブル２００に設定することで、比例弁補償テーブル２００の特性を比例弁１１２の個性に適合化するものである。このオートチューニング処理は、必要に応じて随時に行なうことができる。

図２４に示すように、オートチューニング処理を開始すると（ステップ２７１）、まず、メイン路とバイパス路の両方の比例弁１１２、１１４を全開にし（ステップ２７２）、ポンプ１０３を運転して作動流体と冷却水を流し（ステップ２７３）、そして、その状態で１分待って（ステップ２７６）流れが安定したところで、作動流体の現在温度（ＰＶ）が所定の低温領域（例えば４０℃以下）に入っている否かをチェックする（ステップ２７５）。現在温度が（ＰＶ）が４０℃以下であれば、作動流体の流量を計測し（ステップ２７６）、その流量値に基づいてランプ制御のＰＩＤ定数を設定する（ステップ２７７）。ここで、現在温度が（ＰＶ）が４０℃以下になってから作動流体の流量を計測するのは、流量センサの特性上、作動流体温度が高いほど流量が実際よりもより少なめに計測されるので、低温で正確な流量を計測するためである。

その後、計測の対象となるメイン路の比例弁１１２を全閉にし（ステップ２７８）、ランプ制御の方式を位置型ＰＩＤ制御とし（ステップ２７９）、目標温度（ＳＶ）を所定の高温（例えば８０℃）に設定して（ステップ２８０）、昇温動作を行う（ステップ２８１）。そして、作動流体の現在温度（ＰＶ）が目標温度（ＳＶ）（例えば８０℃）に達したことを確認すると（ステップ２８２）、比例弁流量特性チューニング処理を行う（ステップ２８３）。この比例弁流量特性チューニング処理とは、メイン路の比例弁１１２を所定のパルス数（例えば１０パルス）数刻みで操作しながらランプ出力の変動をもモニタすることで、比例弁１１２の第１急変部のパルス数位置を割り出し、それをパラメータとして比例弁補償テーブルに設定する処理である。ここで、この比例弁流量特性チューニング処理を８０℃のような高温の目標温度（ＳＶ）の下で行う理由は、このような高温であれば、装置内部（ポンプなど）の発熱量よりも装置の放熱量が大きくなるため、比例弁が全閉状態（つまり、冷却無し）でもランプ制御だけで作動流体温度を目標温度一定に制御可能であるからである。

比例弁流量特性チューニング処理が終わると、このオートチューニング処理を終了し（ステップ２８４）、目標温度（ＳＶ）をオートチューニング処理開始前の元の値に戻し（ステップ２８５）、その後、通常運転に入る（ステップＳ２８６）。

図２５は、図２４にステップ２８３で示した比例弁流量特性チューニング処理の流れを示す。

図示のように、まず、メイン路の全閉状態にある比例弁１１２に１２０パルスを加えて、比例弁１１２を１２０パルスという絶対的なパルス数位置（ＶＰ）まで開く（Ｓ２９１）。そして、比例弁１１２を操作することなく１分間継続して（ステップ２９３）、ランプ出力の変動量を積算し記録する（つまり、その１分間における位置型ＰＩＤ制御の積分成分の変動量を計算し記録する）（ステップ２９２）。こうして１分経過したら、次に、比例弁１１２に更に１０パルスを加えて、比例弁１１２の絶対的なパルス数位置（ＶＰ）を１０パルスだけ進める（ステップ２９６）。そして、同様に、比例弁１１２を操作することなく１分間継続して（ステップ２９３）、ランプ出力の変動量を積算して記録する（ステップ２９２）。

このように、１２０パルスの絶対位置（ＶＰ）から開始して、１０パルス刻みで比例弁１１２を開き、その位置での１分間のランプ出力変動量を積算し記録するという動作を繰り返す。この動作を比例弁１１２の絶対的位置（ＶＰ）が２７０パルスになるまで行ったなら（ステップ２９４）、今までの１０パルス刻みの各絶対位置で記録したランプ出力変動量の積算値を比較し、その値が最大であった絶対位置（ＶＰ）を第１急変部と決定し、その第１急変部の絶対位置を、比例弁補償テーブル２００のパラメータとして設定する（ステップ２９７）。これで比例弁流量特性チューニング処理が完了する。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、上記の実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明を上記実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。

例えば、上記実施形態では、冷却水の水量を比例弁で制御する場合を例に取り比例弁制御を説明したが、作動流体の流量を比例弁で制御する場合にも本発明の比例弁制御の方法を適用することができる。

半導体製造装置で用いられる一般的な真空チャンバの概略構成を示す断面図。 図１の真空チャンバの低温部分の温度制御に用いられる従来の流体温度制御装置（低温機）の構成を示すブロック図。 図１の真空チャンバの高温部分の温度制御に用いられる従来の別の流体温度制御装置（高温機）の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態にかかる流体温度制御装置の機械的なシステム構成を示すブロック図。 この流体温度制御装置１００の制御動作を行なうハードウェアの構成を示すブロック図。 コントローラ１２１の基本的な機能構成を示すブロック図。 弁コントローラ１３１が行なう比例弁制御の全体的な流れを示す図。 図７のステップ１４１に示した過渡／整定判断の一つの方法例の流れを示す図。 図７のステップ１４１に示した過渡／整定判断の別の方法例の流れを示す図。 図７〜図９にステップ１４２で示した過渡時の比例弁制御の流れを示す図。 図７〜図９にステップ１４３で示した整定時の比例弁制御の流れを示す図。 図７のステップ１４５で用いる熱交換器補償テーブルの機能を示す図。 熱交換器補償テーブル１９０の特性（Ｐcx-1）の具体例を示す図。 図７のステップ１４７で用いる比例弁補償テーブルの機能を示す図。 或る機種の多数の比例弁の特性を実測した結果を示した図。 図１５に示した実測特性に基づいて作成された比例弁補償テーブル２００の特性（Ｐcv-1）の具体例を示す図。 図１１の整定時の比例弁制御においてステップ１８３で示したレディ判定の処理流れを示す図。 整定時の比例弁制御（特に、レディ状態になる前の制御）で行なわれるハンチング抑制処理の流れを示す図。 ランプコントローラ１３２が行なうランプヒータ１０８の制御の全体的流れを示す図。 速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法によるランプ制御の流れを示す図。 位置型ＰＩＤ制御の方法によるランプ制御の流れを示す図。 昇温時における、作動流体の現在温度（ＰＶ）の変化とランプ制御及び比例弁制御の状態の変遷とを示す図。 降温時における、作動流体の現在温度（ＰＶ）の変化とランプ制御及び比例弁制御の状態の変遷とを示す図。 オートチューニングの処理の全体的な流れを示す図。 図２４にステップ２８３で示した比例弁流量特性チューニング処理の流れを示す図。

符号の説明

１００ 流体温度制御装置
１０１ 作動流体の循環経路
１０６ 冷却用の熱交換器
１０８ ランプヒータ（加熱用の熱交換器）
１０７ 流量センサ
１０９ 温度センサ
１１１ 冷却水の経路
１１２、１１３ 比例弁
１１７ 定流量弁
１２１ コントローラ
１３１ 弁コントローラ
１３２ ランプコントローラ
１４２ 過渡時の比例弁制御
１４３ 整定時の比例弁制御
１９０ 熱交換器補償テーブル
２００ 比例弁補償テーブル

Claims (5)

1. 作動流体と冷却液が流れる、前記作動流体を前記冷却液で冷却するための熱交換器と、
   前記熱交換器を流れる作動流体又は冷却液の流量を制御する流量制御弁と、
   前記熱交換器を出た前記作動流体を加熱する電気的なヒータと、
   前記ヒータを出た作動流体の温度を目標温度に制御するために、前記ヒータの出力パワーを操作するヒータ制御部と、
   前記熱交換器の冷却能力を制御するために、前記流量制御弁を操作する弁制御部と
   を備え、
   前記弁制御部が、
   前記作動流体の現在温度が前記目標温度に到達する前の過渡時に、前記現在温度の変化速度と所定の目標変化速度との偏差を計算し、昇温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を閉じる方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、降温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を開く方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、前記操作量に応じて前記流量制御弁を操作する過渡時弁制御手段と、
   前記現在温度が前記目標温度に到達した後の整定時に、前記ヒータの出力パワーを所定の適正出力範囲内に収めるように、前記流量制御弁を操作する整定時弁制御手段と
   を備えており、
   前記整定時弁制御手段が、
   前記ヒータ制御部から参照出力パワーをフィードバックする手段と、
   前記現在温度が前記目標温度に到達した後の整定時に、前記参照出力パワーと、所定の下限値及び上限値をもった前記適正出力範囲と、を比較し、前記参照出力パワーが前記下限値を下回っているときは前記参照出力パワーと前記下限値との偏差を計算し、前記参照出力パワーが前記上限値を上回っているときは前記参照出力パワーと前記上限値との偏差を計算し、前記参照出力パワーが前記適正出力範囲内に収まっているときは偏差をゼロとし、前記偏差の大きさに応じて前記流量制御弁を操作する手段と
   を有する流体温度制御装置。
2. 作動流体と冷却液が流れる、前記作動流体を前記冷却液で冷却するための熱交換器と、
   前記熱交換器を流れる作動流体又は冷却液の流量を制御する流量制御弁と、
   前記熱交換器を出た前記作動流体を加熱する電気的なヒータと、
   前記ヒータを出た作動流体の温度を目標温度に制御するために、前記ヒータの出力パワーを操作するヒータ制御部と、
   前記熱交換器の冷却能力を制御するために、前記流量制御弁を操作する弁制御部と
   を備え、
   前記弁制御部が、
   前記作動流体の現在温度が前記目標温度に到達する前の過渡時に、前記現在温度の変化速度と所定の目標変化速度との偏差を計算し、昇温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を閉じる方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、降温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を開く方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、前記操作量に応じて前記流量制御弁を操作する過渡時弁制御手段と、
   前記現在温度が前記目標温度に到達した後の整定時に、前記ヒータの出力パワーを所定の適正出力範囲内に収めるように、前記流量制御弁を操作する整定時弁制御手段と
   を有する流体温度制御装置。
3. 前記整定時弁制御手段が、
   前記現在温度が前記目標温度に到達した直後のオーバーシュートの間、前記偏差と比較的に大きい値の制御ゲインを用いて前記流量制御弁の操作量を計算する手段と、
   前記オーバーシュートが終わった後に、前記偏差と比較的に小さい値の制御ゲインを用いて前記流量制御弁の操作量を計算する手段と、
   を有する、請求項１記載の流体温度制御装置。
4. 前記ヒータ制御部が、
   前記過渡時と前記整定時のオーバーシュートの時、比較的に大きい制御ゲインを用いた速度型Ｉ−ＰＤ制御の方法で前記ヒータの出力パワーの操作量を計算する手段と、
   前記整定時のオーバーシュートの終わった後、比較的に小さい制御ゲインを用いたＰＩＤ制御の方法で前記ヒータの出力パワーの操作量を計算する手段と
   を有する、請求項１又は２記載の流体温度制御装置。
5. 熱交換器を流れる作動流体又は冷却液の流量を流量制御弁で制御するとともに、前記熱交換器を出た前記作動流体を電気的なヒータで加熱することで、前記作動流体の温度を制御する方法において、
   前記ヒータを出た作動流体の温度を目標温度に制御するために、前記ヒータの出力パワーを操作するヒータ制御ステップと、
   前記熱交換器の冷却能力を制御するために、前記流量制御弁を操作する弁制御ステップと
   を有し、
   前記弁制御ステップが、
   前記作動流体の現在温度が前記目標温度に到達する前の過渡時に、前記現在温度の変化速度と所定の目標変化速度との偏差を計算し、現在昇温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を閉じる方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、現在降温中のときは前記偏差において前記流量制御弁を開く方向の成分のみを前記流量制御弁の操作量とし、前記操作量に応じて前記流量制御弁を操作する過渡時弁制御ステップと、
   前記現在温度が前記目標温度に到達した後の整定時に、前記ヒータ制御ステップによりフィードバックされた前記参照出力パワーと、所定の下限値及び上限値をもった前記適正出力範囲と、を比較し、前記参照出力パワーが前記下限値を下回っているときは前記参照出力パワーと前記下限値との偏差を計算し、前記参照出力パワーが前記上限値を上回っているときは前記参照出力パワーと前記上限値との偏差を計算し、前記参照出力パワーが前記適正出力範囲内に収まっているときは偏差をゼロとし、前記偏差の大きさに応じて前記流量制御弁を操作する整定時弁制御ステップと
   を有する
   流体温度制御方法。

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