JPH06138951A

JPH06138951A - ガス質量流量制御器

Info

Publication number: JPH06138951A
Application number: JP28785192A
Authority: JP
Inventors: Haruyoshi Kondo; 春義近藤; Masayuki Matsui; 正行松井; Naotaka Katayama; 直貴片山; Yasushi Yamada; 靖山田; Hideaki Takahashi; 英昭高橋; Katsuhiro Suzuki; 勝博鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で、応答が高速であるガス質量流量制
御器。【構成】層流エレメント２０の上流に熱交換器１２を
設け、流通ガスの温度を一定にする。また、層流エレメ
ント２０および差圧センサ２２を恒温槽３４内に収容
し、正確な差圧の検出を行う。さらに開度調節弁３０を
制御して層流エレメント２０のガス圧力を一定に維持す
る。これによって、差圧センサ２２において、正確で、
高速応答の質量流量の検出を行う。そして、検出された
質量流量に応じて、サーボバルブ２の開度を制御するこ
とによって、ガスの質量流量を正確に制御することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスの質量流量を高精
度、かつ高速応答で計測するガス質量流量制御器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧縮性の流体であるガスの体積は、圧力
及び温度の関数であり、これらの影響を受けて変化す
る。一方、各種分野において、ガスの流量を計測する場
合には、圧力や温度の影響を受けない質量流量の計測が
必要な場合が多く、またこの質量流量を制御しなければ
ならない場合も多い。例えば、半導体素子の製造装置へ
の反応ガスの供給等においては、質量流量を制御する必
要がある。そこで、従来よりガスの連続流の制御が可能
であり、かつ精度１％程度という精密なガス流量制御が
行える質量流量制御器（マスフローコントローラ）が広
く使用されている。このマスフローコントローラは質量
流量を検出するマスフローセンサと流量を制御する流量
制御弁からなっている。このマスフローセンサは、ガス
の流路の一部を加熱すると、その前後で測定した温度差
が質量流量に比例することを利用する。このために、例
えば被測定ガスが流通するセンサチューブの外側中央に
ガス加熱用のヒーター線を巻き、このヒーター線の両側
に温度検出用抵抗線を巻き、２つの温度検出用抵抗線に
他の２つの抵抗を組み合わせ、ブリッジ回路を構成して
いる。この構成により、ガスの流れがない場合には加熱
部の前後には温度差が生じず、両方の温度検出用抵抗線
の温度は同じになり、両温度検出用抵抗線の抵抗が等し
くなってブリッジ回路は平衡するが、ガスが流れると加
熱部の熱が上流側には伝わりにくくなり、下流側には伝
わりやすくなるので、上流側よりも下流側の温度検出用
抵抗線の温度の方が高くなり、抵抗も高くなる。それに
より、このブリッジ回路が不均衡となる。そして、この
温度差はセンサチューブ内に流れるガスの質量に比例
し、また温度差に応じて温度検出用抵抗の抵抗値が変化
する。このため、ブリッジ回路の出力によって質量流量
を検出することができる。

【０００３】このように、マスフローセンサによれば、
ヒーター前後の温度変化により、質量流量を検出するた
め、原理的にガスの圧力や温度の影響を受けない。そこ
で、このマスフローセンサの検出値を用いて、流量制御
弁（アクチュエータ）を制御することにより、精密なガ
ス質量流量の制御を行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
熱式のマスフローセンサは、その検出原理により、その
応答が熱容量に依存する。そこで、センサの動作速度が
遅く、過渡応答が遅いという問題点があった。また、流
量制御弁に熱式のアクチュエータ（例えば、熱膨張を応
用し弁の開度調整を行うサーマルバルブ）を用いると、
組み立て品（アッセンブリ）としてのマスフローコント
ローラの動作速度が低速となってしまうという問題点が
あった。すなわち、このようなマスフローコントローラ
によれば、流量が安定するまで、通常数十秒必要であっ
た。

【０００５】一方、半導体素子の製造等の生産技術の高
度化に伴い、ガス流量制御においても、さらに高精度で
しかも高速な応答性を持つ流量制御の要求が高まってき
ている。そこで、流量制御弁において従来の原理的に低
速な熱式のアクチュエータに代えて、原理的に高速動作
が可能なピエゾ式のアクチュエータを採用することも提
案されている。このピエゾ式のアクチュエータは、電圧
の印加により、圧電素子が歪むことを利用するもので、
熱式のものに比べ非常に動作速度が速い。そこで、この
ピエゾ式のアクチュエータを使用して、約２秒で応答す
るマスフローコントローラや、０．２秒で応答する高速
なマスフローコントローラも開発されている。

【０００６】しかし、用途によっては、さらに高速な、
例えば０．０１秒程度の超高速な応答が要求される場合
もある。すなわち、正弦波形の入力に対する応答におい
て数十Ｈｚ程度まで平坦な周波数特性を維持できるガス
流量制御が要求される場合もある。このような場合に、
上述のようなマスフローコントローラでは、対応できな
い。すなわち、従来のマスフローコントローラにおいて
は、アクチュエータの高速化が図られているが、熱式の
マスフローセンサを使用している限り、このような応答
の高速化を達成することができない。

【０００７】一方、熱式のマスフローセンサの高速化を
図るには、流量検出部の熱容量を小さくすれば良い。そ
のためには、流量検出部を超小形化することが必須要件
である。しかし、流量検出部の超小型化には、製造技術
上の困難があると共に、流量検出部を小型化すればする
ほど、使用するガス中に含まれる微細な塵の流量検出部
への付着の影響が大きくなり、これに起因する誤差が大
きくなってしまうという問題がある。

【０００８】従って、上述のような０．０１秒程度の超
高速な応答が可能なマスフローコントローラは、熱式の
マスフローセンサを利用したのでは実現できないという
問題点があった。

【０００９】本発明は、精密でしかも０．０１秒程度の
超高速な応答性能（すなわち、数十Ｈｚまで平坦な周波
数特性）を持つガス質量流量制御器を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る質量流量制
御器は、被測定ガスを流通せしめるパイプと、このパイ
プ内に流通するガスの温度を計測する温度センサと、こ
の温度センサの検出温度に応じて制御され、パイプ内に
流通するガスの温度を一定に保持する熱交換器と、この
熱交換器から流出するガスの流れを所定の層流にするこ
とにより、流量に比例した圧力降下に変換する層流エレ
メントとこの層流エレメントの上流側と下流側との圧力
差を検出する差圧センサとを含みパイプ内に流通するガ
スの体積流量を計測する層流流量計と、この層流流量計
におけるガスの圧力を計測する圧力計と、この圧力計の
測定値に応じて制御され、パイプ内のガスの圧力を一定
に保持する開度調節弁と、パイプ内のガスの流量を制御
するサーボバルブ、サーボバルブを駆動するバルブドラ
イバー及び層流流量計の出力と流量指令値との偏差に基
づいてバルブ開度の加減をバルブドライバーに指令する
偏差増幅器と、を有し、層流流量計の計測値に基づいて
パイプ内に流通するガスの質量流量を、サーボバルブに
より制御することを特徴とする。

【００１１】

【作用・効果】本発明の熱交換器では、温度センサの出
力値に応じて、熱交換器を制御することによりパイプ内
のガス温度が一定に制御される。そこで、層流流量計は
常に一定温度のガスの体積流量を計測することになる。

【００１２】また、圧力計の測定値を基に開度調節弁の
開度を制御してパイプ内のガス圧力を一定に維持する。
このため、層流流量計は常に一定圧力のガスの体積流量
を計測する。このように、一定温度、一定圧力の体積流
量を計測することにより、質量流量を計測することがで
きる。

【００１３】そして、サーボバルブを用いたため、高速
で正確な流量制御を行うことができ、０．０１秒程度の
高速応答が可能である。また、層流流量計は、高精度の
体積流量の計測が行えるため、質量流量の精度を誤差
０．１％という高精度のものとできる。

【００１４】また、層流流量計における差圧の検出の際
にはその温度変化の影響を受けて温度ドリフトを生じて
誤差が大きくなる。そこで、温度ドリフトが起こらない
ようにして、高精度の測定するためには、差圧センサを
恒温槽に収容すると良い。さらに、サーボバルブの制御
系のゲインを高周波領域で小さく、低周波領域で大きく
なるように設定することによって、制御の振動を抑制し
つつ高速の追従が可能となる。また、サーボバルブの制
御系のゲインをガスの流量が大きい時に大きくなるよう
にすることによって、ゲインの最適化を図ることがで
き、高速の応答性を維持しつつ、振動の発生を抑制でき
る。

【００１５】また、温度を一定に保持する代わりに、検
出した温度によって層流流量計で測定した体積流量を補
正してもよく、更に圧力を一定に保持する代わりに測定
した圧力によって層流流量計で測定した体積流量を補正
しても良い。これらによっても上述の場合と同様の効果
が得られる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。

【００１７】第１実施例図１は、全体構成を示すブロック図であり、被測定ガス
は、パイプ１０内に流通させられる。

【００１８】パイプ１０の上流側には、熱交換器１２が
取り付けられている。この熱交換器１２は、水循環装置
１４からの所定温度の水を循環し、パイプ１０内のガス
との熱交換を行い、ガスの温度を制御する。ここで、熱
交換器１２は、ガスとの接触面積を大きくするために、
パイプ１０内に所定のフィンを突出させたものとすると
良い。また、熱交換器１２はパイプ１０内のガスの温度
を制御できるものであればどのようなものでも良く、水
の代わりに他の冷媒を循環するものでもよい。熱交換器
１２の下流側には、温度検出器１６が設けられている。
この温度検出器１６としては、どのようなタイプのもの
でも利用可能であるが、検出結果を電気信号（温度信
号）として出力できる必要がある。例えば、ステンレス
性のシース中に白金抵抗素子を挿入配置すると共に、両
者のギャップにＭｇＯを充填した測温部を有するもの等
が好適である。そして、この温度検出器１６の温度信号
は、温度調節器１８に供給される。この温度調節器１８
は、入力される温度信号に応じて、水循環装置１４を制
御するものであり、この例においては温度検出器１６に
よって検出される温度が一定の値となるように水循環装
置１４における水の温度及び循環量を制御する。

【００１９】このように、温度検出器１６における温度
検出値に応じて温度調節器１８が水循環装置１４を制御
し、熱交換器１２による熱交換を制御することでパイプ
１０内の熱交換器１２から流出されるガスの温度を常に
一定に保つことができる。なお、熱交換器１２の能力等
は、パイプ１０に流通されるガスの流量等の条件に基づ
いて設定する。

【００２０】温度検出器１６の下流側には、サーボバル
ブ２が設けられており、このサーボバルブの開度を調整
することによって、パイプ１０内に所定流量のガスが流
通させられる。このサーボバルブ２の開度は、偏差増幅
器４からの信号に応じてバルブドライバー６が制御する
が、この制御については後述する。

【００２１】次に、サーボバルブ２の下流側には層流エ
レメント２０が設けられている。この層流エレメント２
０は、パイプ１０内のガスの流れを層流にするものであ
り、例えばステンレス鋼の長い薄板を波形に成形し、同
様の長い薄板の平坦な物と重ね合わせて渦巻状に巻いて
形成される。そこで、パイプ１０のガスの流れ方向から
見た場合には、台形の壁面を有する毛細管を流路の断面
一杯に無数に束ねた構成を有している。そして、この層
流エレメント１０の上流側と下流側の圧力差は差圧セン
サ２２によって検出され、検出された差圧が差圧アンプ
２４に供給される。

【００２２】差圧センサ２２としては、例えば差圧によ
り駆動されるダイヤフラムの両側にピックアップコイル
を配置し、ダイヤフラムの変位量をピックアップコイル
のインダクタンス変化として検出するものなどが好適で
あり、また差圧アンプ２４はインダクタンス変化により
得られる微小な信号を十分な大きさの信号に増幅すると
共に、差圧を表す信号に復調するものである。

【００２３】そして、実際の層流エレメント２０におけ
る圧力降下ΔＰは、基本的にはハーゲン・ポアズイユの
法則により、パイプ１０内のガスの流量に比例する。そ
こで、差圧センサ２２により検出した差圧ΔＰより、パ
イプ１０内におけるガスの流量を計測することができ
る。

【００２４】ここで、層流エレメント２０は、気体の流
量と粘性に比例した圧力降下を発生する。そして、気体
の粘性の大きな温度依存性により、その計測感度の温度
依存性が非常に大きい。また、層流エレメント２０の圧
力降下を大きくすると、出力における直線性が悪くな
り、計測精度が落ちることから、フルスケール時の圧力
降下は７０ｍｍＡｑ程度の小さなものとしなければなら
ない。従って、差圧センサ２２は、小さな圧力差を十分
に検出できる高感度のものが必要となる。一方、高感度
な圧力計は、ダイヤフラムの直径が大きくて厚さが薄い
などのデリケートな形状寸法を有し、零点の温度ドリフ
トが大きい。そこで、温度が変化すると精度が悪化す
る。

【００２５】ところが、本実施例においては、層流エレ
メント２０の流入側において熱交換器１２が設けられ、
これによって層流エレメント２０に流入するガスの温度
が一定となっている。さらに、熱交換器１２、温度検出
器１６、層流エレメント２０、差圧センサ２２は、恒温
槽３４の内部に収容されている。そこで、層流エレメン
ト２０を通過する際のガスの温度は常に一定となってい
るので、気体の粘性の大きな温度依存性の影響を受ける
ことなく、層流エレメント２０の前後において流量に比
例した正確な圧力降下を得ることができる。

【００２６】また、差圧センサ２２全体が恒温槽３４内
に収容されているため、差圧センサ２２における温度変
化が実質的にない。そこで、差圧センサ２２が常に一定
の温度条件下で作動でき、零点の温度ドリフトを減少
し、精度の高い差圧検出を行うことができる。なお、恒
温槽３４は、雰囲気の温度を一定に保持できれば、どの
ようなタイプのものでも良く、通常密閉室とこの室内の
温度調節装置からなる。次に、層流エレメント２０の下
流側には、例えば静電容量型の圧力計からなる絶対圧セ
ンサ２６が取り付けられ、ここにおけるパイプ１０の静
圧が検出される。そして、この絶対圧センサ２６の検出
値は偏差増幅器２８に供給される。一方、絶対圧センサ
２６の下流側には開度調節弁３０が設けられており、こ
の開度調節弁３０は、偏差増幅器２８からの信号によっ
て制御されるバルブドライバー３２によってその開度が
調節される。開度調節弁としてはサーボバルブの構成を
有するものが過渡応答性に優れていることから適する。
すなわち、この例においては絶対圧センサ２６の検出値
が常に一定になるようにバルブドライバー３２が開度調
節弁３０の開度を調節する。このため、層流エレメント
２０の下流側の圧力は常に一定に保持され、これによっ
て層流エレメント２０の内部および上流側の圧力も上述
の微細な圧力降下の部分を除いてほぼ一定となる。

【００２７】このように、層流エレメント２０における
温度、圧力は常に一定に制御されるため、差圧センサ２
２において検出された体積流量は、質量流量に正確に比
例することになる。そして、偏差増幅器４は入力される
指令値に応じて、バルブドライバー６を介しサーボバル
ブ２の開度を調整するとともに、差圧センサ２２の検出
値が差圧アンプを介し、偏差増幅器４に供給される。そ
こで、サーボバルブ２の開度は、パイプ１０内に流通さ
れているガスの質量流量によってフィードバック制御さ
れることになり、パイプ１０内のガスの質量流量を正確
に指令値に制御することができる。なお、サーボバルブ
２を層流エレメント２０の直前に配置することにより、
サーボバルブ２の制御結果が層流エレメント２０に伝達
される時間を最小限にし、より高速な制御を可能にして
いる。

【００２８】ここで、サーボバルブ２は、バルブドライ
バー６から印加される入力電圧（または電流）に応じて
その開度が任意に設定できる構造を有している。サーボ
バルブは、例えば入力電圧に応じて、モータや電磁石等
を駆動し、それによりダイヤフラムやニードルを移動し
て弁の開度を調整するものである。そして、これらのサ
ーボバルブの内、電磁石により直接的に弁の開度が操作
されるタイプのものでは高速動作が可能であり、上述の
流量制御や圧力制御を非常に精密に行うことができる。
図４には、このタイプのサーボバルブの層流流量計出力
電圧（流量）とサーボバルブ駆動電圧の関係の一例を示
す。同図において、サーボバルブ駆動電圧の上昇時と下
降時において僅少なヒステリシスが認められるが、流量
制御上の重大な障害にはならない。また、全体的には非
直線的な特性なので、サーボバルブ駆動電圧の大きさに
よって匂配はかなり大きく変化するものの、それぞれの
局部においては両者に概ね直線的な関係があり、正確な
流量制御が行えることが分かる。

【００２９】そして、本実施例において、質量流量を制
御する場合には差圧アンプ２４からの出力値である質量
流量が所定値となるように、サーボバルブ２の開度を調
節し、パイプ１０内のガス流量を所望の値に制御するこ
とができる。また、開度調節弁３０もサーボバルブで構
成されており、絶対圧センサ２６から得られる圧力値が
変動しないように開度調節弁３０を制御することによ
り、パイプ１０内のガス圧力を一定値に維持することが
できる。

【００３０】ここで、サーボバルブは、高速性に優れる
が、制御系のゲイン、すなわち偏差増幅器２８の増幅率
（ゲイン）を高くすると、弁開度（流量）が振動的にな
りやすい。図５には、その様な振動的な特性を有するガ
ス流量制御系の指令値と追従値の変化波形の一例を示
す。

【００３１】一方、ゲインを低くすると、指令値に追従
した流量が得られず、十分な制御を行うことができな
い。そこで、本実施例においては、図２に示すように、
サーボバルブを制御するための偏差増幅器の周波数特性
を、低周波領域では定常偏差が小さくなるようにゲイン
を高くし、高周波領域ではサーボバルブの開度が振動し
ないようにゲインを低くした。同図中に示されたよう
に、本例では偏差増幅器は偏差演算部、積分演算部およ
び高倍率増幅部の三つの部分から構成されている。偏差
演算部は、流量指令値に対応する電圧と計測された流量
に対応する電圧との偏差を演算する部分である。積分演
算部は偏差演算部の出力電圧の積分を行う部分である。
さらに、高倍率増幅部は、積分演算部の出力電圧を１０
０倍増幅する部分である。

【００３２】図２にはそれらの三者の内で演算増幅部の
みのゲイン特性が示されている。偏差増幅器全体即ちそ
れら三者の総合された特性は、図２の特性の縦軸の数値
を１００倍した値である。

【００３３】図中の一点鎖線は、ガラス質量流量制御器
を最適な過渡応答特性にすべく、積分時定数を種々に変
化させた場合のゲイン特性であり、実線は、その結果最
も良好な過渡応答特性が得られた場合のゲイン特性であ
る。これにより、低周波数領域では指令値と制御値の僅
かな偏差も大きく増幅して負帰還され、定常偏差はゼロ
に近い無視できるような値とできる。また、高周波領域
ではゲインが低いことにより、振動のない安定な制御を
行うことができる。

【００３４】また、流量制御の安定性と高速性を両立さ
せるためには、開度調節弁３０の制御ループのゲインの
最適化を図る必要がある。ところが、その最適ゲインは
流量の値（サーボバルブの開口度）によっても大きく異
なる。図６にはサーボバルブと層流流量計を合わせたゲ
インの周波数特性を測定するための構成を示す。図７お
よび図８にはサーボバルブへの直流の印加電圧を変えて
（すなわち流量を変えて）、同構成によりその直流印加
電圧に重畳させた微小な交流電圧により測定された周波
数特性の一例を示す。両図より明らかなように、サーボ
バルブへの直流印加電圧の大きさにより、低周波域およ
び位相反転周波数でのゲインが大きく異なっていること
が分かる。さらに図９には、他の直流印加電圧の場合の
測定例をも加えてまとめた、位相反転周波数でのゲイン
の駆動電圧中直流分依存性を示す。同図中、○印は、図
７及び図８（並びに他の実験例も含めた）の位相反転周
波数でのゲイン（ｄＢ）を示す。また、破線は、図４の
曲線の微分値から換算されたゲイン（ｄＢ）を、Ｙ軸上
で平行移動させて、○印で示されたデータになるべく近
い値になるようにフィッティングさせたものを示す。

【００３５】安定な制御のためには位相反転周波数にお
けるサーボバルブ、層流流量計及び偏差増幅器を含めた
制御系全体のループゲインを、−１０ｄＢ（０．３１６
倍）程度に抑制しなければならない。また、前述のごと
く低周波域でのゲインをなるべく高くしておくことによ
り定常偏差の少ない良好な制御が期待できる。偏差増幅
器のゲインは制御系全体のループゲインから、サーボバ
ルブと層流流量計を合わせたゲインを差し引いたもので
ある。

【００３６】図３には、そのようにして図９から求めた
偏差増幅器の位相反転周波数における最適ゲイン（ｄＢ
表示）の駆動電圧中直流分依存性を示す。同図中、△印
は、図７及び図８（並びに他の実験例も含めた）の位相
反転周波数でのゲインから求めた最適ゲインを示す。ま
た、破線は、図４の曲線の微分値から換算されたゲイン
（ｄＢ）をＸ軸上で反転させた後に、Ｙ軸上で平行移動
させて、△印で示されたデータになるべく近くなるよう
にフィッティングさせたものを示す。図より明らかなよ
うに、サーボバルブの駆動電圧が大きくなるにつれて偏
差増幅器のゲインを高くしなければならないことが分か
る。また、図１０には図３の最適ゲイン（ｄＢ表示）
を、倍率表示に直したものを示す。また、△印及び破線
で示された内容は図３の場合と同様である。すなわち、
流量が小さい場合には、サーボバルブの単位時間当たり
の開度変更は小さい方が良いが、流量が大きい場合には
サーボバルブの単位時間当たりの開度変更を大きくしな
ければ十分な制御を行うことができない。

【００３７】そこで、本実施例においては流量指令値が
小さい場合にはゲインが小さくなり、逆に流量指令値が
大きい場合にはゲインが大きくなるように、偏差増幅器
を図１１に示すように偏差演算部４２、積分演算部４
４、高倍率増幅部４６及び出力段アンプ４８の４つの要
素からなる構成とした。

【００３８】偏差演算部４２は指令値と追従値の偏差の
演算を行う部分、積分演算部４４は低周波ではゲインが
高く、逆に高周波ではゲインが低くなるように最適な周
波数特性を得るための部分、高倍率増幅部４６は小さな
偏差で良好な制御が行われるようにする部分、出力段ア
ンプ４８はサーボバルブを駆動するのに必要な大きさの
電圧と電流を供給するための電力増幅器である。

【００３９】そして、サーボバルブを駆動する出力段の
アンプに非線形特性を持たせた。

【００４０】図１２には、出力段アンプの出力電圧と入
力電圧との関係を示す。同図中、実線は、図４のサーボ
バルブの流量−駆動電圧特性から求めた本来あるべき曲
線を示す。また、破線は実線で示された曲線を２次式に
より近似した値を示す。ここで２次式とは、出力電圧を
Ｙとし、入力電圧をＸとした時に、Ｙ＝ａ＋ｂＸ＋ｃＸ² である。右辺の各項の係数はそれぞれ以下の通りであ
る。

【００４１】ａ＝１．６８３（Ｘ＞０）＝０（Ｘ＜０）ｂ＝０．３０２７ｃ＝０．０５２７９図より明らかなように、本ケースでは簡単な２次式を用
いることにより良く近似できることが分かる。また、場
合によって２乗や３乗の冪乗特性または指数関数的特性
を用いるのも有効である。これによって、流量指令値が
大きい場合にゲインが自動的に大きくなり、偏差増幅器
４及び２８におけるゲイン調整を行うことができ、安定
で高速の流量制御を行うことができる。ゲインにこのよ
うな特性を持たせることにより、サーボバルブ２及び開
度調節弁３０の開度５％〜９５％を極めて広い範囲にお
いて振動の少なく且つ応答の速い優れた制御を行うこと
ができる。図１３には積分演算部の積分時定数を様々に
加減して、本ガス流量制御器の周波数特性を測定し、最
適な時定数を実験的に求めたときの試験結果を示す。同
図より明らかなように、積分時定数を１．０（ｓｅｃ）
に設定した場合に、位相反転周波数でのゲインが−１０
ｄＢとなり、安定で且つ高速に応答する最適な周波数特
性が得られることが分かった。

【００４２】図１４には、その場合のステップ的な指令
値の変化に対する追従値の変化波形を示す。同図より明
らかなように６３％応答で０．００８ｓｅｃと従来品と
比較して桁違いに高速な優れた応答特性が得られた。

【００４３】また、恒温槽３４および熱交換器１２出口
でのガス温度の制御を行うことによって、室温が２５℃
〜３５℃の広い範囲で変化をするにもかかわらず、誤差
０．１％という高精度の質量流量計測を行うことが可能
となった。

【００４４】第２実施例図１５は、第２実施例の構成を示すブロック図であり、
この例ではサーボバルブ２を熱交換器１２の上流側に設
け、恒温槽３４の外に配置している。そこで、恒温槽を
小型化できる。

【００４５】第３実施例図１６は、第３実施例の構成を示すブロック図であり、
この例では熱交換器１２、水循環器１４、温度調節器１
８、恒温槽３４を省略している。従って、パイプ１０内
に流通するガスはその温度が変化する。しかし、本例で
は、温度補正演算部４０を有しており、この温度補正演
算部４０が、温度検出器１６で検出したパイプ１０内に
流通するガスの温度に応じた補正演算を行う。すなわ
ち、温度補正演算部４０は、差圧アンプ２４から供給さ
れる体積流量の検出値をその時の温度に応じて質量流量
に換算する（体積の温度依存性を補正する）。従って、
偏差増幅器４に供給される信号は、正しい質量流量につ
いてのものになり、これに応じてサーボバルブ２が制御
されるため、パイプ１０内のガス流量を指令値に対応し
た質量流量に制御することができる。

【００４６】第４実施例図１７は、第４実施例の構成を示すブロック図であり、
この例では偏差増幅器２８、バルブドライバー３２を省
略している。従って、パイプ１０内に流通するガスはそ
の圧力が変化する。しかし、本例では、圧力補正演算部
４２を有しており、この圧力補正演算部４２が、絶対圧
センサ２６で検出したパイプ１０内に流通するガスの圧
力に応じた補正演算を行う。すなわち、圧力補正演算部
４２は、差圧アンプ２４から供給される体積流量の検出
値をその時の圧力に応じて質量流量に換算する（体積の
圧力依存性を補正する）。従って、偏差増幅器４に供給
される信号は、正しい質量流量についてのものになり、
これに応じてサーボバルブ２が制御されるため、パイプ
１０内のガス流量を指令値に対応した質量流量に制御す
ることができる。

【００４７】第５実施例図１８は、第５実施例の構成を示すブロック図であり、
この例では熱交換器１２、水循環器１４、温度調節器１
８、恒温槽３４、偏差増幅器２８、バルブドライバー３
２を省略している。従って、パイプ１０内に流通するガ
スはその温度及び圧力が変化する。しかし、本例では、
温度・圧力補正演算部４４を有しており、この温度・圧
力補正演算部４４が、温度検出器１６及び絶対圧センサ
２６で検出したパイプ１０内に流通するガスの温度及び
圧力に応じた補正演算を行う。すなわち、温度・圧力補
正演算部４４は、差圧アンプ２４から供給される体積流
量の検出値をその時の温度及び圧力に応じて質量流量に
換算する（体積の温度及び圧力依存性を補正する）。従
って、偏差増幅器４に供給される信号は、正しい質量流
量についてのものになり、これに応じてサーボバルブ２
が制御されるため、パイプ１０内のガス流量を指令値に
対応した質量流量に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】偏差増幅器２８のゲインの周波数特性図であ
る。

【図３】偏差増幅器２８の位相反転周波数における最適
ゲインのサーボバルブ駆動電圧依存性をを示す特性図で
ある。

【図４】サーボバルブの流量と駆動電圧との関係を示す
特性図である。

【図５】振動的な特性を有するガス流量制御系での指令
値と追従値の関係を示す特性図である。

【図６】サーボバルブと層流流量計を合わせた周波数特
性を測定するための構成を示す図である。

【図７】サーボバルブと層流流量計を合わせた周波数特
性（印加電圧３Ｖ）を示す図である。

【図８】サーボバルブと層流流量計を合わせた周波数特
性（印加電圧５Ｖ）を示す図である。

【図９】低周波数域及び位相反転周波数でのゲインの印
加電圧依存性を示す特性図である。

【図１０】偏差増幅器２８の位相反転周波数における最
適ゲインのサーボバルブ駆動電圧依存性を示す特性図で
ある。

【図１１】偏差増幅器の構成を示す図である。

【図１２】サーボバルブを駆動する出力段のアンプの入
出力間特性を示す図である。

【図１３】本ガス質量流量の制御器の周波数特性を示す
図である。

【図１４】本ガス質量流量制御器の高速なステップ応答
性を示す特性図である。

【図１５】本発明の第２実施例の構成を示すブロック図
である。

【図１６】本発明の第３実施例の構成を示すブロック図
である。

【図１７】本発明の第４実施例の構成を示すブロック図
である。

【図１８】本発明の第５実施例の構成を示すブロック図
である。

【符号の説明】

２サーボバルブ４偏差増幅器６バルブドライバー１０パイプ１２熱交換器２０層流エレメント２２差圧センサ２６絶対圧センサ２８偏差増幅器３０開度調節弁３４恒温槽４０温度補正演算部４２圧力補正演算部４４温度・圧力補正演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井正行愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者片山直貴愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者山田靖愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者高橋英昭愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者鈴木勝博愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガスを流通せしめるパイプと、このパイプ内に流通するガスの温度を計測する温度セン
サと、この温度センサの検出温度に応じて制御され、パイプ内
に流通するガスの温度を一定に保持する熱交換器と、この熱交換器から流出するガスの流れを所定の層流にす
ることにより、流量に比例した圧力降下に変換する層流
エレメントと、この層流エレメントの上流側と下流側と
の圧力差を検出する差圧センサとを含み、パイプ内に流
通するガスの体積流量を計測する層流流量計と、この層流流量計におけるガスの圧力を計測する圧力計
と、この圧力計の測定値に応じて制御され、パイプ内のガス
の圧力を一定に保持する開度調節弁と、パイプ内のガスの流量を制御するサーボバルブ、サーボ
バルブを駆動するバルブドライバー及び層流流量計の出
力と流量指令値との偏差に基づいてバルブ開度の加減を
バルブドライバーに指令する偏差増幅器と、を有し、層流流量計の計測値に基づいてパイプ内に流通するガス
の質量流量を、サーボバルブにより制御することを特徴
とするガス質量流量制御器。