JP5395193B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置等で使用する圧力式流量制御装置の改良に関する。詳しくは、圧力検出器周辺の流体温度を検出する温度センサの取付位置と取付構造に改良を加えることにより、在来の温度検出器を用いた温度補正でもって高精度なガス流量制御ができるようにした高温流体用の圧力式流量制御装置に関するものである。

流体圧力及び流体温度に基づいて高温流体の流量制御を行う装置とは、従前から圧電素子を駆動源とする圧力式流量制御装置が広く知られている。図１６はその一例を示すものであり、当該圧力式流量制御装置は、弁部Ｖの下流側に適宜の口径の小孔を有する絞り機構Ｓ（以下、オリフィスＳと呼ぶ）を設けてオリフィス上・下流側の流体圧力Ｐ_１・Ｐ_２と流体温度Ｔを検出し、圧力比（Ｐ_２／Ｐ_１）が臨界圧力比を越える非臨界領域（下流側の流速が音速より遅い速さの亜音速領域）における圧縮性流体のオリフィスＳを通過する流体流量Ｑｃを、Ｑｃ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）ⁿ（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）により演算すると共に、圧力比（Ｐ_２／Ｐ_１）が臨界圧力比以下である臨界条件（ｒ≦ｒ_ｃ）ではＱｃ＝ＫＰ_１により演算し、更に前記流体温度Ｔを用いて流量の温度補正や流量の零点補正を行うことを基本とするものである。尚、図１６に於いて、Ｃは演算制御部、Ｄは弁駆動部、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量調整信号である。

図１７は圧力式流量制御装置の一例を示す縦断面図であり、図１７に於いて、ＶＤはバルブボディ、Ｖは弁部、Ｓは絞り機構を構成するオリフィス、Ｐは圧力検出器（図１７では、圧力Ｐ_１の圧力検出器Ｐのみが示されており、オリフィスＳ下流側の圧力Ｐ_２を検出する圧力検出器は図示省略されている。）、ＰＥは圧電素子、Ｋはケース体であり、流入した流体（以下、ガスと呼ぶこともある。）は弁部ＶからオリフィスＳを通過して下流側へ流出する。弁部Ｖの開度は弁駆動部を構成する圧電素子ＰＥの伸縮度合により調整され、これによってオリフィスＳの上流側圧力Ｐ_１が制御されてオリフィスＳを流通する流体流量が調整される。

また、図１６のガス圧力Ｐ_１、Ｐ_２の検出器やガス温度Ｔの検出器、オリフィスＳ等は、図１８に示す如き適宜の形状のバルブボディＶＤに一体的に組み込みされており、前記ガス温度Ｔは、図１８に示す如く、バルブボディＶＤの側面からサーミスタ温度検出器ＴＣを挿入し、その先端を流体通路の近傍に位置させることにより検出されおり、現実にはバルブボディＶＤの内方の温度を検出し、これをガス温度Ｔと仮定するようにしている。

特開平８−３３８５４６号公報 特開２００３−１９５９４８号公報 特開２００３−１２０８３２号公報 特開２００５−１０１０８号公報 特許４０８２９０１号公報

図１７のような流量制御装置に於いて、被測定ガスの温度が上昇すると、ガス体積が増加する。いま、ガスが比熱比１．５の理想気体であってその温度が０℃から２５０℃に断熱変化したと仮定すると、下記式８により、２５０℃におけるガスの体積Ｖ_２５０は０℃の時の体積Ｖ_０の１．３８４倍となる。

一方、バルブボディＶＤのオリフィスＳの上流側の流体通路の方は、その内容積が殆ど変化しない。そのため、流体通路内の２５０℃のガス密度は、０℃におけるガス密度の１／１．３８４倍となる。

従って、例えば流量Ｑｃ＝ＫＰ_１の演算式において、ガス温度が２５０℃の時に規定流量のガス流量を得るためには、２５０℃のときの制御圧力Ｐ_１を０℃の時の制御圧力Ｐ_１の１．３８４倍に調整する必要があり、現実には、この圧力調整（即ち、温度補正）を前記温度検出器ＴＣの検出温度に基づいて行っている。

しかし、図１８に示したように、サーミスタ温度検出器ＴＣは流体通路内のガス温度Ｔを直接に検出するものでないため、バルブボディＶＤ内の温度勾配によって現実のガス温度Ｔと温度検出器ＴＣの検出温度との間に差異を生ずることになり、流量制御精度の低下を招くことになる。尚、バルブボディＶＤ内の温度勾配が流量制御精度の低下の原因である事は、恒温槽内に圧力式流量制御装置を設置してガス温度とバルブボディＶＤとの温度差を零にした場合に流量制御精度が大幅に向上することから、実証されていることである。

また、温度検出器ＴＣとして、熱電対や白金測温抵抗体を用いた温度検出器に比較して安価なサーミスタ温度検出器を用いた場合に、ガス温度が高温になるにつれて、サーミスタ温度検出器の個体差に起因する温度測定誤差により、流量制御誤差が許容範囲を超える場合があることが判明した。

下記表１は、いわゆる高温（〜２５０℃）対応のサーミスタ温度検出器の検出温度精度を測定した結果を示している。この測定では、図１９に示す実験装置を用い、１．８℃〜１００℃に設定された恒温槽３１内にボルブボディＶＤを設置し、熱電対温度検出器ＴＮ，ＴＭを恒温室３１内とバルブボディＶＤに設置し、サーミスタ温度検出器ＴＣをバルブボディＶＤの挿入孔１４に挿入設置して、それぞれの温度を検出している。熱電対温度検出器ＴＮ，ＴＭは、恒温槽内の温度が恒温槽３１の設定温度になっていることを確認するために利用した。表１において、「実測値」はサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度を意味し、△Ｔは実測値と恒温槽３１の設定温度との差を示している。

表１を参照すれば、恒温槽の設定温度が上昇するにつれてサーミスタ温度検出器の個体差による測定誤差が増加し、恒温槽の設定温度が１００℃の時、サーミスタ温度検出器の検出温度は最大で＋５．０２℃の誤差を生じていることが判明した。

本発明は、温度検出器による検出温度と現実のガス温度Ｔとの差異に起因する流量制御精度の低下を、可能な限り少なくし、５０℃〜５００℃のガスであっても、その流量制御誤差を、１〜１００％の流量範囲に亘って±１．０％Ｆ.Ｓ.（但しＦ.Ｓ.はフルスケールの略）以下にすることを可能とした高温ガス用圧力式流量制御装置を提供することを、発明の主目的とするものである。

本願発明者等は、先ず図１８に示したバルブボディＶＤの側面からバルブボディ内へサーミスタ温度検出器ＴＣを挿着する構造の圧力式流量制御装置について、図１に示すようにバルブボディＶＤの底面及び四側面に加熱用ヒータとしてのジャケットヒータＨを適応し、ジャケットヒータＨによってバルブボディＶＤを加熱すると共に、ヒータＨの内側表面温度（測定点Ｍ_２０）、サーミスタ温度検出器ＴＣの挿入孔内面温度（流体通路から約１０ｍｍ離れた位置Ｍ_１０）、流体通路温度（測定点Ｍ_０）を、熱電対温度検出器（図示せず。）を用いて測定し、バルブボディＶＤの温度分布を測定した。尚、バルブボディＶＤはステンレス鋼により横幅１２４ｍｍ、奥行４０ｍｍ、高さ３９ｍｍに形成されており、また、ジャケットヒータＨにはシンワバネス株式会社製のヒータを使用した。ジャケットヒータＨは、面ファスナー等によって着脱自在となっている。尚、図１に於いてPは圧力検出器である。

図２は、前記測定点Ｍ_２０、Ｍ_２０と流体通路中心Ｍ_０間の距離と、測定温度との関係を示すものであり、バルブボディＶＤの流体通路中心を通る奥行方向（長さ４０ｍｍ）の温度分布が示されている。

図２から明らかなように熱電対温度検出器で測定したヒータＨの内表面Ｍ_２０、Ｍ_２０の温度は約２８４℃、サーミスタ温度検出器ＴＣの挿入孔の孔底面温度は２６８℃、流体通路中心Ｍ_０の温度は約２５３℃であり、流体通路中心Ｍ_０の温度とサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度との間には約１４．１℃の温度差が生じていることが判明した。

図３は、図２のバルブボディＶＤの温度分布や流量制御精度の測定に用いた試験装置の概略説明図である。Ｎ_２ガス源（０．６ＭＰａ・Ｇ）からフィルタＦ、圧力調整器ＲＧ（０．２MＰa・Gに調整）、流量測定器ＭＦＣ、プレヒーティング配管路ＨＴ、ジャケットヒータＨ（〜２５０℃）、バックアップヒーティング配管路ＨＢ、真空ポンプＶＰの順でＮ_２ガスを流通させ、前記圧力式流量制御装置FCSのバルブボディＶＤの各点（例えば、後述する図９の点M₁〜M₅）の温度を測定すると共に、後述する流量制御精度の評価を行うために温度をパラメータとする各種の流量測定を行った。

図４は、図３の測定装置による流量測定の結果から求めたバルブボディＶＤの温度をパラメータとする流量制御精度を示すものであり、従来の圧力式流量制御装置を用いて高温ガスの流量制御を行った場合には、バルブボディの側面に挿入されたサーミスタ温度検出器によって測定されたガス温度即ち圧力式流量制御措置ＦＣＳのバルブボディＶＤの温度が高温になるに従って、流量制御精度の低下が大きくなることが判明した。

また、図５は、図３の測定装置を用いた流量測定結果から得られたガスの設定温度と、サーミスタ温度検出器ＴＣの温度とガス温度（流体通路中心Ｍ_０の熱電対温度検出器による検出温度）との差と、流量誤差（％Ｆ.Ｓ.）との関係を示すものであり、前記ガス温度とバルブボディＶＤの検出温度（サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度）との差を少なくすれば、流量制御精度が向上することを示すものである。

図４及び図５に於いて、２５０℃加熱時において２％Ｆ.Ｓ.の流量誤差が全て温度により生じているものと仮定すると、誤差２％Ｆ.Ｓ.がサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度とガス温度Tの温度差の何度に相当するかが問題となる。

一方、ガス温度補正に関して、図３による試験装置で用いた供試圧力式流量制御装置FCSでは、１digit当りの圧力式流量制御装置の流量誤差（流量のずれ量）は０．０７７％Ｆ.Ｓ.／digitになることが判っている。従って流量誤差が２％Ｆ.Ｓ.になるには、約２６digits（２％Ｆ.Ｓ.÷０．０７７％Ｆ.Ｓ.／digit）の流量ずれが必要になる。

また、サーミスタ温度検出器ＴＣの温度モニターの場合のＡＤ分解能による誤差での温度のずれ量は、０．６１℃／digitsであることが判明している。そのため、前記２％Ｆ.Ｓ.の流量誤差は0.61℃／digits×26digits=15.86℃となり、その結果、±１％Ｆ.Ｓ.の流量誤差は、ガス温度とサーミスタ温度との差±7.93℃（15.86℃×１／２）に相当することが判明した。

一方、半導体製造装置用の高温ガス用圧力式流量制御装置は、通常複数基の圧力式流量制御装置を並列状に配置した状態で使用に供されている。従って、従前の図１８のようにバルブボディＶＤの側面から温度検出器（サーミスタ）を取り付けする構造は、温度検出器の保守用空間を確保する上で問題があり、結果として圧力式流量制御装置の大型化を招来することになる。そのため、温度検出器は、バルブボディＶＤの流体通路の軸心の上方に位置して、且つバルブボディＶＤの上方よりバルブボディへ着脱自在に取り付け出来る構造とするのが望ましい。また、その軸心方向の取付け位置は、コントロールバルブＶの流体通路に設けた弁座及びダイヤフラム弁体とから成るバルブ部（バルブ機構）の下流側とオリフィスＳとの間とするのが望ましい。

本発明は、上述の如き多くの高温流体（高温ガス）を用いた圧力式流量セ魚装置の流量特性試験の結果を基にして開発されたものであり、請求項１の発明は、流体通路が形成されたバルブボディと、前記流体通路に介在された弁部と、前記弁部を駆動して前記流体通路を開閉する弁駆動部と、前記流体通路の前記弁部の下流側に設けられた絞り機構と、前記弁部と前記絞り機構との間のガス温度を検出する温度検出器と、前記弁部と前記絞り機構との間のガス圧力を検出する圧力検出器と、前記温度検出器及び圧力検出器の各検出値に基づいて絞り機構を流通するガス流量を演算すると共に前記弁駆動部を制御する演算制御装置と、を有し、前記温度検出器は、前記弁部と絞り機構との間の出口側流体通路の真上の位置に前記バルブボディの上面側よりその内方へ向けて穿設された孔であって、その底面と出口側流体通路の上壁面との距離を０．１〜１．２ｍｍとした取付孔内に挿着されていることを発明の基本構成とするものである。

また、本発明は、前記温度検出器がサーミスタ温度検出器である場合に、前記演算制御装置は、前記サーミスタ温度検出器の温度検出値の誤差を補正する検出値補正手段と、該検出値補正手段により補正された補正値に基づいて、前記圧力検出器により検出された圧力値を補正する圧力補正手段と、を含むことを特徴とする。

本発明は、一実施形態において、前記検出値補正手段は、前記サーミスタ温度検出器の検出温度に関する温度特性に基づいて、前記サーミスタ温度検出器により検出されたガス温度の誤差を補正する。

また、本発明は、一実施形態において、前記温度特性は、２以上の異なる温度により得られる近似式によって関係づけられる。

また、本発明は、一実施形態において、前記近似式が下記式１である。

Ｙ＝ａＸ＋ｂ ・・・（式１）
（但し、Ｙはサーミスタ温度検出器による検出温度に対応する温度、Ｘは熱電対又は白金測温抵抗体によるガス測定温度に対応する温度、ａ及びｂはサーミスタ温度検出器の個体毎に定まる定数。）
前記式１において、２０〜２６℃の範囲でＹ＝Ｘと仮定することを利用することが好ましい。

また、前記バルブボディは、バルブ本体と，該バルブ本体の一方の側面に固定した流体入口側継手を有する流体入口側接続部と，バルブ本体の他方の側面に固定した流体出口側継手を有する流体出口側接続部とから形成されると共に、バルブ本体の流体入口側接続部に対向する位置にフイルタ保持部を、また、バルブ本体の流体出口側接続部に対向する位置に絞り機構保持部を設けた構成とするのが望ましい。

前記バルブボディの外側面に設けられ、前記流体通路を流通するガス温度を設定温度に保つための加熱用ヒータを更に備えることが好ましい。

更に、前記加熱用ヒータは，バルブボディを５０℃〜５００℃に加熱する、平板状のヒータ若しくはジャケット型のヒータとするのが望ましい。

前記流体温度を検出する温度検出器は、サーミスタ、白金側温抵抗体や、熱電対等の温度検出器とするのが望ましい。

前記圧力式流量制御装置の流量制御精度は、ガスの温度が５０℃〜５００℃の範囲に於いて、流量誤差が１．０％Ｆ．Ｓ．以下となるようにするのが望ましい。

前記流体温度検出器の固定は、取付孔内へ挿着した流体温度検出器の上方にスペーサを載置し、当該スペーサの上面をコントロールバルブを形成する筒体保持具の下方に設けたフランジ部分によって押圧固定するのが望ましい。

また、圧力検出器及び温度検出器は、前記バルブボディとは別体で構成され、バルブボディに組み合わせる構成とするのが望ましい。

本発明に於いては、従来から使用されているサーミスタ温度検出器や抵抗温度検出器を用い、且つその取付位置をバルブボディの流体出口側の絞り機構近傍の位置とすると共に、バルブボディの上方から温度検出器を挿着する構成とするだけで、５０℃〜５００℃の高温ガスを１〜１００％の流量範囲に亘って、流量誤差±１．０％Ｆ．Ｓ．以下の精度でもって、流量制御することが可能となり、極めて高い実用的効用を奏するものである。

また、本発明に係る圧力式流量制御装置では、温度検出器としてサーミスタ温度検出器を用いた場合に、サーミスタ温度検出器に個体差による温度測定誤差を補正することにより、流量制御精度を高めることができる。

また、本発明に係る圧力式流量制御装置では、温度検出器をバルブボディの上面側からバルブボディ内へ挿着する構成としているため、圧力式流量制御装置を並列状に多数配列した場合でも流体検出器の保守点検が容易に行える。その結果、圧力式流量制御装置を組み込みしたガス供給装置等の大幅な小型化が可能となる。

更に、バルブ本体の流体出口側通路の真上位置に流体温度検出器を配設し、流体温度検出器の底面と流体出口側通路上壁面との間隔が０．１〜５．０ｍｍとなるように規制しているため、流体温度検出器による検出温度と実際の流体温度との差異が殆どなくなり、その結果極めて正確な流体流量の温度補正が行えることになり、高い流量制御精度を得ることができる。

加熱用ヒータを設けた従前の圧力式流量制御装置のバルブボディの概要図である。 圧力式流量制御装置のバルブボディをヒータにより２５０℃に加熱したときの流体通路中心からの温度分布の一例を示すものである。 圧力式流量制御装置のバルブボディの温度分布や流量制御精度測定に用いた測定装置の説明図である。 図１のバルブボディを各温度に加熱したときの流量制御精度特性を示す線図である。 図１のバルブボディをジャケットヒータにより各温度に加熱した時のガス温度（流体通路中心温度）とバルブボディ検出温度との差の実測定値及び当該温度差の発生時に於ける流量ずれ（流量誤差）の計算値を示す線図である。 本発明に係る高温ガス用圧力式流量制御装置に用いるバルブボディの平面図である。 図６のバルブボディを構成するバルブ本体部分の詳細を一部切り欠いて示す縦断面図である。 図７の変形例を示す縦断面図である。 図６のバルブボディを用いた場合のバルブボディ内部の各点の、熱電対（サーモカップル）による温度測定値を示す説明図である。 図６のバルブボディをジャケットヒータにより２５０℃に加熱をした時の各部の温度検出器の測定値（抜粋）を示すものである。 本発明に係る高温ガス用圧力式流量制御装置の要部を示す斜視図である。 サーミスタ温度検出器の検出温度の温度特性を近似したグラフである。 本発明に係る圧力式流量制御装置の他の実施形態を示す制御ブロック図である。 図１３に示す圧力式流量制御装置の機能ブロック図である。 図１４に示す圧力式流量制御装置のサーミスタ温度検出器による検出温度誤差を補正し、補正した温度により検出圧力を補正する手順を示すフローチャートである。 従前の圧力式流量制御装置の制御系統の概要図である。 従前の圧力式流量制御装置の縦断面概要図である。 従前の圧力式流量制御装置のバルブボディＶＤ部分を示す平面概要図である。 サーミスタ温度検出器の測定精度を測定するための実験装置を示す概略構成図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

図６は、本発明に係る圧力式流量制御装置に用いるバルブボディＶＤの平面図であり、バルブボディＶＤは、流体入口側継手１、流体出口側継手２、ガス入口側接続部３、ガス出口側接続部４、バルブ本体５とから形成されており、バルブ本体５の上流側にガス入口側接続部３が固定されており、これに流体入口側継手１設けられている。バルブ本体５の下流側も同様であり、ガス出口側接続部４がバルブ本体５へ気密に取り付けられ、このガス出口側接続部４の出口側に流体出口側継手２が設けられている。

流体通路は、バルブボディＶＤの中心軸線方向に水平に穿設されており、中央のバルブ本体５には、弁部Ｖ等を構成する各種の部材が気密に載置、固定されている。尚、図６に於いて、６、７は垂直方向の流体通路、８、９はガス漏洩検査孔、１０、１１は各種検出器等の取付孔、１３はボルト孔、１４は温度検出器取付孔である。

本件発明に於いては、バルブボディＶＤのバルブ本体５のガス出口側接続部４側に温度検出器取付孔１４が穿設されており、ここにガス温度検出用のサーミスタ温度検出器ＴＣが挿着固定されている。尚、本実施形態では温度検出器としてサーミスタが使用されているが、熱電対や白金測温抵抗体等であってもよいことは勿論である。

また、前記温度検出器取付孔１４の底面は流体通路に可能な限り近接している方が好都合であるが本実施形態に於いては、流体通路壁面の耐圧等を考慮して、流体通路との間に０．１〜５．０ｍｍ、望ましくは０．３〜１．５ｍｍ、さらに望ましくは０．５〜１．２ｍｍ厚さの肉厚部が残る深さに、取付孔１４が穿設されている。

図７は，バルブ本体５の部分の拡大断面図を示すものであり，図７に於いて，１４は温度検出器取付孔，１５，１６は流体通路，１７は弁部Ｖを構成するバルブシート、１８は弁部Ｖを構成する金属ダイヤフラム弁体，１９はスプリング（皿バネ），２０はダイヤフラム押え，ＰＥは弁駆動部を構成する圧電素子，２１は圧電素子ＰＥが収容された筒体，２２は耐熱Ｏリング，２３はフィルタ保持部，２４はオリフィス保持部，ＴＣはサーミスタ温度検出器，Ｐは圧力センサ，２６は筒体保持具，２７はダイヤフラム押え金具，２８は固定用ボルト，３０は押えアダプタである。なお、サーミスタ温度検出器ＴＣの取り付け位置を除き、バルブ本体５の内部構造及び弁駆動機構は、特開２００３−１２０８３２号等において公知であるため、その詳細な説明は省略する。

温度検出器取付孔１４は、バルブ本体５のガス出口側の水平な流体通路１６の横方向寸法の略中央の上方位置に穿設されている。流体通路１６の天井壁と取付孔１４の底面との間の肉厚寸法ｔは、前述の如く０．１〜５．０ｍｍ（ここでは、約０．５ｍｍ）に設定されている。サーミスタ温度検出器ＴＣは、温度検出器取付孔１４に挿入され、図示しないが、例えば、バルブボディＶＤの側方に形成されたネジ穴に固定用ネジを螺入することよって固定することができる。

図８は、図７に示した実施形態の変更態様であり、温度検出器取付孔１４の位置が図７の態様と相違する。図８に示されたサーミスタ温度検出器ＴＣは、短円柱状に形成されており、スペーサ２５は円柱状に形成されており、取付孔１４内へ挿着したサーミスタ温度検出器ＴＣの上方に載置されている。また、このスペーサ２５の中央にはリード線の引出孔（不図示）が設けられており、その上壁面は筒体保持具２６の下方に設けたフランジ部分によって、固定用ボルト２８の締込みにより押圧固定されている。

図９及び図１０は、図３に示した流量測定装置により実測した図６のバルブボディ各部の温度とその温度上昇の状態を示すものであり、Ｍ_１はバルブボディの入口側のサイドブロック、Ｍ_２はバルブボディのボディ本体の入口側、Ｍ_３はボディ本体のダイヤフラムの上面、Ｍ_４は本発明で云う改善後のガス温度を検出する温度検出器（サーミスタ温度検出器）の取付位置であり、Ｍ_５はバルブボディ出口側のサイドブロックに夫々設けられた温度検出位置であり、夫々流体通路（ガス通路）から１ｍｍ離れた位置のボディの内部温度を示すものである。

尚、バルブボディＶＤは、ボディ本体５とガス入口側接続部３と流体出口側継手部４とから構成されており、ガス入口側接続部（ガス入口側サイドブロック）３及び流体出口側継手部（ガス出口側サイドブロック）４はボディ本体５へ夫々気密にねじ止め固定されている。また、各継手部（サイドブロック）３、４には流体入口側継手１、流体出口側継手２が夫々一体的に設けられている。

図９及び図１０からも明らかなように、ヒータＨの加熱により２５０℃近傍に昇温させたバルブボディＶＤの流体通路上の各点（Ｍ_１〜Ｍ_５）の温度分布は、加熱時間の経過と共に一定の安定した温度状態となり、各点間の温度幅は±３．０℃以下となる。その結果、流体通路内を流通するガスの温度幅も±３．０℃以下の値となることが判る。

更に、Ｍ_１〜Ｍ_５のガス温度Ｔの平均は約２５３．１℃となり、図９に示したボディ本体５の側面より内方に向けて形成されたサーミスタ温度検出器の従来の取付孔の底位置（Ｍ_６）を熱電対温度検出器により測定した検出温度（約２６７．２℃）との温度差は１４．１℃となることが判明した。

尚、図１１は、本発明に係るバルブボディを用いた高温ガス圧力式流量制御装置の斜視図を示すものであり、バルブボディＶＤの底面及び四側面は、平板状ヒータＨにより囲まれており、その外方が断熱材ＴＳにより保護されている。なお、ガスによっては５００℃近くまで加熱が必要なものもあり、そのような場合には、それを制御するにはバルブボディをヒータＨにより５００℃前後まで加熱する必要があり、センサ関連についても５００℃前後まで測定できる必要がある。

本発明に於いては、図９及び図１０に示したように、流体通路内を流通する現実のガス温度とサーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度との差異が前述の如く±３．０℃以下となる。その結果、高温ガス用圧力式流量制御装置の流量制御精度も大幅に向上することになり、図６の流量測定装置を用いたテストに於いては、ガス温度５０℃〜２５０℃に於いて、１０〜１００％の流量範囲に亘って流量誤差が±１．０％Ｆ．Ｓ．以下になることが確認されている。

尚、当該流量制御精度試験に供した高温ガス用圧力式流量制御装置は図１１に示した株式会社フジキン製 品番FCSP7002-HT250-4J2-F100A号 [定格流量（F.S.流量）2.6〜2550ＳＣＣＭ、ヒータ加熱温度範囲〜250℃（Max300℃）、オリフィス内径18〜660μｍ、流体通路口径4.35ｍｍ、１次側ガス圧力Max300KＰaabs(200KＰaG)、２次側真空]のものである。

次に、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体差に起因する測定誤差を補正する実施形態について、以下に説明する。

既に説明したように、従来、圧力式流量制御装置においては、サーミスタ温度検出器ＴＣによって測定された温度に基づいて、圧力検出器Ｐによって検出された圧力値Ｐ_１を補正している。この圧力の補正は、例えば下記式２により、サーミスタ温度検出器ＴＣによって測定されている温度がＴ_０からＴ_１に変化したときに圧力検出器Ｐによって検出された圧力Ｐが圧力Ｐ’に補正される。なお、温度Ｔ_０は、通常は、初期設定温度であり、例えば室温を設定することができる。

サーミスタ温度検出器ＴＣによる検出温度は、表１で示したように、（ｉ）個体差によって測定誤差（△Ｔ）にバラツキがあり、（ｉｉ）室温付近では殆ど誤差が無いか誤差があったとしても流量制御精度に影響が無い程度であり、（ｉｉｉ）室温付近から測定温度の上昇に伴って測定誤差（△Ｔ）が徐々にプラス側に大きくなる傾向がある一方、（ｉｖ）室温付近より低い温度ではマイナス側に誤差を生じることが判明している。そこで、この傾向を利用すれば、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度の温度特性を直線で近似することが可能となる。

図１２は、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度の温度特性を直線近似したグラフを実線で示している。図１２において、Ｙ軸（縦軸）がサーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度に対応する温度であり、Ｘ軸（横軸）は設定温度に対応する温度である。ここで、「対応する温度」としたのは、下記で説明するように、その温度が、実測される場合と、実測定されない場合とを含むためである。図１２に破線で示された直線は、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度に対応する温度が設定温度に対応する温度に等しい理想的な状態を示しており、近似式を示す実線は、理解容易のため、傾きを誇張して示している。

前記設定温度は、実測による場合、熱電対又は白金測温抵抗体のような高精度の温度検出器を用いてガス温度が測定され、実際のガス温度との誤差が、サーミスタ温度検出器ＴＣに比較して測定誤差が十分に小さいことが担保される。前記設定温度は、例えば、ガス温度を検出する熱電対温度検出器によってＰＩＤ制御されているジャケットヒータＨの、該熱電対温度検出器の検出温度を利用することができる。

近似式は、Ｙ＝ａＸ+ｂで表され、定数ａ、ｂは、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体毎に定まる。この定数ａ、ｂは、（Ｘ、Ｙ）を２点測定し、連立方程式を解けば求まる。定数ａ、ｂが求まればサーミスタ温度検出器ＴＣの任意の検出温度（Ｙ）を近似式Ｙ＝ａＸ+ｂに代入してＸについて解くことにより、理想温度に補正された温度（Ｘ）が下記式３によって得られる。なお、この場合の式３の補正された温度（Ｘ）は、計算によって求められる温度であり、実際には測定されていない温度である。

表１を参照すれば室温付近では測定誤差は流量制御精度への影響を無視できるほど小さいことが分かっているから、近似式Ｙ＝ａＸ+ｂの定数ａ，ｂを算出するにあたり、室温付近の温度、例えば、２０〜２６℃の範囲の温度をＸ＝Ｙと仮定し、実測を一部省略することもできる。例えば、室温Ｔ_０を２２℃に設定すれば、近似式は２２＝２２ａ＋ｂとなり、１００℃〜２５０℃の任意の設定温度（Ｘ）でサーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度（Ｙ）を得れば、連立方程式を立てることができ、連立方程式を解いて定数ａ，ｂを求めることができる。例えば、１５０℃の設定温度（Ｘ）に対して、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度（Ｙ）が１５３℃であったとすれば、これらの数値から１５３＝１５０ａ＋ｂを得、２２＝２２ａ＋ｂとの連立方程式を解くことにより、定数ａ，ｂが算出される。なお、この場合のＸ＝Ｙ＝２２℃も、実測によらない、予め設定される温度である。

圧力補正手段としての上式２において、理想温度に補正された温度を式２のＴ_１に代入し、圧力検出器Ｐで検出された圧力を式２のＰに代入するとともに、初期設定温度を式２のＴ_０に代入することにより、補正された圧力Ｐ’が得られる。

上記のようにして補正された圧力Ｐ’を用いて、圧力式流量制御装置は、従来と同様に、圧力比（Ｐ_２’／Ｐ_１’）が臨界圧力比以下である臨界条件（ｒ≦ｒ_ｃ）では流体流量Ｑｃが演算制御装置ＣにおいてＱｃ＝ＫＰ_１’により演算され、設定流量Ｑｓとなるようにフィードバック制御される。なお、圧力比が臨界圧力比を越える非臨界領域における圧縮性流体のオリフィスＳを通過する流体流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ_２’^ｍ（Ｐ_１’−Ｐ_２’）ⁿ（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）により演算され、設定流量Ｑｓとなるようにフィードバック制御される。

上記の温度補正及び圧力補正を、制御ブロック図（図１３）、機能ブロック図（図１４）、及びフローチャート（図１５）を参照しつつ説明する。

図１３に示す制御ブロック図は、絞り機構Ｓの下流側に圧力検出器を備えないタイプ、即ち、臨界条件下で使用される圧力式流量制御装置を例示している。図１３に示すように、ガス源４０と真空ポンプＶＰとの間に、バルブボディＶＤが接続されており、真空ポンプＶＰを駆動させることにより、臨界条件が達成され得る。サーミスタ温度検出器ＴＣ及び圧力検出器Ｐの各検出信号は、増幅器４１、４２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器４３、４４によってデジタル信号に変換された後、演算制御装置Ｃに送られる。

ジャケットヒータＨは、圧力式流量制御装置の演算制御装置Ｃとは別に設けられた温度制御装置４５によって、熱電対温度検出器４６の検出値に基づいて、設定温度になるようにＰＩＤ制御される。熱電対温度検出器４６の検出値は、温度表示モニター４７に温度として表示される。ガス温度調節のため、ガス源４０と圧力式流量制御装置のバルブボディＶＤとを接続する配管類も加熱装置４８によって加熱される。

図１４の機能ブロック図に示すように、サーミスタ温度検出器ＴＣによって検出された検出温度は、検出値補正手段５０によってサーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による測定誤差を補正された後、その補正された温度に基づいて圧力補正手段５１によって圧力が補正され、補正された圧力によって流量Ｑｃが演算され、演算された流量Ｑｃが設定流量Ｑｓとなるように流量制御される。

最初に、初期設定温度Ｔ_０、好ましくは室温（２０〜２６℃）を演算制御装置Ｃに入力装置５２（図１３）を通じて入力する。例えば、半導体製造装置のクリーンルーム内は、一般に室温が一定温度に管理されているため、その温度を適用できる。このとき、ジャケットヒータＨは、電源をオンにし、ヒータはオフにして加熱しない状態でガス温度を表示させておくことで、温度表示モニター４７に表示される表示温度を初期設定温度Ｔ_０として演算制御装置Ｃに入力しても良い。入力された初期設定温度Ｔ_０は、演算制御装置Ｃ内の記憶部５３に（Ｘ０，Ｙ０）＝（Ｔ_０，Ｔ_０）として記憶される（ステップ１）。

次に、初期設定温度Ｔ_０と異なる温度、好ましくは１００℃以上の温度Ｔ_１にジャケットヒータＨの設定温度に設定するとともに、演算制御装置Ｃに温度Ｔ_１を入力する。ジャケットヒータＨの温度表示モニター４７が設定温度を示したら、圧力式流量制御装置の温度表示モニター５４の表示温度Ｔ_２（サーミスタ温度検出器により検出された温度）を、演算制御装置Ｃに入力手段５２を通じて入力する。演算制御装置Ｃ入力された温度Ｔ_１，Ｔ_２は、演算制御装置Ｃの記憶部５３に（Ｘ１，Ｙ１）＝（Ｔ_１，Ｔ_２）として記憶される（ステップ２）。

演算制御装置Ｃでは、ＣＰＵ５４が、記憶部５３に記憶されている下記式４と（Ｘ０，Ｙ０），（Ｘ１，Ｙ１）から、定数ａを算出し（ステップ３）、次いで算出されたａを用いて定数ｂを算出する（ステップ４）。

算出された定数（ａ，ｂ）は、演算制御装置Ｃの記憶部５３に記憶される。

ジャケットヒータＨにより一定温度に加熱された状態で、演算制御装置ＣのＣＰＵ５４は、記憶部５３に記憶されている下記式６と、式４及び式５で求められた定数（ａ，ｂ）と、サーミスタ温度検出器ＴＣの検出温度Ｔとから、演算により補正後温度Ｔａを算出する（ステップ５）。算出された補正後温度Ｔａは、記憶部５３に記憶される。

さらに、演算制御装置ＣのＣＰＵ５４は、記憶部５３に記憶されている上記式２のＴに、式６で求められた補正後温度Ｔａを代入し、式２のＴ_０に記憶部５３に記憶されている初期温度Ｔ_０を代入して数値演算することにより、下記式７に示すように、補正された圧力Ｐ’を算出する（ステップ６）。算出された圧力Ｐは、記憶部５３に記憶される。

上記のようにして補正された圧力Ｐ’により、圧力式流量制御装置が制御される。圧力Ｐ’によって圧力式流量制御装置を制御する方は従来の公知の方法を採用することができる。なお、式６で得られた補正後温度Ｔａは、流量演算式Ｑｃ＝ＫＰ_１’の比例定数Ｋの計算にも利用される。

上記説明から明らかなように、検出値補正手段５０によりサーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による測定誤差を理想温度に補正した後、補正した温度を用いて、圧力補正手段５１により検出圧力を補正しているので、サーミスタ温度検出器ＴＣの個体差による流量制御誤差を減少させ、２５０℃の高温ガスであっても高精度でその流量を制御することが可能となる。

また、上記したように検出値補正手段及び圧力補正手段は、記憶部５３に記録されたプログラム（補正プログラム）により補正処理が実行されるので、高温用でない従来の圧力式流量制御装置に、ジャケットヒータＨを取り付け、バルブボディＶＤの適宜位置に温度検出器取付孔を加工して、補正プログラムを組み込めば、高温用として使用することができる。

なお、上記実施形態では、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定精度の温度特性を２点の（Ｘ，Ｙ）で直線近似したが、近似精度を向上させるために、たとえば、測温点数を増やしてスプライン補正や最小二乗法によって直線又は曲線で近似することもできる。また、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定精度の温度特性に関する予め測定されたデータを蓄積した補正テーブルを記憶部５３に記憶させておき、サーミスタ温度検出器ＴＣの測定値に応じた補正温度を出力するようにしても良い。

Ｖ 弁部
ＶＤ バルブボディ
ＰＥ 駆動用圧電素子
ＴＣ サーミスタ温度検出器
Ｐ 圧力検出器
Ｋ ケース体
Ｈ ジャケットヒータ（加熱用ヒータ）
ＴＳ 断熱材
Ｓ オリフィス（絞り機構）
Ｔ ガス温度
Ｃ 演算制御部
Ｄ 弁駆動部
Ｑｓ 設定流量
ΔＱ 流量調整信号
１ 流体入口側継手
２ 流体出口側継手
３ 流体（ガス）入口側接続部（入口側サイドブロック）
４ 流体（ガス）出口側接続部（出口側サイドブロック）
５ バルブ本体
６ 流体（ガス）通路（垂直方向）
７ 流体（ガス）通路（垂直方向）
８ 流体（ガス）漏洩検査孔兼検出器取付孔
９ 流体（ガス）漏洩検査兼検出器取付孔
１０ 検出器取付孔
１１ 検出器取付孔
１３ ボルト孔
１４ 温度検出器取付孔
１５ 入口側流体通路（水平方向）
１６ 出口側流体通路（水平方向）
１７ バルブシート
１８ ダイヤフラム弁体
１９ スプリング（皿バネ）
２０ ダイヤフラム押え
２１ 筒体
２２ Ｏリング
２３ フィルタ保持部
２４ 絞り機構（オリフィス）保持部
２５ スペーサ
２６ 筒体保持具
２７ ダイヤフラム押え金具
２８ 固定用ボルト
３０ メタルシール金具

Claims (12)

1. 流体通路が形成されたバルブボディと、
   前記流体通路に介在された弁部と、
   前記弁部を駆動して前記流体通路を開閉する弁駆動部と、
   前記流体通路の前記弁部の下流側に設けられた絞り機構と、
   前記弁部と前記絞り機構との間のガス温度を検出する温度検出器と、
   前記弁部と前記絞り機構との間のガス圧力を検出する圧力検出器と、
   前記温度検出器及び圧力検出器の各検出値に基づいて絞り機構を流通するガス流量を演算すると共に前記弁駆動部を制御する演算制御装置と、を有し、
   前記温度検出器は、前記弁部と絞り機構との間の出口側流体通路の真上の位置に前記バルブボディの上面側よりその内方へ向けて穿設された孔であって、その底面と出口側流体通路の上壁面との距離を０．１〜１．２ｍｍとした取付孔内に挿着されていることを特徴とする圧力式流量制御装置。
2. 前記温度検出器がサーミスタ温度検出器であって、
   前記演算制御装置は、
   前記サーミスタ温度検出器の温度検出値の誤差を補正する検出値補正手段と、
   該検出値補正手段により補正された補正値に基づいて、前記圧力検出器により検出された圧力値を補正する圧力補正手段と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
3. 前記検出値補正手段は、前記サーミスタ温度検出器の検出温度に関する温度特性に基づいて、前記サーミスタ温度検出器により検出されたガス温度の誤差を補正することを特徴とする請求項２に記載の圧力式流量制御装置。
4. 前記温度特性は、２以上の異なる温度により得られる近似式によって関係づけられることを特徴とする請求項３に記載の圧力式流量制御装置。
5. 前記近似式は下記式１であることを特徴とする請求項３に記載の圧力式流量制御装置。
   Ｙ＝ａＸ＋ｂ ・・・（式１）
   （但し、Ｙはサーミスタ温度検出器による検出温度に対応する温度、Ｘは熱電対又は白金測温抵抗体によるガス測定温度に対応する温度、ａ及びｂはサーミスタ温度検出器の個体毎に定まる定数。）
6. 前記式１において、２０〜２６℃の範囲でＹ＝Ｘと仮定することを利用する、請求項５に記載の圧力式流量制御装置。
7. 前記バルブボディを、バルブ本体と、該バルブ本体の一方の側面に固定した流体入口側継手を有する流体入口側接続部と、前記バルブ本体の他方の側面に固定した流体出口側継手を有する流体出口側接続部とから形成すると共に、前記バルブ本体の流体入口側接続部に対向する位置にフィルタ保持部を、また、前記バルブ本体の流体出口側接続部に対向する位置に絞り機構保持部を設けた構成のバルブボディとした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
8. 前記バルブボディの外側面に設けられ、前記流体通路を流通するガスの温度を設定温度に保つための加熱用ヒータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
9. 前記加熱用ヒータが、前記バルブボディを５０℃〜５００℃に加熱する、平板状のヒータ若しくはジャケット型のヒータである請求項８に記載の圧力式流量制御装置。
10. ガス温度が５０℃〜５００℃の範囲に於いて、流量誤差が１．０％Ｆ．Ｓ．以下となる流量制御精度を備えた請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
11. 前記弁駆動部が積層型圧電素子であって、該弁駆動部を保持する筒体保持具が前記バルブボディに取り付けられているとともに、前記取付孔内へ挿着した温度検出器の上方にスペーサを載置し、当該スペーサの上面を、前記筒体保持具に設けたフランジ部分によって押圧固定することにより、前記温度検出器を前記バルブボディへ固定するようにした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
12. 圧力検出器及び温度検出器が前記バルブボディとは別体で構成され、バルブボディに組み合わせる構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の圧力式流量制御装置。