JPWO2015030097A1 - 流量制御装置及び流量制御プログラム - Google Patents

Abstract

流量制御部が、センサモデル記憶部と、流量設定値を入力した場合に前記センサモデルが出力する流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブに印加するバルブ印加電圧を制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が流量設定値に対して所定の時間遅れを有した状態で流量模擬値を出力するように構成した。

Description

本発明は、流体の流量を制御するための流量制御装置及び流量制御プログラムに関するものである。

半導体製造プロセスで用いられる流量制御装置は、実流量値を、ユーザによって設定される流量設定値に対して短時間で追従させられる事が求められている。

このような要求に答えるために、例えば特許文献１に示される流量制御装置は、流量センサと、バルブと、前記バルブにより流量を制御する流量制御部を備え、前記流量制御部が、前記流量センサから出力される流量測定値によるフィードバック制御と設定される流量設定値によるフィードフォワード制御を組み合わせた２自由度制御によって前記バルブの開度を制御するよう構成されている。

すなわち、この流量制御装置はフィードバック制御によってオーバーシュート等を補償しつつ、フィードフォワード制御によって流量設定値に対して実流量値を高速で追従させることを意図している。

しかしながら、特許文献１に記載された２自由度型の流量制御装置であっても、過渡応答時における実流量値の応答特性を理想的なものに整形するのは難しい。

具体的に流量設定値としてステップ入力が入力されている場合の実流量値の応答について考えてみる。前記流量センサから出力される流量測定値は、流路に流れている流体の実流量値に対して時間遅れを有しているため、単純に流量設定値と流量測定値の偏差をフィードバックすると、過渡応答初期においては大きな偏差が発生することになる。したがって、過渡応答初期にはフィードフォワード制御により指定される本来必要な固定開度よりも大きな開度でバルブが制御されることになり、オーバーシュートが発生することになる。その後、このオーバーシュートが無くなるようにフィードバック制御によりバルブの開度が小さくなるように制御されることになる。

このように、前記流量センサで測定される流量測定値に時間遅れが存在すると、オーバーシュートが発生したり、ゲインを高くした場合に制御が不安定になったりする等、実流量値を流量設定値に追従するのが難しくなる。このような時間遅れによって生じる制御の問題は、流量センサが熱式流量センサの場合に特に顕著となる。

すなわち、２自由度型の流量制御を行う場合に適切な条件においてのみフィードバック制御が行われるようにすることは現状ではできていない。

米国公開特許公報ＵＳ２０１１／００５４７０２号

本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、流量センサから出力される流量測定値の時間遅れが流量制御に与える影響を小さくし、流量設定値に対して実流量値を高速で追従させられる流量制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の流量制御装置は、流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部と、を備え、前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値の出力するように構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記流量フィードバック制御部が、時間遅れを含む流量測定値と、前記流量模擬値出力部によって時間遅れが再現される流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するように構成されているので、出力される流量フィードバック値を流量センサの時間遅れを反映したものにできる。

したがって、過渡応答初期において流量センサの時間遅れに起因して過剰な流量フィードバック値がフィードバックされて前記バルブの開度が変更されることによるオーバーシュート等の問題を防ぐことができる。より具体的には、過渡応答初期においては前記流量フィードバック制御部からは流量フィードバック値は出力されず、前記バルブ制御部は流量フィードフォワード値で指定される流量設定値に適した電圧を前記バルブに印加し、その開度を固定させて実流量値の立ち上がり速度を高速にすることができる。

さらに、前記センサモデルについて時間遅れを含まずに簡易で正確なモデルとしつつ、時間遅れについても正確に再現できるようにするには、前記流量模擬値出力部は、前記流量センサで測定される流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成されていればよい。このようなものであれば、時間遅れについては流量模擬値の出力の開始タイミングで正確に再現できるので、前記流量模擬値出力部から出力される流量模擬値を簡易なモデル化だけで実際に前記流量センサから出力される流量測定値に近づけることができ、２自由度型の流量制御の応答特性を改善することができる。

外部温度の変化等の影響により前記バルブのＱ−Ｖ特性が変化した場合でも、常に流量フィードフォワード値に基づいた流量制御によって流量制御開始時から必要な開度で維持されるようにし、高速応答が実現されるようにするには、前記バルブ制御部が、前記バルブ印加電圧と、前記バルブ印加電圧が前記バルブに印加された場合に前記流路に流れる流体の流量との関係であるＱ−Ｖ特性を記憶するＱ−Ｖ特性記憶部と、前記Ｑ−Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値の和である流量入力値に対応するバルブ印加電圧を算出し、算出されたバルブ印加電圧を前記バルブに出力する電圧出力部と、から構成されており、流量フィードバック値に基づいて、前記Ｑ−Ｖ特性記憶部に記憶されているＱ−Ｖ特性を補正するＱ−Ｖ特性補正部をさらに備えたものであればよい。

オーバーシュート量等が低減され、過渡応答終了時に実流量値が略流量設定値と同じ値となるようにＱ−Ｖ特性が補正されるようにするには、前記Ｑ−Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値が正の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成されていればよい。また、前記Ｑ−Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値の絶対値に基づいて、前記Ｑ−Ｖ特性のＶ軸方向のオフセット量を決定するように構成すれば、記憶されているＱ−Ｖ特性と現在のＱ−Ｖ特性との乖離度を反映させて補正する事が可能となる。

簡易なモデルでありながらも流量センサの応答特性を精度よく同定でき、モデル化誤差をできる限り小さくして、流量制御の精度を高めることができるようにするには、流量設定値としてステップ入力が入力され、前記流量センサから出力される流量測定値が前記閾値を超えた以降の開ループ応答特性に基づいて前記センサモデルを同定するセンサモデル同定部をさらに備えたものであればよい。

通常の電圧制御を行った場合に前記バルブのＱ−Ｖ特性にヒステリシスが表れるようなものについて、ヒステリシスが表れにくくし、流量制御の応答特性を改善できるようにするには、前記バルブが、ピエゾバルブであり、前記ピエゾバルブと直列に接続されており、一端が接地された基準コンデンサをさらに備え、前記バルブ制御部が、前記ピエゾバルブに印加されている電圧を前記バルブ印加電圧で保つように構成されていればよい。

前記流量センサから出力される流量測定値の時間遅れが大きく、特に本発明の流量制御装置による流量制御の効果が表れやすいものとしては、前記流量センサが、熱式流量センサであるものが挙げられる。

既存の流量制御装置について、流量制御プログラムを上書きする等して、本発明の流量制御装置と同等の流量制御性能を実現できるようにするには、流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御プログラムを記憶した流量制御プログラム記憶媒体であって、前記流量制御プログラムが、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部としての機能を発揮させるものであり、前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する前記流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御プログラムを記憶した流量制御プログラム記憶媒体を用いればよい。また、このような流量制御プログラムは、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等の記憶媒体に記録しておき、イントール等の際に用いても構わない。

このように本発明の流量制御装置によれば、前記フィードバック制御部が、前記センサモデルに基づいて出力され、時間遅れが反映された流量模擬値と、前記流量センサで測定される流量測定値との偏差に基づいて流量フィードバック値を出力するように構成されているので、前記流量センサの時間遅れを反映させた流量フィードバックが可能となる。したがって、流量制御開始時における流量フィードバック値は略ゼロとなり、流量フィードフォワード値のみで前記バルブの開度が制御されるので、オーバーシュート等を起こすことなく実流量値の応答を高速化することができる。さらに、時間遅れについては流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始することで再現するようにしているので、簡便なセンサモデルで時間遅れを精度よく再現することができ、応答特性を改善することができる。

本発明の一実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。 同実施形態における流量制御部の詳細及び制御系を示す模式的ブロック線図。 同実施形態におけるセンサモデルの同定に使われる測定データについて示す模式的グラフ。 同実施形態における電圧出力部及びピエゾバルブの構成について示す回路図。 同実施形態におけるＦＦ制御及びＦＢ制御が行わる場合の１回目のステップ応答及びその各制御量ついて示す模式的グラフ。 同実施形態における１回目のステップ応答に基づいてＱ−Ｖ特性が補正された後の２回目のステップ応答及びその制御量ついて示す模式的グラフ。 本発明の別の実施形態における流量制御装置を示す模式図。

１００・・・マスフローコントローラ（流量制御装置）
１ ・・・ピエゾバルブ（バルブ）
１１ ・・・基準コンデンサ
１２ ・・・オペアンプ
２ ・・・熱式流量センサ（流量センサ）
２１ ・・・層流素子（流体抵抗）
２２ ・・・細管
２３ ・・・発熱抵抗
２４ ・・・流量測定値算出部
３ ・・・流量制御部
ＳＭ ・・・センサモデル部
３１ ・・・センサモデル記憶部
３２ ・・・流量模擬値出力部
３３ ・・・フィードバック制御部
３４ ・・・センサモデル同定部
ＶＣ ・・・バルブ制御部
３５ ・・・Ｑ−Ｖ特性記憶部
３６ ・・・電圧出力部
３７ ・・・Ｑ−Ｖ特性補正部

＜本実施形態の構成＞
本発明の一実施形態に係る流量制御装置について各図を参照しながら説明する。
本実施形態の流量制御装置は、例えば半導体製造プロセスにおいて基板に対して蒸着される物質を含んだガスを予め定められた流量設定値Ｑ_ｒで蒸着の行われるチャンバーを導入するために用いられるマスフローコントローラ１００である。

このマスフローコントローラ１００は、図１に示されるように半導体製造プロセス中においてチャンバーへと連なる流路に対して流入口及び流出口が取り付けられて、その流路を流れるガスの流量を制御するものである。より具体的には前記マスフローコントローラ１００は、内部流路ＦＣと、前記内部流路ＦＣ上に設けられたバルブ１と、前記内部流路ＦＣを流れる流体の流量を測定する流量センサ２と、前記バルブ１の制御や各種演算を行う演算機構ＣＯＭと、を備え、これらの各部が１つの筐体内に収容されてモジュール化されたものである。

各部について説明する。

前記バルブは、ピエゾバルブ１であって後述するように電圧制御ではなく、電荷制御によってその開度が制御されるものである。

前記流量センサ２は、流体の温度に基づいてその流量を測定する熱式流量センサ２であって、内部流路ＦＣ上に設けられた層流素子２１（流体抵抗）と、前記層流素子２１の前後をバイパスする金属製の細管２２と、前記細管２２の外側に巻き付けられた２つの発熱抵抗２３を有し、各発熱抵抗２３において温度が一定になるように保たれる定温度制御回路と、前記演算機構ＣＯＭによりその機能が実現されるものであり、各発熱抵抗２３に印加される電圧に基づいて流量を算出する流量測定値算出部２４と、から構成してある。この熱式流量センサ２は、圧力式流量センサと比較して、出力される流量測定値Ｑ_Ｍと、実際に内部流路ＦＣ内を流れている流体の実流量値Ｑ_ｒｅａｌとの間には大きな時間遅れが存在している。

前記演算機構ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器等を備えたいわゆるコンピュータであって、各機器が協業して前記メモリに格納されている流量制御プログラムを実行することにより、少なくとも前述した流量測定値算出部２４及び前記ピエゾバルブ１によって流体の流量を制御する流量制御部３としての機能を発揮するものである。

前記流量制御部３は、前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値Ｑ_Ｍと、ユーザにより設定される流量設定値Ｑ_ｒとに基づいて前記ピエゾバルブ１の開度を制御し、流体の流量を制御するものである。本実施形態では、フィードバック制御（ＦＢ制御）、フィードフォワード制御（ＦＦ制御）を組み合わせた２自由度制御によって前記流量制御部３は前記ピエゾバルブ１の開度を制御するように構成してある。そして、この流量制御部３は前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値Ｑ_Ｍの実流量値に対する時間遅れを考慮した流量制御を実現し、理想的な過渡応答特性及び定常特性を得られるようにしてある。

より具体的には図２の制御ブロック図に示すように前記流量制御部３は、ユーザにより設定される流量設定値Ｑ_ｒと前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値Ｑ_Ｍに基づいて流量フィードバック値Ｑ_ＦＢを生成するフィードバック制御系ＦＢＳと、流量設定値Ｑ_ｒに基づいて流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦを生成するフィードフォワード制御系ＦＦＳと、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢと、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦに基づいて前記ピエゾバルブ１に印加するバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴを制御して、当該ピエゾバルブ１の開度を制御するバルブ制御部ＶＣと、から構成してある。

前記フィードバック制御系ＦＢＳは、流量設定値Ｑ_ｒに基づいて前記熱式流量センサ２から現在出力されている流量測定値Ｑ_Ｍを模擬する流量模擬値Ｑ_ＳＩＭを出力するセンサモデル部ＳＭと、前記センサモデル部ＳＭで出力される流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと、前記熱式流量センサ２で実際に測定されている流量測定値Ｑ_Ｍに基づいて流量フィードバック値Ｑ_ＦＢを出力するフィードバック制御部３３と、から構成してある。

前記センサモデル部ＳＭは、流量設定値Ｑ_ｒを入力、流量測定値Ｑ_Ｍを出力とした場合の前記熱式流量センサ２の応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部３１と、流量設定値Ｑ_ｒを入力した場合に前記センサモデルが出力する流量値である流量模擬値Ｑ_ＳＩＭを出力する流量模擬値出力部３２とから構成してある。

前記センサモデル記憶部３１に記憶されているセンサモデルは、前記熱式流量センサ２の少なくともステップ応答特性を模擬するものであり、当該センサモデル記憶部３１は、その応答特性を表す伝達関数を記憶している。ここで注意すべきは、前記センサモデルは前記熱式流量センサ２をモデル化したものであって、前記ピエゾバルブ１及び前記バルブ制御部ＶＣはモデル化の対象となっていない点である。すなわち、時間経過や使用状態によってその応答特性が変化してしまうピエゾバルブ１をモデル内に含んでいないのでモデル化しやすく、しかも、大きなモデル化誤差を生まないようにできる。

前記センサモデル記憶部３１で記憶されているセンサモデルは、センサモデル同定部３４によって本実施形態のマスフローコントローラ１００を開ループ制御した場合に測定される流量測定値Ｑ_Ｍに基づいて同定されるものである。より具体的には、前記センサモデル同定部３４は前記マスフローコントローラ１００が流量制御モードではなくモデル同定モードに設定された場合にのみ動作するものである。そして、モデル同定モードにおいて前記センサモデル同定部３４は、図３（ａ）に示すように流量設定値Ｑ_ｒとしてステップ入力が入力され、前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値Ｑ_Ｍが所定の閾値ＴＨを超えた以降の開ループ応答特性を取得する。次に前記センサモデル同定部３４は、図３（ａ）において斜線によるハッチングが施してある領域であり、太線で示している無駄時間を略省いたステップ応答特性を、図３（ｂ）に示すように無駄時間を含まない形のステップ応答としてゼロ点へ平行移動させて、この平行移動後のステップ応答特性からセンサモデルの同定を行うように構成してある。

図２に示される前記流量模擬値出力部３２は、前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値Ｑ_Ｍが所定の閾値ＴＨ以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値Ｑ_ｒに基づいて流量模擬値Ｑ_ＳＩＭの出力を開始するように構成してある。より具体的には、前記流量模擬値出力部３２は流量設定値Ｑ_ｒの入力が始まり、流量制御が開始されても前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値Ｑ_Ｍが閾値ＴＨとなるまでの間は流量模擬値Ｑ_ＳＩＭとしてゼロを出力し続ける。前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値Ｑ_Ｍが閾値ＴＨを超えた場合には、流量模擬値出力部３２は、流量測定値Ｑ_Ｍが閾値ＴＨとなった時刻をゼロ点として前記センサモデル及び流量設定値Ｑ_ｒに基づいて流量模擬値Ｑ_ＳＩＭを算出するようにしてある。

図２に示される前記フィードバック制御部３３は、流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍの偏差に対してＰＩＤ演算を行い、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢを算出するように構成してある。すなわち、前記バルブ制御部ＶＣ及び前記ピエゾバルブ１が理想的に動作しており、流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍとの間に偏差がなくゼロの場合には、前記バルブ制御部ＶＣは流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで前記ピエゾバルブ１が制御されることになる。一方、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで前記ピエゾバルブ１の開度が制御されており、外乱等の影響により流量測定値Ｑ_Ｍが流量模擬値Ｑ_ＳＩＭとは異なる値となった場合には流量フィードバック値Ｑ_ＦＢが何らかの値を持つことになる。したがって、想定通りに流量測定値Ｑ_Ｍが出力されていない場合のみ流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦが流量フィードバック値Ｑ_ＦＢによって修正されて前記ピエゾバルブ１の開度が修正される条件付フィードバック構造となっている。

前記フィードフォワード制御系ＦＦＳは、本実施形態では受け付けられた流量設定値Ｑ_ｒをそのまま流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦとして前記バルブ制御部ＶＣへと出力するように構成してある。図２のブロック線図では該当箇所にブロックを記載していないが、厳密に記載するならば、入力された流量設定値Ｑ_ｒに対して１倍して、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦとして出力するフィードフォワード制御部（図示しない）として表される。

前記バルブ制御部ＶＣは、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦと流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの和が流量入力値Ｑ_ＩＮとして入力され、その流量入力値Ｑ_ＩＮを実現する前記ピエゾバルブ１の開度に対応するバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴを前記ピエゾバルブ１へ印加するように構成してある。より具体的には前記バルブ制御部ＶＣは、前記バルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴと、前記バルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴが印加された場合に流路に流れる流体の流量との関係であるＱ−Ｖ特性を記憶するＱ−Ｖ特性記憶部３５と、前記Ｑ−Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦ及び流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの和である流量入力値Ｑ_ＩＮに対応するバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴを算出し、算出されたバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴを前記ピエゾバルブ１に出力する電圧出力部３６と、から構成してある。

ところで、前記ピエゾバルブ１は電圧制御した場合、そのＱ−Ｖ特性にはヒステリシスが発生する事が知られている。本実施形態ではこのヒステリシスを表れにくくし、流量制御精度をより高めるために電荷制御により前記ピエゾバルブ１の開度を制御するようにしてある。すなわち、図４に示すように静電容量が温度変化等の外乱影響によって変化しにくい基準コンデンサ１１の一端を前記ピエゾバルブ１に対して直列に接続するとともに、他端を接地しておき、前記バルブ制御部ＶＣが、前記ピエゾバルブ１に印加されている電圧を前記バルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴで保つように構成してある。すなわち、前記ピエゾバルブ１の静電容量の両端において印加電圧で保たれるようにオペアンプ１２によりフィードバック回路が構成してある。このように構成することで、前記ピエゾバルブ１中の静電容量が変化したとしても同じ印加電圧が印加された場合には常に同じ電荷となるため、Ｑ−Ｖ特性のヒステリシスを略無くすことができる。以下の説明に用いられるＱ−Ｖ特性を示した図においてヒステリシスが示されていないのはこのような構成を前提としているためである。

さらに図２に示すように、本実施形態では流量フィードバック値Ｑ_ＦＢに基づいて、前記Ｑ−Ｖ特性記憶部３５に記憶されているＱ−Ｖ特性を補正するＱ−Ｖ特性補正部３７をさらに備えている。このＱ−Ｖ特性補正部３７は、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢが略ゼロで維持されており、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦによる流量制御のみで所望の応答特性を実現できている場合には、前記Ｑ−Ｖ特性を補正しない。一方、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢがゼロ以外の値が出ている場合には、この流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの積分値により前記Ｑ−Ｖ特性記憶部３５に記憶されているＱ−Ｖ特性について所定方向に平行移動させて補正し、次回のステップ応答時には流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで所望の応答特性が得られるようにする。

より具体的には、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７は、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの積分値が正の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成してある。

＜本実施形態の動作＞
以下に本実施形態のマスフローコントローラ１００の制御動作、及び、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７の補正動作について具体的な流量制御例を用いながら説明する。

まず、１回のステップ応答において流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦだけでは理想的な応答特性が得られなかった場合について図５を参照しながら説明する。

図５（ａ）には、流量設定値Ｑ_ｒとしてステップ入力が入力されている場合の実流量値Ｑ_ｒｅａｌ、流量模擬値Ｑ_ＳＩＭ、流量測定値Ｑ_Ｍの応答が示してある。なお、実流量値Ｑ_ｒｅａｌは前記熱式流量センサ２の出力を前記センサモデルの伝達関数の逆数に通すことで得ることができる。

図５においては、何らかの原因で前記ピエゾバルブ１のＱ−Ｖ特性が初期設定から変化しているため、実流量値Ｑ_ｒｅａｌはまずＦＦ制御によって実現される流量設定値Ｑ_ｒよりも小さい流量で一度安定し、その後ＦＢ制御によって偏差が修正されて流量設定値Ｑ_ｒ通りに安定している。

このような流量制御となる理由は概略以下の通りである。

前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値Ｑ_Ｍは実流量値Ｑ_ｒｅａｌに対して時間遅れを有しているので図５（ａ）に示すように流量測定値Ｑ_Ｍは実流量値Ｑ_ｒｅａｌの立ち上がり点から所定時間経過後に立ち上がることになる。この実流量値Ｑ_ｒｅａｌの立ち上がり点から流量測定値Ｑ_Ｍの立ち上がり点までの区間ある第１区間では、流量測定値Ｑ_Ｍが閾値ＴＨを超えていない状態なので前記センサモデル部ＳＭは流量模擬値Ｑ_ＳＩＭとしてゼロを出力し続けている。したがって、この第１区間においては流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍの偏差はゼロであるから図５（ｂ）に示すように前記フィードバック制御部３３も流量フィードバック値Ｑ_ＦＢとしてゼロを出力し続けている。すなわち、第１区間においてはＦＦ制御のみが行われているため流量設定値Ｑ_ｒと実流量値Ｑ_ｒｅａｌに偏差が生じていてもその偏差は修正されない。また、図５（ｃ）に示すように、この第１区間において前記バルブ制御部ＶＣは流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみによって現在のＱ−Ｖ特性から参照し、印加すべきバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴとして電圧Ｖ_ＳＥＴ１を取得して、その電圧Ｖ_ＳＥＴ１を前記ピエゾバルブ１に対して印加し続けている。

次に流量測定値Ｑ_Ｍの立ち上がり点以降の区間である第２区間では、流量測定値Ｑ_Ｍが閾値ＴＨを超えた時点から前記センサモデル部ＳＭはセンサモデルに基づいた流量模擬値Ｑ_ＳＩＭの出力を開始する。すると第２区間においては図５（ａ）のハッチング部分に示すように流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍとの間にゼロ以外の偏差が生じるので、図５（ｂ）に示すように前記フィードバック制御部３３はゼロ以外の流量フィードバック値Ｑ_ＦＢを出力してＦＢ制御を開始する。流量フィードバック値Ｑ_ＦＢは最終的に流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍの偏差が無くなった時点での値で一定となり、実流量値Ｑ_ｒｅａｌも流量設定値Ｑ_ｒの通りに安定することになる。また、図５（ｃ）に示すようにこの第２区間において前記バルブ制御部ＶＣは、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦと流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの和によって現在のＱ−Ｖ特性を参照し、印加すべきバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴとして電圧Ｖ_ＳＥＴ２を取得して、その電圧Ｖ_ＳＥＴ２を印加する。

このようにＦＦ制御だけでなくＦＢ制御も加えられることになるのは、前記Ｑ−Ｖ特性記憶部３５に記憶されている現在のＱ−Ｖ特性が図５（ｃ）に示すように太線で示すようなものであるのに対して、実際のＱ−Ｖ特性が想像線で示すような態様であり実際に印加されるべきバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴよりも小さい値が参照されているからである。

そこで、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７は流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで実際に印加されるべきバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴがＱ−Ｖ特性から取得されるようにＱ−Ｖ特性を補正し前記Ｑ−Ｖ特性記憶部３５に記憶させるよう動作する。

具体的には、図５（ｂ）のハッチング部分に示すように流量フィードバック値Ｑ_ＦＢが出力されており、所定期間内の積分値が正であった場合には、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７は、現在のＱ−Ｖ特性をＶ軸正方向へ平行移動させたＱ−Ｖ特性に補正する。この際の平行移動量については第２区間の安定状態で参照されていた電圧Ｖ_ＳＥＴ２が現在の流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦで参照されるように設定する。

逆に流量設定値Ｑ_ｒによりも大きな値で実流量値Ｑ_ｒｅａｌが安定してしまい、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢの積分値が負になるような場合には、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７は現在のＱ−Ｖ特性をＶ軸負方向へ平行移動させたＱ−Ｖ特性に補正する。

このように前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７によってＱ−Ｖ特性が補正された後の２回目のステップ応答について図６を参照しながら説明する。

図６（ａ）の第１区間においては図５と同様に流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみが出力されるが、１回目のステップ応答により前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７がＱ−Ｖ特性を補正しているので、図６（ｃ）に示すように流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで前記バルブ制御部ＶＣが取得するバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴは電圧Ｖ_ＳＥＴ２に変化する。このため、流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみでも目標である流量設定値Ｑ_ｒを略達成できるので、図６（ａ）、図６（ｂ）に示されるように流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍの偏差は略発生せず、ＦＢ制御もほとんど行われない。すなわち、ＦＦ制御のみで実質的に流量設定値Ｑ_ｒの通りに流量制御が実現される。

＜実施形態の効果＞
以上のように本実施形態のマスフローコントローラ１００によれば、前記センサモデル部ＳＭは流量測定値Ｑ_Ｍの値をトリガとして時間遅れを発生させた形でＦＦ制御が正常に実現した場合の理想的な流量模擬値Ｑ_ＳＩＭを出力できるように構成してあるので、前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値Ｑ_Ｍの時間遅れと合わせたものにできる。したがって、流量制御開始時に流量模擬値Ｑ_ＳＩＭと流量測定値Ｑ_Ｍの時間遅れが一致していないために大きな偏差が発生し、ＦＢ制御がかかり過ぎることでオーバーシュートが起こったり、制御が不安定になったりすることを防ぐことができる。

また、流量測定値Ｑ_Ｍの値をトリガとして時間遅れを実装しているので、前記センサモデル同定部３４はセンサモデルを時間遅れまで含んだ形の伝達関数として同定する必要がなく、モデル化精度を高めることができる。このことによってモデル化誤差を小さくして流量制御の安定性を高めることができる。

さらに、前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７が、流量フィードバック値Ｑ_ＦＢに基づいてＱ−Ｖ特性を流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦのみで適正なバルブ印加電圧Ｖ_ＳＥＴが印加されるように適宜補正していくように構成してあるので、略常に高速な応答を実現することができる。言い換えると、このマスフローコントローラ１００はＱ−Ｖ特性が正常な間は略流量フィードフォワード値Ｑ_ＦＦによるＦＦ制御のみで流量を制御し、高速応答を実現しているが、万が一、Ｑ−V特性が外乱影響等により変化した場合にはＦＢ制御が働き、多少の遅れは発生するものの流量設定値Ｑ_ｒは確実に実現される。さらに、このようなＱ−Ｖ特性の変化があり、ＦＢ制御が行われた場合には、併せて前記Ｑ−Ｖ特性補正部３７がＱ−Ｖ特性を実際の状態を表すものとなるように補正するので、次回以降のステップ応答については再びＦＦ制御のみで高速応答を実現できるようになる。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態では、バルブとしてピエゾバルブ、流量センサとして熱式流量センサを用いていたが、その他のものを用いても構わない。より具体的には、バルブとしてソレノイドバルブ等を用いてもよいし、流量センサとして圧力式流量センサを用いても構わない。また、バルブ、流量センサが内部流路上において並んでいる順番は図示されたものに限られず、様々な順番であってもよい。

例えば、前記センサモデル同定部、前記Ｑ−Ｖ特性補正部を省略した形でマスフローコントローラを構成してもよい。すなわち前記実施形態で示した２自由度型の流量制御装置を構成し、センサモデル、Ｑ−Ｖ特性については工場出荷時の状態を維持するようにしても構わない。また、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていればよく、前記実施形態に示した流量測定値をトリガ−として流量模擬値の出力を開始するものに限られない。
例えば、前記センサモデル記憶部に記憶されている流量センサのセンサモデルが時間遅れ要素を含んで同定されていないものの場合、前記流量模擬値出力部が流量設定値の入力が開始されて流量制御が開始されてから、所定時間経過後に流量設定値及びセンサモデルに基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成してもよい。あるいいは、前記センサモデル記憶部が実流量値に対する流量測定値の時間遅れを含めてモデル化されたセンサモデルを記憶している場合には、前記流量模擬値出力部は流量設定値の入力と同時に当該流量設定値とセンサモデルに基づいて流量模擬値の算出及び出力を開始するようにしてもよい。

前記実施形態では流量フィードフォワード値は、流量設定値と同じにしていたが、例えば流量設定値から時間変化率が大きすぎる部分等をＳ字補間する等したフィルタ後の値を流量フィードフォワード値として用いてもよい。

前記Ｑ−Ｖ特性補正部は、流量フィードバック値の積分値に基づいてＱ−Ｖ特性の補正する方向を定めていたが、その積分値に基づいて補正量まで決めても構わない。また、前記実施形態ではＱ−Ｖ特性をＶ軸方向に平行移動させることでＱ−Ｖ特性の補正を行っていたが、例えばＱ軸方向に平行移動させる、流量フィードバック値に基づいた所定の係数をＱ−Ｖ特性に掛ける、等様々な方法で補正しても構わない。
また、前記実施形態では平行移動によってＱ−Ｖ特性の全体について補正を行うように前記Ｑ−Ｖ特性補正部は構成されていたが、前記Ｑ−Ｖ特性補正部は、Ｑ−Ｖ特性の一部分のみを補正するように構成されたものであってもよい。例えば、流量設定値として設定されている流量に対応する部分のバルブ印加電圧のみをＱ軸又はＶ軸方向に補正してもよい。

前記実施形態のバルブ制御部は、電荷制御によりバルブの開度を制御するように構成してあったが、その他の制御態様であっても構わない。例えば、図７に示すようにバルブの開度を直接測定する開度センサ３８を用いて、流量測定値のフィードバックループとは別にバルブ開度制御用のマイナーループを形成したバルブ制御部ＶＣを構成してもよい。

より具体的には、図７に示すバルブ制御部ＶＣは、フィードフォワード制御系ＦＦＳとフィードバック制御系ＦＢＳにより算出される流量入力値Ｑ_ＩＮに基づいて、設定すべき開度を算出する開度算出部４０を備えている。前記開度算出部４０は、前記ピエゾバルブ１の流量−開度（コンダクタンス）との関係であるＱ−Ｃ特性を記憶するＱ−Ｃ特性記憶部３９を参照し、流量入力値Ｑ_ＩＮに対応する開度設定値を算出する。前記マイナーループを構成する前記電圧出力部３６は、前記実施形態とその構成が異なっており、前記開度センサ３８により測定されたピエゾバルブ１の現在の開度測定値と、前記開度設定値の偏差に基づいてピエゾバルブ１に印加する印加電圧Ｖ_ＳＥＴを決定し、前記ピエゾバルブ１へ出力するように構成してある。このようなものであれば、前記ピエゾバルブ１の開度を直接モニタリングし、その開度が開度設定値となるようにマイナーループによるフィードバック制御が行われるので、バルブの電圧−開度間におけるヒステリシスを低減し、精度の良い流量制御を実現することができる。なお、開度については弁体の位置を直接測定し、その位置から開度を求めてもよいし、その他の手段で間接的に開度を算出しても構わない。また、弁体の位置そのものをフィードバックして、流量制御を行うように構成して構わない。

上述したような前記バルブ制御部は、電荷制御又は開度制御でバルブの開度を制御するものだけでなく、バルブに印加する電圧を制御する電圧制御や、電流を制御する電流制御によって所望の開度又は流量を得られるように構成してもよい。
また、流量入力値Ｑ_ＩＮと、バルブのＱ−Ｖ特性やＱ−Ｃ特性に基づいて前記電圧出力部からバルブへ出力される電圧が決定していたが、さらに、バルブの上流側の圧力を考慮して、実現した流量に対応する開度がバルブで実現されるようにバルブ制御部を構成してもよい。より具体的には、前記実施形態等ではバルブの特性として２次元的なＱ−Ｖ特性やＱ−Ｃ特性を記憶部に記憶させていたが、さらに圧力軸を加えた３次元的なマップとなるＱ−Ｖ−Ｐ特性やＱ−Ｃ−Ｐ特性を記憶しておき、入力された流量入力値Ｑ_ＩＮと現在のバルブ上流側の圧力に対応する電圧Ｖや開度Ｃが出力されるようにバルブ制御部を構成してもよい。また、前記実施形態のＱ−Ｖ特性補正部は、流量フィードバック値に基づいてＱ−Ｖ−Ｐ特性、Ｑ−Ｃ−Ｐ特性を補正するＱ−Ｖ−Ｐ特性補正部、Ｑ−Ｃ−Ｐ特性補正部として構成してもよい。加えて、変位センサ等で測定された弁体の位置又は開度Ｔをフィードバックして流量Ｑを制御するように流量制御装置を構成している場合には、前記実施形態のＱ−Ｖ特性記憶部をＱ−Ｔ特性記憶部とするとともに、Ｑ−Ｖ特性補正部を流量フィードバック値に基づいてＱ−Ｔ特性を補正するＱ−Ｔ特性補正部として構成すればよい。さらに、前述したように前記バルブの上流側の圧力まで考慮して制御する場合には、前記Ｑ−Ｔ特性記憶部は圧力軸を含めた３次元の流量特性を記憶するＱ−Ｔ−Ｐ特性記憶部として構成してもよい。さらに、前記Ｑ−Ｔ特性補正部は、流量製フィードバック値に基づいてＱ−Ｔ−Ｐ特性を補正するＱ−Ｔ−Ｐ特性補正部として構成してもよい。

前記実施形態の２自由度型の制御系は、流量制御のために用いていたが例えば圧力制御のために用いても構わない。この場合、前記流量センサが圧力センサとなり、センサモデル部のセンサモデルは前記圧力センサの出力特性を模擬するものにすればよい。

また、前記実施形態に記載した流量制御部を構成するためのプログラムを既存の流量制御装置にインストールすれば同様の流量制御効果を得られるようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

本発明の流量制御装置を用いれば、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバー内に成分ガスを所定の流量で精度よく導入する事が可能となる。

Claims (9)

1. 流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、
   前記流路に設けられたバルブと、
   前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部と、を備え、
   前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、
   流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、
   流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、
   流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、
   前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
2. 前記流量模擬値出力部が、前記流量センサで測定される流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成されている請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記バルブ制御部が、前記バルブ印加電圧と、前記バルブ印加電圧が前記バルブに印加された場合に前記流路に流れる流体の流量との関係であるＱ−Ｖ特性を記憶するＱ−Ｖ特性記憶部と、
   前記Ｑ−Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値の和である流量入力値に対応するバルブ印加電圧を算出し、算出されたバルブ印加電圧を前記バルブに出力する電圧出力部と、から構成されており、
   流量フィードバック値に基づいて、前記Ｑ−Ｖ特性記憶部に記憶されているＱ−Ｖ特性を補正するＱ−Ｖ特性補正部をさらに備えた請求項１記載の流量制御装置。
4. 前記Ｑ−Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値が正の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ−Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成されている請求項３記載の流量制御装置。
5. 前記Ｑ−Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値の絶対値に基づいて、前記Ｑ−Ｖ特性のＶ軸方向のオフセット量を決定するように構成されている請求項４記載の流量制御装置。
6. 流量設定値としてステップ入力が入力され、前記流量センサから出力される流量測定値が前記閾値を超えた以降の開ループ応答特性に基づいて前記センサモデルを同定するセンサモデル同定部をさらに備えた請求項１に記載の流量制御装置。
7. 前記バルブが、ピエゾバルブであり、
   前記ピエゾバルブと直列に接続されており、一端が接地された基準コンデンサをさらに備え、
   前記バルブ制御部が、前記ピエゾバルブに印加されている電圧を前記バルブ印加電圧で保つように構成されている請求項１に記載の流量制御装置。
8. 前記流量センサが、熱式流量センサである請求項１に記載の流量制御装置。
9. 流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御プログラムであって、
   前記流量制御プログラムが、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
   前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、
   流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、
   流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、
   流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、
   前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御プログラム。
   

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