JP6600559B2 - マスフローコントローラの改善された表示流量のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、マスフローコントロールシステムに関する。特に、本発明は、これには限定されないものの、流体の流量の監視及び制御を行うシステム及び方法に関する。

典型的なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）は、様々なプロセスのうちでもとりわけ熱エッチング及びドライエッチング等の工業プロセスにおいて、流動性気体の流量を設定し、測定し、また制御する装置である。ＭＦＣの重要な部分は、装置を通って流れる気体の質量流量を測定する熱式流量センサである。熱式流量センサが実際の流量を測定している間、測定流量の表示は、ユーザ又はオペレータに対して、表示流量出力によって「表示流量」として報告される。しかしながら、多くの場合では、熱式センサからの実際の信号を表示流量としてＭＦＣのユーザ又はオペレータへ報告することは、望ましくない。なぜならば、熱式センサからの実際の信号は、実際の流体流量を誤って示している可能性があり、また、誤った警告を発している可能性があるからである。

マスフローコントローラ（ＭＦＣ）の熱式流量センサは、一般的に、実際の流量が素早く変化する場合であっても、非常に遅い信号を生成する。センサの応答時間は流体流量の安定的な制御のために重要であるので、熱式流量センサからの遅い信号は、通常、「加速」フィルタを用いた処理によって加速される。このような加速は、しかしながら、信号ノイズを増加させる。しかし、この「加速ノイズ」は、センサを流れ抜けている流体流量の実際のノイズを反映しておらず、それは信号を速くすることの副次的な影響に過ぎない。加速ノイズは流量率を制御するアルゴリズムに影響しないものの、実際の流体流量の質に関してＭＦＣのオペレータへ誤った印象を与えることがありうる。更に悪いことに、加速ノイズは、工業プロセス用ツールにおける誤った警告を引き起こすことがありうる。以上のことから、誤った警告を排除するために、ＭＦＣのオペレータへ流量を報告する際に加速ノイズは可能な限り減らすべきである。

ＭＦＣの設計が原因で、ある状態の間は、ＭＦＣのオペレータへ報告するのは好ましくない「内部」流量がＭＦＣ内に存在することがある。この内部流量は、ＭＦＣの出口（工業プロセス用ツールへの）へ到達することは無い。しかし、流量センサを通過する可能性はあり、また、検知された内部流量が工業プロセス用ツールへ実際には供給されない場合に、工業プロセス用ツールへ供給された実際の流量としてオペレータへ報告される可能性がある。この内部流量は、例えば、注入圧が変化し、ある程度の量の流体が「デッドボリューム」（流量センサと弁との間の容積）を満たして流量センサに交差した圧力が一様になる場合に、発生する可能性がある。このような流量は、厳密に内部だけで生じるものであり、顧客へ報告されるべきものではない。

オペレータへ報告されるべきではない熱流量センサ信号の態様の他の例は、弁が長い距離を非常に素早く移動した瞬間に起こり得るセンサを通過した流体流量の先鋭なスパイクである。通常、これらの長く素早い弁の移動は、設定値がゼロ流量である状態の後にゼロ流量でない設定値が与えられた場合に発生し、逆の場合でも同様に発生する。

オペレータへ供給される表示流量をフィルタにかける（例えば、誤った警告を減らすために）試みはなされてきたけれども、いくつかの従来の取り組みは、精巧なアルゴリズムに依存しており、このアルゴリズムは、実際の動作状態から大きく変化する可能性のある経験的なパラメータを利用しているがために、多くの場合で実行不可能であることが分かってきた。

多くの既存のフィルタは、調整可能な時定数を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。この種のフィルタの不都合な点は、許容できる表示流量出力を提供しようとして時定数を調整する方法である。通常、このデータの調整は、ベースライン（設定値）からの許容される流量のずれに基づいて行われる。測定流量が、設定値から特定の閾値以内にある場合に、フィルタ時定数は高く、このため、ノイズの削減は大きい。また、もし、何らかの理由で、流量の読み出し値が特定の範囲から外れた場合は、フィルタ時定数は一瞬で減少し、直ちにノイズの多い表示流量が発生する。流量が設定値へ戻る間、フィルタ時定数はゆっくりと増大し、その結果、ノイズはゆっくりと減少する。ユーザの視点からは、このような表示流量の挙動により、あたかも瞬間的な「流量振動」が存在するか、又は表示流量が不安定であるように見える。しかし、これらの異常は、表示流量の不適切なフィルタリングの結果に過ぎず、実際の流量を示してはいない。

いくつかの他のアルゴリズムは、流量の測定値が許容された範囲（典型的には、流量の設定値の付近）から外れている間、測定流量を単に隠す。また、これらのアルゴリズムは、典型的には、実際の流量（測定されたもの）が設定値へ戻るまで、一定の流量を報告する表示流量出力を生成する。しかし、もし流量のずれがあまりに長く存続する場合は、フィルタは、直ちに実際の流量の表示を開始し、表示流量に実際には存在しない流量のスパイクを生じさせる。

従って、現状の手法による流体流量の状態の表示流量の生成不足に対処する新しい革新的な特徴をもたらすための方法及び／又は装置が必要である。

図面に示された本発明の典型的な実施形態は、下記に要約されている。これらの実施形態及び他の実施形態は、詳細な説明のセクションでより詳しく記載されている。しかしながら、この発明の概要又は詳細な説明に記載された形態に本発明を限定する意図が無いことは、理解されるべきである。当業者は、特許請求の範囲で表現されるような発明の趣旨及び範囲に含まれる多くの改良物、等価物及び代替構成物が存在することを認識することができる。

本発明の態様は、マスフローコントローラから表示流量出力を提供するための方法を提供することができる。この方法は、マスフローコントローラに制御された流体の質量流量を示す測定流量信号を取得することと、流体の実際の質量流量を表す表示流量出力を生成するために、測定流量信号をフィルタリングすることとを含んでいる。表示流量は、マスフローコントローラのオペレータへ提供され、流体の質量流量の変化率が、測定流量信号のサンプルに基づいて決定される。フィルタリングに関連して使用される時定数は、次に、質量流量の変化率に基づいて調整される。

本発明の他の態様は、流体の質量流量を示す測定流量信号を提供する質量流量センサを含むマスフローコントローラであると特徴づけられ得る。マスフローコントローラのプロセッサは、測定流量信号を受け付け、表示流量出力を提供する。マスフローコントローラは、また、プロセッサに接続された、有体のプロセッサでの読取が可能な非一時的な記憶媒体を含んでおり、この記憶媒体は、表示流量をフィルタリングするためのプロセッサでの読取が可能な命令がコード化されている。この命令は、測定流量信号に基づいて流体の質量流量の変化率を決定するための命令と、フィルタリングに関連して使用される時定数を質量流量の変化率に基づいて調整する命令とを含んでいる。

様々な目的及び利点並びに本発明についてのより完全な理解は、以下の添付図面と共に、後述の詳細な説明、及び付随の特許請求の範囲を参照することによって、明らかになり、より容易に理解される。

本発明に従ったマスフローコントローラの典型的な実施形態を説明するブロック図である。 図１に示された表示流量部の機能コンポーネントを示すブロック図である。 図１及び２に示す実施形態に関連して実行され得る典型的な方法を示すフローチャートである。 従来技術に応じたフィルタ時定数の挙動を示すグラフである。 図３に関して記載された本発明に係る方法に応じた時定数の値を示すグラフである。 図１及び２に示す実施形態に関連して実行され得るもう一つの方法を示す。 図１及び２に示す実施形態に関連して実行され得る更にもう一つの方法を示す。 図６Ｂを参照して記載された方法に応じた表示流量及びフィルタ時定数の値を示すグラフである。 図１及び２に示す実施形態に関連して実行され得る付加的な方法を示すフローチャートである。 図８に示した方法に応じた、時間に対する典型的な表示流量を流量パーセント値で示したグラフである。 図８に示した方法に応じた、時間に対する典型的な表示流量を流量パーセント値で示したグラフである。 本明細書に記載された種々の実施形態を実現するために利用され得る物理的な構成要素を示すブロック図である。

次に、図面を参照すれば、図１は、表示流量をＭＦＣ１００のオペレータへ報告するための改善された手法を取り入れているマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１００を示している。これらの構成要素の図示された配置は論理的なものであり、実際のハードウェアの図を意図していない。従って、構成要素は、実際の実施態様では、結合されること、更に分離されること、除去されること及び／又は追加されることが可能である。当業者に認められるように、図１に示された構成要素は、ハードウェア、又はファームウェア及び／若しくはソフトウェアと組み合わされたハードウェアで実施され得る。また、本明細書の観点では、個々の構成要素の構成は当業者の技術知識の範囲内で周知のものである。

いくつかの実施形態では、ＭＦＣ１００で制御される流体は、液体（例えば、硫酸）であり、他の実施形態では、気体（例えば、窒素）である。しかし、本開示の恩恵を受けることで、当業者が認め得るように、ＭＦＣ１００によって輸送されている流体は、例えば気体又は液体等の任意の相の元素及び／又は化合物の混合物を含んだ、どのような流体であってもよい。用途に依存して、ＭＦＣ１００は、流体を、気体の状態（例えば、窒素）及び／又は液体の状態（例えば、塩酸）で、例えば半導体製造装置用のツールへ輸送し得る。多くの実施形態でのＭＦＣ１００は、高圧下、低温下で流体を輸送するように構成されているか、又は、異なった種類のコンテナ若しくはベッセルへ流体を輸送するように構成されている。

図示されたように、本実施形態では、ＭＦＣ１００の基部１０５は、気体が通過して流れるバイパス１１０を含んでいる。バイパス１１０は、メインパス１１５及びセンサ管１２０を通過する気体の比率を一定に制御している。結果として、センサ管１２０を通過する流体（例えば気体又は液体）の流量は、ＭＦＣ１００のメインパス１１５を通過して流れる流体の流量を示す。

本実施形態では、センサ管１２０は、小口径の管であり、ＭＦＣ１００の熱式質量流量センサ１２３の一部をなす。また、図示されているように、検出素子１２５及び１３０は、センサ管１２０の外面に連結（例えば、巻き付いて）されている。一つの図示された実施例では、検出素子１２５及び１３０は、抵抗温度計素子（例えば、導電線のコイル）である。ただし、他の種類のセンサ（例えば、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）及び熱電対）が使用されてもよい。更に、他の実施形態は、もちろん異なる数のセンサを使用してもよく、本発明の範囲から逸脱することのない範囲で、センサからの信号を処理するための異なるアーキテクチャを使用してもよい。

図示されているように、検出素子１２５及び１３０は、検出素子回路１３５に電気的に接続されている。一般的に、検出素子回路１３５は、（検出素子１２５，１３０からの信号１４６，１４８に応答して）流量センサ信号１５０を出力するように構成されている。流量センサ信号１５０は、センサ管１２０を通過する流量を示し、従って、ＭＦＣ１００のメインパス１１５を通過する流量を示す。

図１に示すように、流量センサ信号１５０は、流量センサ信号１５０の処理された表現である測定流量信号１６１を生成するために、処理部１６０によって処理されてもよい。例えば、測定流量信号１６１は、流量センサ信号１５０のデジタル表現であってもよい。より具体的には、処理部１６０は、アナログ−デジタル変換器を用いて、流量センサ信号１５０を増幅して流量センサ信号１５０のデジタル表現へ変換してもよい。

当業者が容易に認め得るように、処理部１６０は、ＭＦＣ１００の物理特性及び／又はＭＦＣ１００を通過して流れる流体（例えば気体）の特性に基づいて、流量センサ信号１５０を（例えば、信号１５０を予め定められている較正係数を用いて調整することによって）調整してもよい。

図示されたように、測定流量信号１６１は表示流量コンポーネント１６５及び制御部１７０の両方へ供給される。この実施形態における制御部１７０は、検出素子１２５及び１３０、検出素子回路１３５並びに処理部１６０を含む制御システムの一部である。制御部１７０は、一般的に、設定値信号１８６に基づいた流量を提供すべく制御弁１４０の位置を制御するための制御信号１８０を生成するように構成されている。制御弁１４０は、圧電弁又はソレノイド弁によって実現され得る。また、制御信号１８０は、電圧（圧電弁の場合）でもよく、電流（ソレノイド弁の場合）でもよい。

図示されたように、この実施形態における表示流量コンポーネント１６５も、設定値１８６を受け付け、表示流量を表示流量出力１６６によって報告インタフェース１６８へ提供する。一般的に、表示流量コンポーネント１６５は、測定流量信号１６１を受け付け、表示流量を（表示流量信号１６６及び報告インタフェース１６８を用いて）提供する。表示流量は、ＭＦＣ１００のオペレータにとって、未処理の測定流量信号１６１よりも有用である。例えば、表示流量は、流量が素早く変化している間及び安定した動作状態の間の実際の流量をより正確に表す。従来の取り組みと比較すれば、表示流量は、ノイズがより少なく、（実際の流量を表していない）スパイクがより少なく、実際の流量を示していない無関係な情報がより少ない。

従来の取り組みとは対照的に、図示された表示流量コンポーネント１６５は、フィルタリングコンポーネントの時定数を制御するために設定値（又は他の特定の閾値）からの流量のずれを利用することはない。その代わりに、更に本明細書で述べるように、表示流量コンポーネント１６５は、（測定流量信号１６１で示されたような）測定流量の変化率を追跡し、それに応じてフィルタ時定数を調整して表示流量を提供する。この表示流量は、従来の取り組みよりも大幅に改善された正確さで実際の流量に厳密に追随する。結果として、フィルタ時定数は突然には変化せず、表示流量に「振動」もスパイクももたらさない。従って、ＭＦＣ１００のオペレータに、従来の取り組みに比べて誤解が少なくてより有用な表示流量出力１６６が提供される。

加えて、更に本明細書でより詳細に開示されているように、いくつかの実施形態における表示流量コンポーネント１６５も、スパイクを遮蔽するための追加的な手法を利用して、ＭＦＣ１００のオペレータ／ユーザには報告されるべきではない、（素早い弁の開放又は閉鎖の間の）ＭＦＣの内部流量によって引き起こされた誤ったスパイク及び他のずれが報告されることを防止する。また、表示流量コンポーネント１６５は、例えば設定値の変化及び／又は圧力変化に起因して発生し得る流量の素早い変化の間に、より円滑的でよりノイズが小さい表示流量出力１６６を生成するための新しい方法を実行してもよい。

例えば、多くの動作モードでは、流量が急激に変化した場合に（例えば、ＭＦＣ１００に新しい設定値が与えられた場合）、表示流量フィルタの時定数は最小値に設定され、このため、実際の流量に近い量を表した素早い表示流量出力１６６が提供される。しかし、この素早い表示流量は非常にノイズが多い傾向がある。本明細書に開示されている改善された円滑化アルゴリズムの実行により、実際の流量の読み出し値に近い表示流量が非常にノイズを少なくして提供される。

次に図２を参照すれば、表示流量コンポーネント１６５の機能コンポーネントを示すブロック図が図示されている。図示されているように、この実施形態では、表示流量コンポーネント１６５は、安定流量コンポーネント２００、高速変化コンポーネント２０２、時定数コンポーネント２０４、フィルタ２０６及びスパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８を含んでいる。図示されているように、安定流量コンポーネント２００及び高速変化コンポーネント２０２は、共に、フィルタ２０６へ時定数を提供する時定数コンポーネント２０４に連結されている。この実施形態では、センサ出力１５０の測定流量信号１６１は、安定流量コンポーネント２００、高速変化コンポーネント２０２、フィルタ２０６及びスパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８へ、測定流量の指標を提供する。一又は複数の図示されたコンポーネントは、実際に実施される場合には、結合されること、更に分離されること、除去されること及び／又は追加されることが可能であり、また、これらのコンポーネントは、ハードウェア、又はファームウェア及び／若しくはソフトウェアと組み合わされたハードウェアで実施されてもよいことは、認められるべきである。

当業者が認識できるように、フィルタ２０６は、時定数コンポーネント２０４からの時定数信号に基づいて、実際の質量流量を表していない測定流量信号の高域の周波数を減衰させるローパスフィルタを含んでもよい。下記に述べるように、安定流量コンポーネント２００及び高速変化コンポーネント２０２は、時定数コンポーネント２０４への入力を提供するために動作し、時定数コンポーネント２０４は、次には、フィルタ２０６へ提供された時定数を修正する。

この実施形態における安定流量コンポーネント２００は、一般的に、比較的安定な動作モードの間に測定流量の変化率を追跡するために時定数コンポーネント２０４と関連して動作し、また、それに応じてフィルタ時定数を調整して、改善された正確さで実際の流量に厳密に追随する表示流量を提供する。結果として、フィルタ時定数は、突然には変化せず、表示流量に「振動」もスパイクももたらさない。

更に本明細書で述べるように、高速変化コンポーネント２０２は、質量流量が突然に変化した場合に動作させられる。質量流量の突然の変化は、設定値１８６の変化、動作圧力の変化、又は流量に影響する何らかの他の要因によって引き起こされ得る。高速変化コンポーネント２０２は、動作した場合、（フィルタ２０６で利用される）時定数を素早く変化させるように、時定数コンポーネント２０４と関連して動作して、遅延又は不感時間を無くしてより正確な表示流量を提供する。

この実施形態でのスパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８は、フィルタ２０６で利用される時定数に影響を及ぼさない。ただし、誤ったスパイク、及びＭＦＣ１００の内部での流動によって引き起こされた（例えば、弁１４０の開閉によって引き起こされた）流量のずれが報告されることを減少させる。また、スパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８は、ＭＦＣ１００を通る流体の質量流量が高速で変化した場合に、より円滑でノイズの少ない表示流量を生成させるためにも動作する。

次に図３を参照すれば、図３は安定流量コンポーネント２００により実行され得る方法を示すフローチャートである。図示されているように、測定流量信号１６１のサンプルは、流量の変化率を決定することができるようにするために、ある時間間隔内で取得される（ブロック３００，３０２）。例えば、測定流量の変化率は、所定の時間間隔内に得られた二つの流量の読み出し値を減算することによって計算され得る。また、より正確な計算のために、平均された読み出し値が使用される（例えば、１０点移動平均が使用されてもよい）。いくつかの実施形態では、高速変化コンポーネント２０２は、実際の流量の変化率を絶えず追跡する。

図示されたように、時定数の最大値は、次に、決定された変化率に基づいて決定される（ブロック３０４）。多くの実施態様では、時定数の最大値は、変化率の大きさに反比例し、特定のエラーに比例する。この取り組みは、いずれの流量変化率においても、実際の流量と報告された流量との間の差を特定のエラーよりも小さくさせる。いくつかの実施態様では、時定数の最大値は、下記の式で計算され得る。
TCmax = A * error / rate_of_change
ここで、Ａはスケーリング係数であり、システムのサンプリングレート、並びにTCmax、エラー（error ）及び変化率（rate_of_change）の値の単位に依存する。

図示されたように、流量に急激な変化をもたらすような、設定値の変化又は他のイベント（例えば、相当な圧力変化）が発生した場合は（ブロック３０６）、高速変化コンポーネント２０２は、図６Ａ及び６Ｂを参照してより詳細に述べるように、時定数コンポーネント２０４の制御を行うべく動作する（ブロック３０８）。設定値の変化（又は、流量に突然に影響を及ぼす他のイベント）が発生しない場合は（ブロック３０６）、時定数が増大する（ブロック３１０）。時定数は、許容された時定数の最大値に達する（ブロック３１２）まで、制御ループが一巡する度に１（又は他の定数値）ずつ増大してもよい。

図示されたように、現在の時定数が許容された時定数の最大値を超過した場合（ブロック３１２）、時定数は最大値に設定され（ブロック３１４）、測定流量の変化率は絶えず追跡され、時定数の最大値は、これに応じて、図３に図示されたループが繰り返される際に調整される。いくつかの実施態様では、所望の保証されたレベルでのノイズ除去を行うために、ユーザが定義した時定数の範囲を適用する（例えば、時定数の最小値及び最大値に）ことが可能である。

図４及び５を参照すれば、従来技術の取り組みにおけるフィルタ時定数の値と図３に示した本発明の方法に対応した時定数の値とを夫々に示したグラフが表示されている。図４に図示されたように、いくつかの従来技術の取り組みでは、フィルタ時定数は、ベースライン（設定値）からの許容された流量のずれの範囲４００に基づいて調整される。図４に図示されたように、流量１００％の設定値からの流量のずれの範囲４００内に測定流量がある場合は、フィルタ時定数は高く、その結果、ノイズ除去は高性能である。また、何らかの理由で、流量の読み出し値が特定の範囲４００外へ動いた場合（例えば、t₁ 及びt₂ に示すような場合）、フィルタ時定数は突然に減少し、直ちにノイズの多い表示流量がもたらされる。流量が設定値に戻った場合は、フィルタ時定数は徐々に増大し、よって、ノイズは徐々に減少する。ユーザの視点からは、このような表示流量の挙動は、まるで瞬間的な「流量振動」又は不安定性が存在するかのように見える。しかし、このような異常は、不十分なフィルタリングの結果に過ぎず、実際の流量を示してはいない。

図４に図示された従来技術の動作とは異なって、図３での手法は、突然に変化することなく図５に示すように表示流量における「振動」及びスパイクを減らすフィルタ時定数を生じさせる。図示されたように、フィルタ時定数は、突然のステップ状の変化無しに、流量の変化率と同じように変化する。結果として、表示流量はノイズがより少なくなっている。表示流量は、ユーザ／オペレータが視認した場合に、流量の振動又は不安定性があるようには見えない。

次に、図６Ａ及び６Ｂを参照すれば、流量の急激な変化（例えば、設定値の変化が原因で）に応答して高速変化コンポーネント２０２によって実行され得る他の方法が図示されている。説明を簡単するために、設定値の変化は、設定値の増大であると仮定する。ただし、図６Ａ及び６Ｂに図示された方法は、本明細書で下記に更に述べるように設定値の減少に対しても適用される。

もしオーバーシュート及び多少の振動が予期されるのであれば、図６Ｂに図示された方法は、図６Ａに図示された方法よりも有利になり得る。下記に記載されているように、図６Ｂに図示された方法は、測定信号が設定値を超過し、その後設定値未満に低下することを可能にする。又は、設定値が減少する場合には、図３に図示された安定した流量の手法が再度利用される前に、測定流量は、設定値未満に低下し、その後設定値を超過することが可能である。

図６Ａ及び６Ｂに図示された両方の方法に示されたように、現在の時定数は、比較的小規模のフィルタリングに適用される値に定められる（ブロック６００）。例えば、時定数は、最小値に適用されるか、フィルタリングを行わないようにするか、又は設定値の変化に応答した他の低レベルの値に適用されるように定められ得る。図７は、例えば、設定値の増大及び対応する時定数の低下を図示するグラフである。

図６Ａ及び図６Ｂに図示されたように、タイマが起動され（ブロック６０２）、そして（時定数が比較的低い値に設定された後で）規定された持続時間がまだ経過しておらず（ブロック６０４）、測定流量が設定値を超過してもいない場合は（ブロック６０６）、時定数は比較的低いレベルに維持される。しかし、タイマが終了した場合は（ブロック６０４）、次に、図６Ａ及び６Ｂに図示されたアルゴリズムは終了し、安定流量コンポーネント２００は、時定数コンポーネントの制御を高速変化コンポーネント２０２から再度実行する。

図６Ａに図示された方法では、時間はまだ満了していないが（ブロック６０４）、流量が設定値を超過している場合は（ブロック６０６）、次に、図６Ａに図示されたアルゴリズムは終了し、安定流量コンポーネント２００は、時定数コンポーネント２０４の制御を高速変化コンポーネント２０２から再度実行する。設定値の変化が流量の設定値の減少である場合は、次に、図６Ａに図示されたアルゴリズムは、減少した設定値未満に流量が低下したときに終了する。

図６Ａに図示された方法とは異なって、図６Ｂに図示された方法では、流量が設定値を超過し（ブロック６０６）、まだ設定値未満に低下していない場合は（ブロック６０８）、時定数は比較的低レベルに維持される。また、流量が設定値未満に低下した場合は（ブロック６０８）、安定流量コンポーネント２００は、時定数コンポーネント２０４の制御を高速変化コンポーネント２０２から再度実行し、時定数を増大させる。図７は、例えば、設定値と比較して表示流量及びフィルタ時定数を図示するグラフである。図示されているように、安定流量コンポーネント２００は、流量が設定値未満に低下した後（設定値を超過した後）で時定数を増大させるように再度動作する。

次に図８を参照すれば、スパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８に関連して、表示流量出力１６６を円滑化し、スパイクを減少させるための方法を示すフローチャートである。多くの実施形態では、スパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８は、高速変化コンポーネント２０２と並行して、図６Ａ又は６Ｂのいずれかに図示されたアルゴリズムと関連して図８に図示されたアルゴリズムを実行するために、動作する。図６Ａ及び６Ｂを参照してこれまでに述べたように、設定値が変化した場合に、高速変化コンポーネント２０２は、実際の流量に近い素早い表示流量出力１６６を提供するために、フィルタ２０６に適用される時定数を比較的低い値（例えば最小値）に定めるものの、フィルタ２０６は、時定数に基づいているので、ノイズを除去しない。結果として、スパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８は、時定数が低い（例えば、可能な限り最小の）値に定められた場合にフィルタリングされないノイズを除去する。

説明を簡単にするために、図８に関しては、弁が素早く開く（例えば、設定値がより高い値に定められたことに応答して）と仮定するが、弁が素早く閉じる（例えば、設定値の減少に応答して）場合には、同様のアルゴリズム（逆の比較を用いた）が利用される。図８に図示されたように、弁１４０を素早く開放又は閉鎖させる（例えば、設定値の変化）イベントが存在する場合は、弁１４０の位置が変化する前の時点での表示流量の最終値は、参照値としてメモリに保持される（ブロック８００）。

図８に図示されたように、流量は測定され（ブロック８０２）、測定流量が参照値以上である場合は（ブロック８０４）、参照値は、測定流量に設定され（ブロック８０６）、そして表示流量として報告される（ブロック８０８）。しかし、測定流量が参照値未満である場合（ブロック８０４）、測定流量が参照値に到達するまでは（ブロック８１０）、参照値が報告される（ブロック８０８）。例えば図９を参照すれば、設定値が時刻t１で変化した場合の事例が図示されている。図示されているように、設定値の変化より前の時点で、表示流量はゼロ流量であると報告されており、結果として、参照値はゼロ流量に初期設定される。図９に図示されたように、設定値が時刻t１で増大した後は、測定流量信号に相当量のノイズが発生する。しかし、測定流量が時刻t２で参照値に上昇するまでは、参照値は、表示流量値として報告される。このため、時刻t１からt２までの間の測定流量のノイズは、ＭＦＣ１００のユーザ／オペレータへは報告されない。

ノイズに加えて、スパイク遮蔽／円滑化コンポーネント２０８は、測定流量信号に発生し得るスパイクも除去する。図１０に図示されたように、例えば、設定値が時刻t１で増大した後、測定流量は参照値未満へ低下する。しかし、測定流量が時刻t２で参照値に上昇するまでは、参照値（ゼロ流量）は表示流量値として報告され続ける。このため、時刻t１からt２までの間の測定流量のスパイクは、ＭＦＣ１００のユーザ／オペレータに報告されない。

図９及び１０の両方に図示されたように、測定流量が設定値の変化に応答して増大するので、参照値は、測定流量が現在の参照値未満にまで低下した場合を除いて（ブロック８０４）、測定流量が設定値に到達するまで（ブロック８１０）、図８に図示されたアルゴリズムの夫々の繰り返しの間、測定流量に設定される（ブロック８０６）。図９及び図１０に図示されたように、測定流量が現在の参照値未満である場合（ブロック８０４）、現在の参照値が測定流量の代わりに表示流量として報告される（ブロック８０８）。この方法では、通常は表示流量出力１６６に現れるであろう（高速変化コンポーネント２０２に設定された低い時定数を原因として）ノイズ及びスパイクは、除去される。

次に、図１１を参照すれば、図１を参照して記載されたＭＦＣ１００を実現するために利用され得る物理的構成要素を示したブロック図１１００が図示されている。図示されたように、表示部１１１２及び不揮発性メモリ１１２０は、バス１１２２に接続されており、バス１１２２は、更に、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、処理部（Ｎ個の処理コンポーネントを含んでいる）１１２６、ソレノイド式又は圧電式の弁１１３０と通信している弁動作部１１２８、インタフェース部１１３２、通信部１１３４及び質量流量センサ１１３６に接続されている。図１１に図示された構成要素は、物理的構成要素を示しているけれども、図１１は、ハードウェア図であると意図されたものではない。このため、図１１に図示された多くの構成要素は、一般的な構成で実現されるか、又は追加的な物理的構成要素に分散して構成されてもよい。更に、図１１を参照して記載された機能的構成要素を実施させるために、他の現存する及びまだ開発されていない物理的構成要素及びアーキテクチャが利用され得ることは、間違いなく意図される。

この表示部１１１２は、一般的に、コンテンツの表示をユーザへ提供するために動作する。いくつかの実施態様では、表示部はＬＣＤ又はＯＬＥＤディスプレイで実現される。例えば、表示部１１１２は、表示流量をグラフ又は数字で表して提供することができる。一般的に、不揮発性メモリ１１２０は、データ及び図２に図示された機能的構成要素と関連したコードを含む実行可能なコードを記憶（例えば、持続的に記憶）するように機能する。いくつかの実施形態では、例えば、不揮発性メモリ１１２０は、ブートローダのコード、ソフトウェア、オペレーティングシステムのコード、ファイルシステムのコード、及び図２に関連して述べたコンポーネントの一又は複数の部分の実施を容易にさせるコードを含んでいる。代替的な実施態様では、図２に図示された一又は複数のコンポーネントを実施するために、専用のハードウェアが利用され得る。例えば、図２に図示されたフィルタを実現するためにデジタルシグナルプロセッサが利用され得る。

多くの実施態様では、不揮発性メモリ１１２０は、フラッシュメモリ（例えば、ＮＡＮＤ又はＯＮＥＮＡＮＤメモリ）で実現される。しかし、他の種類のメモリが利用され得ることは、間違いなく意図される。不揮発性メモリ１１２０からコードを実行することが可能であり得るけれども、典型的には、不揮発性メモリ１１２０中の実行可能なコードは、ＲＡＭ１１２４へロードされ、処理部１１２６中のＮ個の処理コンポーネントの内の一又は複数の処理コンポーネントによって実行される。図示されたように、処理部１１２６は、制御部１７０に実行される機能によって利用されるアナログの温度及び圧力の入力を受け付け得る。

ＲＡＭ１１２４に接続されたＮ個の処理コンポーネントは、一般的に、図２に図示された機能的コンポーネントを実施するために不揮発性メモリ１１２０に記憶された命令を実行する動作をする。

インタフェース部１１３２は、一般的に、ユーザにＭＦＣ１００とのやり取りを可能にさせる一又は複数のコンポーネントを表す。インタフェース部１１３２は、例えば、キーパッド、タッチパネル、及び一若しくは複数のアナログ又はデジタル制御部を含み得る。また、インタフェース部１１３２は、ユーザからの入力を設定値信号１８６へ変換するために使用され得る。また、通信部１１３４は、一般的に、ＭＦＣ１００に、外部のネットワーク及び外部の工業プロセス用ツールを含む機器との通信を可能にさせる。例えば、表示流量は、通信部１１３４を通じて外部機器へ送信され得る。当業者が認めるように、通信部１１３４は、種々の無線（例えばＷｉＦｉ（登録商標））及び有線（例えばイーサネット（登録商標））通信を可能にさせるコンポーネント（例えば、統合又は分散されて）を含み得る。

図１１に図示された質量流量センサ１１３６は、図１に図示された質量流量センサ１２３を実現するための当業者に周知のコンポーネントの集合を表す。これらのコンポーネントは、検出素子、増幅器、アナログ−デジタル変換部、及びフィルタを含み得る。

当業者が認めるように、本明細書で述べた情報及び信号は、種々の異なる科学技術及び専門技術のいずれかを使用して表現され得る。例えば、上記の説明を通して参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル及びチップは、電圧、電流、電磁波、磁場、磁性粒子、光学場、光学粒子、又はそれらの任意の組み合わせによって表現され得る。

更に当業者が認めるように、本明細書に開示された実施形態に関連して記載された種々の説明のための論理的なブロック、モジュール、回路、及びアルゴリズムのステップは、図１１に図示された構成要素を代替する他の構成要素によって実施され得る。ハードウェア及びソフトウェアと組み合わせたハードウェアのこの交換可能性を明らかに説明するために、種々の説明のためのコンポーネント、ブロック、モジュール、回路及びステップが、一般的にそれらの機能性の観点から、上記に記載されている。そのような機能性がハードウェアとして実施されるか又はファームウェア及び／若しくはソフトウェアと組み合わせたハードウェアとして実施されるかは、特定の用途及びシステム全体に課せられた設計の制限に依存する。当業者は、夫々の特定の用途のための様々な方法で、記載された機能性を実施し得る。しかし、そのような実施の決定は、本発明の範囲から逸脱したものであると解釈されるべきではない。

より具体的には、本明細書に開示された実施形態に関連して記載された種々の説明のための論理的なブロック、モジュール及び回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、若しくは他のプログラム可能な論理デバイス、ディスクリートゲート若しくはトランジスタ論理回路、ディスクリートなハードウェアコンポーネント、又は本明細書で記載された機能を実行するために設計されたそれらの任意の組み合わせを用いて実施又は機能し得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってよい。しかし、その代りに、汎用プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ又はステートマシンであってもよい。また、プロセッサは、演算デバイスの組み合わせとして実施されてもよい。例えば、ＤＳＰ及びマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連結した一又は複数のマイクロプロセッサ、又は任意の他のそのような構成である。

本明細書に開示された実施形態に関連して記載された方法又はアルゴリズム（例えば、図３、６Ａ、６Ｂ及び８に図示されたアルゴリズム）のステップは、直接にハードウェアによって、プロセッサ（例えば、図１１に図示されたような）で実行されたソフトウェアモジュールによって、又はそれら二つの組み合わせによって具体化され得る。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ（例えば、不揮発性メモリ１１２０）、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又は技術上周知の記憶媒体の任意の他の形態等の、プロセッサによる読み取りが可能な非一時的な媒体上に存在し得る。典型的な記憶媒体は、プロセッサに連結されており、プロセッサは、記憶媒体から情報を読み出し、記憶媒体へ情報を書き込むことができる。その代りに、記憶媒体は、プロセッサと一体化されていてもよく、プロセッサ及び記憶媒体がＡＳＩＣに備えられていてもよい。

開示された実施形態のこれまでの記述は、どのような当業者でも本発明の作成又は使用をできるようにするために提供されている。これらの実施形態に対する種々の変更は、当業者にとって容易に明らかになるであろう。また、本明細書で定義された包括的な原則は、発明の趣旨又は範囲から外れる事無く他の実施形態に適用され得る。従って、本発明は、本明細書で示された実施形態に限定されることを意図されたものではないが、本明細書で開示された原則及び新規の特徴と矛盾しない最大の範囲に一致することを意図されたものである。

優先権
本特許出願は、２０１３年３月８日出願、タイトル「マスフローコントローラのリードバックシステム及び方法」であって、本明細書に明示的に援用され、本出願の譲受人へ譲受されている特許仮出願第61/775,094号明細書の優先権を主張する。

Claims (12)

1. マスフローコントローラから表示流量を提供する方法において、
   前記マスフローコントローラで制御されている流体の質量流量を示す測定流量信号を取得し、
   前記流体の実際の質量流量を表す表示流量を生成するために、前記測定流量信号のフィルタリングを行い、
   前記マスフローコントローラのオペレータへ前記表示流量を提供し、
   前記測定流量信号をサンプリングし、前記測定流量信号のサンプルに基づいて前記流体の前記質量流量の変化率を決定し、
   前記質量流量の前記変化率に基づいて、前記フィルタリングに関連して用いられる時定数を調整する時定数調整を行い、
   該時定数調整では、前記時定数の最大値を前記質量流量の前記変化率に反比例する値に決定し、前記時定数が前記最大値に達するまで、前記時定数を増大させること
   を特徴とする方法。
2. 質量流量の設定値が新たな設定値へ変化した場合に、
   前記時定数を所定の最小値まで減少させ、
   前記時定数が減少してから経過した時間を観測するタイマを初期化し、
   経過した前記時間が前記タイマの時間閾値に達するまで、又は、前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に測定流量が前記設定値を超過するか、若しくは前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持すること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に前記測定流量が前記設定値を超過しその後前記設定値未満に低下するまで、又は前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下しその後前記設定値を超過するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持すること
   を特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 設定値が新たな設定値へ変化した場合に、
   前記表示流量として提供された質量流量である前記表示流量の最終値を参照値としてメモリに保持し、
   測定流量が前記新たな設定値へ到達していない間、円滑化処理を実行し、
   該円滑化処理は、
   前記測定流量が前記参照値未満である場合に、オペレータへ前記参照値を前記表示流量として提供し、
   前記測定流量が前記参照値以上である場合に、前記参照値を前記測定流量に設定し、オペレータへ前記参照値を前記表示流量として提供することを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 流体の質量流量を示す測定流量信号を提供する質量流量センサと、
   前記測定流量信号を受け付け、表示流量出力を提供するプロセッサと、
   該プロセッサに連結されており、前記測定流量信号のフィルタリングを行って前記表示流量出力を提供するためのプロセッサによる実行が可能なコードを記憶する非一時的な記憶媒体とを備え、
   前記コードは、前記プロセッサに、
   前記測定流量信号に基づいて前記流体の前記質量流量の変化率を決定するステップと、
   前記質量流量の前記変化率に基づいて前記フィルタリングに関連して使用される時定数を調整する時定数調整ステップとを含み、
   該時定数調整ステップは、前記時定数の最大値を前記質量流量の前記変化率に反比例する値に決定し、前記時定数が前記最大値に達するまで前記時定数を増大させるステップを含む
   処理を実行させること
   を特徴とするマスフローコントローラ。
6. 前記コードは、前記プロセッサに、
   質量流量の設定値が新たな設定値へ変化した場合に、
   前記時定数を所定の最小値まで減少させるステップと、
   前記時定数が減少してから経過した時間を観測するタイマを初期化するステップと、
   経過した前記時間が前記タイマの時間閾値に達するまで、又は、前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に前記測定流量が前記設定値を超過するか、若しくは前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持するステップとを更に含む処理を実行させること
   を特徴とする請求項５に記載のマスフローコントローラ。
7. 前記コードは、前記プロセッサに、
   前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に前記測定流量が前記設定値を超過しその後前記設定値未満に低下するまで、又は前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下しその後前記設定値を超過するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持するステップを更に含む処理を実行させること
   を特徴とする請求項６に記載のマスフローコントローラ。
8. 前記コードは、前記プロセッサに、
   設定値が新たな設定値へ変化した場合に、
   前記表示流量出力として提供された質量流量値である最終表示流量値を参照値としてメモリに記憶するステップと、
   測定流量が前記新たな設定値へ到達していない間、円滑化処理を実行するステップとを更に含んでおり、
   前記円滑化処理は、
   前記測定流量が前記参照値未満である場合に、前記参照値を前記表示流量出力として提供する処理と、
   前記測定流量が前記参照値以上である場合に、前記参照値を前記測定流量に設定し、前記参照値を前記表示流量出力として提供する処理とを含む
   処理を実行させること
   を特徴とする請求項５に記載のマスフローコントローラ。
9. マスフローコントローラに制御されている流体の質量流量を示す測定流量信号を取得する手段と、
   前記流体の実際の質量流量を表す表示流量を生成するために、前記測定流量信号のフィルタリングを行う手段と、
   前記マスフローコントローラのオペレータへ前記表示流量を提供する手段と、
   前記測定流量信号をサンプリングし、前記測定流量信号のサンプルに基づいて前記流体の前記質量流量の変化率を決定する手段と、
   前記質量流量の前記変化率に基づいて、前記フィルタリングに関連して用いられる時定数を調整する時定数調整手段とを備え、
   該時定数調整手段は、
   前記時定数の最大値を前記質量流量の前記変化率に反比例する値に決定し、前記時定数が前記最大値に達するまで、前記時定数を増大させる手段を含むこと
   を特徴とするマスフローコントローラ。
10. 質量流量の設定値が新たな設定値へ変化した場合に、
    前記時定数を所定の最小値まで減少させる手段と、
    前記時定数が減少してから経過した時間を観測するタイマを初期化する手段と、
    経過した前記時間が前記タイマの時間閾値に達するまで、又は、前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に前記測定流量が前記設定値を超過するか、若しくは前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持する手段と
    を含むことを特徴とする請求項９に記載のマスフローコントローラ。
11. 前記新たな設定値が前記設定値の増大した値である場合に前記測定流量が前記設定値を超過しその後前記設定値未満に低下するまで、又は前記新たな設定値が前記設定値の減少した値である場合に前記測定流量が前記設定値未満に低下しその後前記設定値を超過するまで、前記時定数を減少後のレベルに維持する手段を含むこと
    を特徴とする請求項１０に記載のマスフローコントローラ。
12. 設定値が変化した場合に、
    前記表示流量出力として提供された質量流量値である最終表示流量値を参照値としてメモリに記憶する手段と、
    測定流量が前記新たな設定値へ到達していない間、円滑化処理を実行する手段とを含んでおり、
    該手段は、
    前記測定流量が前記参照値未満である場合に、前記参照値を前記表示流量として提供する手段と、
    前記測定流量が前記参照値以上である場合に、前記参照値を前記測定流量に設定し、前記参照値を前記表示流量として提供する手段とを含むこと
    を特徴とする請求項９に記載のマスフローコントローラ。

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