KR102339509B1 - 질량 유량 제어 장치 - Google Patents

Abstract

유량계에 의해 계측되는 가스의 계측 유량이 설정 유량과 일치하도록 유량 제어 밸브에 제어 신호를 출력하여 밸브 개방도를 제어하는 유량 제어를 실행하는 제어 수단은, 온도계에 의해 계측되는 가스의 계측 온도가 기준 온도보다도 높을수록 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 커지도록 제어 신호의 강도를 조정하고, 계측 온도가 기준 온도보다도 낮을수록 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 작아지도록 제어 신호의 강도를 조정한다. 이에 의해, 가스의 계측 온도가 기준 온도와 상이한 것에 기인하는 유량 제어 밸브의 밸브 개방도의 변경에 있어서의 응답 시간의 변화를 저감할 수 있다.

Description

질량 유량 제어 장치

본 발명은 반도체 제조 장치 등에 적합하게 사용할 수 있는 질량 유량 제어 장치에 관한 것이다.

질량 유량 제어 장치(매스 플로 컨트롤러)는, 예를 들어 반도체 제조 장치에 공급되는 가스의 유량을 제어하거나, 가스의 공급을 개시 또는 정지하거나 하는 것 등을 목적으로 하여 널리 사용되고 있다. 질량 유량 제어 장치는, 유량 제어 밸브, 유량계 및 제어 수단을 구비하고 있다.

유량 제어 밸브는, 제어 수단이 출력하는 제어 신호에 따라, 그 밸브 개방도가 변경(증감)된다. 여기서 「밸브 개방도」란, 유량 제어 밸브의 내부를 가스가 통과하는 경로 중 가장 좁은 부분의 단면적에 대응하는 값을 의미한다. 유량 제어 밸브의 밸브 개방도는, 상기 단면적의 최솟값에 대응하는 최솟값(예를 들어 제로)부터 상기 단면적의 최댓값에 대응하는 최댓값까지 사이의 임의의 값이 되도록 제어된다. 밸브 개방도가 최솟값(예를 들어 제로)일 때, 가스는 흐르지 않는다. 밸브 개방도가 최대일 때, 질량 유량 제어 장치가 공급하는 가스의 유량은 최대가 된다.

유량계는, 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 유량을 계측한다. 유량계의 교정(캘리브레이션)은, 일반적으로 어느 기준 온도(예를 들어 22℃)에 있어서 기준 가스(예를 들어 질소 가스)를 사용하여 행하여진다. 기준 가스와 상이한 종류의 가스의 유량을 제어하는 경우는, 가스의 물성값(예를 들어 비열 등)이 기준 가스의 물성값과 상이하기 때문에, 유량계에 의해 계측되는 가스의 유량에 오차가 발생한다. 이 경우, 가스의 종류마다 미리 구해진 환산 계수(컨버전 팩터: CF)를 사용하여 오차를 보정할 수 있다(예를 들어 특허문헌 1을 참조). 또한, 가스의 온도가 기준 온도와 상이한 경우는, 유량계에 의해 계측되는 가스의 유량을 가스의 온도에 기초하여 보정할 수 있다(예를 들어 특허문헌 2를 참조).

제어 수단은, 유량계에 의해 계측된 가스의 유량이 설정 유량과 일치하도록 유량 제어 밸브에 제어 신호를 출력하여 밸브 개방도를 제어한다. 소위 노멀 클로즈형의 유량 제어 밸브의 경우, 제어 신호의 강도(전압 강도 또는 전류 강도)가 최소(제로)일 때는 밸브 개방도가 최소(제로)가 되어 가스의 유량도 제로가 되고, 제어 신호의 강도가 최대일 때는 밸브 개방도가 최대가 되어 가스의 유량도 최대가 된다. 한편, 소위 노멀 오픈형의 유량 제어 밸브의 경우, 제어 신호의 강도(전압 강도 또는 전류 강도)가 최소일 때는 밸브 개방도가 최대가 되어 가스의 유량도 최대가 되고, 제어 신호의 강도가 최대일 때는 밸브 개방도가 최소(예를 들어 제로)가 되어 가스의 유량도 최소(예를 들어 제로)가 된다. 이와 같이, 제어 신호의 강도에 따라, 유량 제어 밸브의 밸브 개방도가 변경되고, 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 유량도 변화한다. 제어 수단은, 가스의 유량을 제어하는 방법으로서, 유량계에 의해 계측되는 가스의 유량을 제어량(controlled variable)으로 하는 피드백 제어를 실행할 수 있다.

예를 들어, 압전 소자를 사용하여 노멀 클로즈형의 유량 제어 밸브의 밸브 개방도를 변경하는 경우, 밸브 개방도는 압전 소자에 인가되는 전압 강도에 비례한다. 예를 들어, 밸브 개방도가 최대일 때의 압전 소자에 인가되는 전압 강도가 최댓값의 50V이고, 그때의 가스의 유량이 1slm(standard litter per minute)인 경우, 압전 소자에 인가되는 전압 강도를 25V(최댓값의 50％)로 하면, 밸브 개방도는 최대일 때의 50％가 되고, 가스의 유량은 0.5slm이 된다. 한편, 압전 소자를 사용하여 노멀 오픈형의 유량 제어 밸브의 밸브 개방도를 변경하는 경우, 압전 소자에 인가되는 전압 강도가 제로일 때에 밸브 개방도는 최대가 되고, 압전 소자에 인가되는 전압 강도가 높아짐에 따라 밸브 개방도는 작아진다. 예를 들어, 밸브 개방도를 제로로 하기 위하여 압전 소자에 인가되는 최소의 전압 강도가 50V인 경우, 압전 소자에 인가되는 전압 강도를 25V로 하면, 밸브 개방도는 최대일 때의 50％가 되고, 가스의 유량은 0.5slm이 된다. 또한, 상기 설명에 있어서 나타낸 압전 소자에 인가되는 전압 강도(제어 신호의 강도)와 밸브 개방도의 대응 관계는 어디까지나 일례이며, 이들의 구체적인 수치에 따라서는 본 발명의 범위는 한정되지 않는다.

일본 특허 공개 (평)8-54268호 공보 일본 특허 공개 제2004-93174호 공보

상기한 바와 같이, 종래 기술에 의하면, 유량계에 관해서는, 질량 유량 제어 장치를 통과하는 가스의 온도가 유량계를 교정했을 때의 기준 온도와 상이한 경우라도, 유량계에 의해 계측되는 가스의 유량을 가스의 온도에 기초하여 보정함으로써 가스의 정확한 유량을 구하는 것이 가능하다. 그러나, 유량 제어 밸브의 밸브 개방도에 관해서는, 가스의 온도 변화에 대한 특단의 배려는 이루어지고 있지 않다. 그 결과, 밸브 개방도가 일정해도, 가스의 온도가 상승되면 가스의 밀도가 감소되기 때문에 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 질량 유량은 감소되고, 가스의 온도가 저하되면 가스의 밀도가 증가되기 때문에 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 질량 유량은 증가된다.

상기한 바와 같이 가스의 온도 변화에 의해 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 밀도 및 질량 유량으로 변화가 발생한 경우라도, 유량계에 의해 계측되는 가스의 질량 유량이 가스의 온도에 기초하여 정확하게 보정되어 있는 한, 피드백 제어에 의해 가스의 질량 유량을 설정 유량과 일치하도록 제어하는 것은 가능하다. 그러나, 가스의 온도가 변화하면, 예를 들어 설정 유량이 제로로부터 제로가 아닌 값으로 변화했을 때의 가스의 유량의 상승에 요하는 시간(응답 시간)이 변화한다. 이 경우, 예를 들어 가스의 온도가 기준 온도보다도 높을 때의 응답 시간은, 가스의 온도가 기준 온도일 때의 응답 시간과 비교하여 길어진다. 반대로, 가스의 온도가 기준 온도보다도 낮을 때의 응답 시간은, 가스의 온도가 기준 온도일 때의 응답 시간과 비교하여 짧아진다. 이로 인해, 반도체 제조 장치에 가스가 실제로 공급되는 타이밍이 가스의 온도에 따라 변화하므로, 예를 들어 품질 관리상의 문제 등으로 연결될 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 가스의 온도가 기준 온도와 상이한 경우라도, 유량 제어 밸브의 밸브 개방도의 변경에 따른 가스의 유량의 변화에 있어서의 응답 시간의 변화를 저감할 수 있는 질량 유량 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치는, 밸브 개방도를 변경 가능하게 구성된 유량 제어 밸브와, 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 유량을 계측하도록 구성된 유량계와, 유량 제어 밸브에 제어 신호를 출력하여 밸브 개방도를 제어하도록 구성된 제어 수단을 갖는다. 제어 수단은, 유량계에 의해 계측되는 가스의 질량 유량인 계측 유량이 가스의 질량 유량의 목표값으로서 설정되는 설정 유량과 일치하도록 유량 제어 밸브에 제어 신호를 출력하여 밸브 개방도를 제어하는 유량 제어를 실행하도록 구성되어 있다.

또한, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치는, 가스의 온도를 계측하도록 구성된 온도계를 더 갖는다. 게다가, 제어 수단은, 상술한 유량 제어에 있어서, 신호 보정 처리를 실행하도록 구성되어 있다. 신호 보정 처리에 있어서, 제어 수단은, 온도계에 의해 계측되는 가스의 온도인 계측 온도가 소정의 기준 온도보다도 높은 경우는, 계측 온도로부터 기준 온도를 감산하여 얻어지는 차인 온도차의 절댓값이 클수록, 상술한 유량 제어에 있어서의 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 커지도록 제어 신호를 조정한다. 한편, 계측 온도가 기준 온도보다도 낮은 경우, 제어 수단은, 상기 온도차의 절댓값이 클수록, 상술한 유량 제어에 있어서의 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 작아지도록 제어 신호를 조정한다. 이렇게 조정된 제어 신호는, 이후 「보정 제어 신호」라고 칭해지는 경우가 있다.

상기 구성을 갖는 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 의하면, 조정된 제어 신호(보정 제어 신호)가 유량 제어 밸브에 출력되므로, 계측 온도와 기준 온도의 차에 기인하는 가스의 유량의 차가 없어지도록 유량 제어 밸브의 밸브 개방도가 조정된다. 그 결과, 유량 제어의 개시 직후부터 유량 제어 밸브가 보다 적절한 밸브 개방도로 제어된 상태에 있어서 가스가 흐르므로, 가스의 온도에 의해 응답 시간이 변화한다는 과제가 경감된다.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 유량 제어 밸브는, 제어 신호의 강도가 클수록 밸브 개방도가 커지도록 구성된다. 이 경우, 제어 수단은, 상술한 신호 보정 처리에 있어서, 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호의 강도의 값에 가산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성된다. 혹은, 유량 제어 밸브는, 제어 신호의 강도가 작을수록 밸브 개방도가 커지도록 구성된다. 이 경우, 제어 수단은, 상술한 신호 보정 처리에 있어서, 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호의 강도의 값으로부터 감산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의해, 간단한 수순에 의해 제어 신호의 강도의 조정(신호 보정 처리)을 행할 수 있다.

본 발명의 또 하나의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 제어 수단은, 소위 피드백 제어에 의해 상기 유량 제어를 실행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 제어 수단은, 상술한 유량 제어에 있어서, 설정 유량으로부터 계측 유량을 감산하여 얻어지는 차인 유량차의 절댓값이 소정의 역치 이상인 경우에 제어 신호의 강도를 변경함으로써 상기 유량의 차를 제로에 접근하도록 구성되어 있다.

또한, 상기 실시의 형태에 있어서, 상술한 유량 제어에 있어서의 제어 신호의 강도는, 설정 유량 및 계측 온도에 기초하여 정해지는 초기값과 상기 유량의 차에 기초하여 정해지는 보상값의 합으로서 구성될 수 있다. 이 경우, 제어 수단은, 상기 유량 제어에 있어서, 상기 초기값에 대해서만 상술한 신호 보정 처리를 실행하고, 상기 보상값에 대해서는 상술한 신호 보정 처리를 실행하지 않도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 가스의 온도가 기준 온도와 상이한 경우라도, 유량 제어 밸브의 밸브 개방도를 가스의 밀도의 온도 변화에 배려한 값으로 제어할 수 있으므로, 가스의 온도에 의한 응답 시간의 변화가 저감된다. 즉, 본 발명에 따르면, 유량 제어 밸브의 밸브 개방도의 변경에 따른 가스의 유량의 변화에 있어서의 응답 속도의 가스의 온도에 의한 변화가 저감된 질량 유량 제어 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치의 구성예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 실시예 1에 있어서의 질량 유량 제어 장치의 응답 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 2에 있어서의 질량 유량 제어 장치의 응답 파형의 예를 나타내는 그래프이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 여기에서 설명하는 실시 형태는 본 발명의 실시 형태를 예시하는 데 지나지 않고, 본 발명의 실시 형태는 여기에 예시하는 형태에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치의 구성예를 도시하는 도면이다. 도 1은 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치를 구성하는 부재 사이의 논리적인 관계를 나타내는 개념도이며, 각 부재의 물리적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치(1)는, 유량 제어 밸브(2)와, 유량계(3)와, 제어 수단(4)을 갖고 있다. 가스는, 질량 유량 제어 장치(1)에 설치된 유로(7)를 통하여 도 1의 좌측으로부터 우측을 향하여 흐른다(도 1에 도시한 백색 바탕의 화살표를 참조).

유량 제어 밸브(2)는 밸브 개폐 수단(2a)에 의해 밸브(2b)를 구동함으로써 밸브 개방도를 변경(증감)할 수 있도록 구성되어 있다. 밸브(2b)는 가스의 유로(7)에 설치되고, 상기한 바와 같이 밸브(2b)의 밸브 개방도에 따라 유로(7)를 흐르는 가스의 유량이 제어된다.

밸브(2b)는, 밸브의 개폐에 의해 가스의 유량을 제어할 수 있는 것이면 어떤 구조의 것을 사용해도 되지만, 질량 유량 제어 장치에 있어서는 일반적으로 다이어프램 밸브가 사용된다. 다이어프램 밸브의 경우, 가스는 다이어프램과 밸브 시트의 간극을 통하여 상류측으로부터 하류측으로 흐른다. 다이어프램과 밸브 시트의 간극의 단면적에 대응하는 값(예를 들어 최대 단면적에 대한 단면적의 비율 등)이 밸브 개방도가 된다. 밸브 개폐 수단(2a)은, 밸브(2b)를 구동하여 밸브 개방도를 변경(증감)하는 수단이며, 구체적으로는, 예를 들어 압전 소자 및 솔레노이드 코일 등을 들 수 있다.

유량계(3)는, 유량 제어 밸브(2)를 통과하는 가스의 질량 유량을 계측하도록 구성되어 있다. 유량계(3)는 유로(7)에 설치된다. 도 1에 있어서는, 유량계(3)는 유량 제어 밸브(2)의 상류측에 설치되어 있지만, 유량계(3)는 유로를 흐르는 가스의 질량 유량을 계측할 수 있는 장소라면, 유로(7)의 어느 위치에 설치되어도 된다. 유량계(3)로서는, 예를 들어 열식 유량계 및 압력식 유량계 등의 공지된 구조를 갖는 질량 유량계를 사용할 수 있다.

제어 수단(4)은, 유량계(3)에 의해 계측되는 가스의 질량 유량이 설정 유량과 일치하도록 유량 제어 밸브(2)에 출력되는 제어 신호(6)의 강도를 변경함으로써밸브 개방도를 제어하도록 구성되어 있다. 여기서 「설정 유량」이란, 유량 제어 밸브(2)를 통과하는 가스의 질량 유량의 목표값이며, 예를 들어 질량 유량 제어 장치(1)의 사용자가 도시하지 않은 입력 수단에 의해 제어 수단(4)에 입력할 수 있다. 제어 수단(4)은, 유량계(3)에 의해 계측되는 가스의 질량 유량을 입력 신호로서 접수한다(도 1에 도시한 일점쇄선의 화살표를 참조). 제어 수단(4)은, 유량계(3)로부터 입력 신호로서 수취한 가스의 질량 유량이 설정 유량과 일치하도록, 유량 제어 밸브(2)에 대하여 제어 신호(6)를 출력한다(도 1에 도시한 실선의 화살표를 참조).

예를 들어, 가스의 질량 유량이 설정 유량보다도 적으면, 제어 수단(4)은 밸브 개방도를 증가시키는 제어 신호(6)를 출력하고, 가스의 질량 유량이 설정 유량보다도 많으면, 제어 수단(4)은 밸브 개방도를 감소시키는 제어 신호(6)를 출력한다. 예를 들어, 밸브 개폐 수단(2a)으로서 압전 소자를 사용한 경우에는 제어 신호(6)는 구체적으로는 전압 신호이며, 밸브 개폐 수단(2a)으로서 솔레노이드 코일을 사용한 경우에는 제어 신호(6)는 구체적으로는 전류 신호이다.

제어 수단(4)은, 공지된 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 구성할 수 있다. 예를 들어, 제어 수단(4)은, 질량 유량 제어 장치(1)의 내부에 설치된 제어 회로 기판 위의 중앙 연산 소자(CPU) 및 메모리 등에 의해 구성해도 되고, 질량 유량 제어 장치(1)와 전기적으로 접속된 외부의 컴퓨터에 의해 구성해도 된다.

가스의 유량이 목표값인 설정 유량과 일치하도록 제어 신호(6)를 어떻게 하여 결정할지에 대해서는, 공지된 제어 기술을 사용할 수 있다. 이러한 공지된 제어 기술의 구체예로서는, 예를 들어 가스의 계측 유량과 설정 유량의 차에 기초하여 제어 신호(6)를 수정하는 피드백 제어(PID 동작을 포함한다) 및 유량계(3)에 의해 계측되는 가스의 유량에 기초하지 않고 설정 유량에만 기초하는 제어 신호(6)를 출력하는 소위 피드 포워드 제어 등을 들 수 있다.

본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치(1)는 온도계(5)를 더 갖는다. 온도계(5)는 가스의 온도를 계측하도록 구성되어 있다. 온도계(5)는 가스의 온도를 계측할 수 있는 것이면 어떤 구조의 것을 사용해도 되지만, 유로(7)를 흐르는 가스의 온도 변화를 지체 없이 검지할 수 있는 것이 바람직하다. 온도계(5)는 유로(7)의 어느 위치에 설치되어도 된다. 단, 질량 유량 제어 장치(1)의 유로(7)에 있어서의 부위에 따라 가스의 온도에 무시할 수 없는 차가 있는 경우는, 본 발명의 목적에 비추어 밸브(2b)에 가능한 한 가까운 위치에 온도계(5)를 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 제어 수단(4)은 또한, 가스의 계측 온도가 기준 온도와 상이할 때에, 계측 온도에 있어서의 가스의 밀도와 기준 온도에 있어서의 가스의 밀도의 차에 기인하여 유량 제어 밸브(2)를 통과하는 가스의 유량에 발생하는 차를 없애도록 조정된 제어 신호(6)를 출력하는 것을 특징으로 한다. 여기서 「계측 온도」란, 온도계(5)에 의해 계측되는 가스의 온도를 의미한다. 온도계(5)는, 계측 온도를 출력 신호로서 제어 수단(4)에 출력한다(도 1에 도시한 파선의 화살표를 참조).

구체적으로는, 제어 수단(4)은, 온도계(5)로부터 출력된 계측 온도를 입력 신호로서 접수하고, 계측 온도를 기준 온도와 비교한다. 여기서 「기준 온도」란, 기준 가스(예를 들어 질소 가스)를 사용하여 유량계(3)의 교정(캘리브레이션)을 행했을 때의 가스의 온도를 의미한다. 기준 온도는 예를 들어 22℃이다. 이 비교의 결과, 계측 온도가 기준 온도와 상이한 경우, 제어 수단(4)은 제어 신호(6)의 강도를 조정한다.

제어 수단(4)이 행하는 제어 신호(6)의 강도의 조정은, 계측 온도에 있어서의 가스의 밀도와 기준 온도에 있어서의 가스의 밀도의 차에 기인하여 유량 제어 밸브(2)를 통과하는 가스의 유량에 발생하는 차를 없애도록 행하여진다. 전술한 바와 같이, 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 압력 및 밸브 개방도가 일정해도, 가스의 밀도는 온도에 따라 변화한다. 이로 인해, 가스의 계측 온도가 기준 온도와 상이한 경우에는, 단위 시간당 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 질량 유량은, 밸브 개방도가 일정해도, 가스의 온도가 기준 온도인 경우의 질량 유량과는 상이한 값이 된다.

그래서, 제어 수단(4)은, 온도의 차이에 의한 가스의 밀도의 차이에 기인하는 질량 유량의 변화를 상쇄하도록 제어 신호(6)의 강도를 조정한다. 예를 들어, 계측 온도가 기준 온도보다도 높은 경우에는, 가스의 밀도가 기준 온도에 있어서의 밀도보다도 낮아지므로, 제어 수단(4)은 밸브 개방도를 기준 온도에 있어서의 밸브 개방도보다도 커지도록 강도가 조정된 제어 신호(6)를 출력한다. 반대로, 계측 온도가 기준 온도보다도 낮은 경우에는, 가스의 밀도가 기준 온도에 있어서의 밀도보다도 높아지므로, 제어 수단(4)은 밸브 개방도를 기준 온도에 있어서의 밸브 개방도보다도 작아지도록 강도가 조정된 제어 신호(6)를 출력한다.

보다 상세하게는, 제어 수단(4)은, 계측 온도가 기준 온도와 상이할 때, 상술한 유량 제어에 있어서 신호 보정 처리를 실행하도록 구성되어 있다. 「신호 보정 처리」란, 상술한 유량 제어에 있어서, 계측 온도가 기준 온도보다도 높을수록 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 커지도록 제어 신호(6)의 강도를 조정하고, 계측 온도가 기준 온도보다도 낮을수록 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 작아지도록 제어 신호(6)의 강도를 조정하고, 이렇게 조정된 제어 신호(6)를 보정 제어 신호로서 출력하는 처리를 의미한다.

이와 같이, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서는, 가스의 계측 온도에 따라 조정된 제어 신호(6)(보정 제어 신호)가 유량 제어 밸브(2)에 출력되기 때문에, 가스의 온도가 기준 온도와 상이한 경우에 있어서도, 응답 시간의 변화를 유효하게 저감할 수 있다. 따라서, 외적인 요인에 의해 가스 또는 질량 유량 제어 장치의 온도가 변화해도, 반도체 제조 장치 등에 대한 가스의 공급 타이밍(응답 시간)의 변화를 유효하게 저감할 수 있다.

본 발명에 있어서, 제어 신호(6)의 강도의 조정은, 온도계(5)에 의해 계측되는 가스의 계측 온도의 차이에 의한 가스의 밀도의 차이에 기초하여 행하여지고, 유량계(3)에 의해 계측되는 가스의 유량의 값과는 무관하게 행하여진다. 따라서, 본 발명의 효과가 얻어지는 것은, 제어 수단(4)이 실행하는 제어가 피드백 제어인 경우에 한하지 않고, 피드 포워드 제어인 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 유량 제어 밸브(2)는, 제어 신호(6)의 강도가 클수록 밸브 개방도가 커지도록 구성된다. 이 경우, 제어 수단(4)은, 상술한 신호 보정 처리에 있어서, 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호(6)의 값에 가산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성된다. 혹은, 유량 제어 밸브(2)는, 제어 신호(6)의 강도가 작을수록 밸브 개방도가 커지도록 구성된다. 이 경우, 제어 수단(4)은, 상술한 신호 보정 처리에 있어서, 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호(6)의 강도의 값으로부터 감산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성된다.

여기서 「온도 보정 계수」란, 가스의 계측 온도의 차이에 의한 가스의 밀도의 차이에 기인하는 질량 유량의 변화를 상쇄하도록 정해진 일정한 계수를 의미한다. 제어 신호(6)의 강도를 이렇게 조정함으로써, 계산이 간단해져, 가스의 밀도가 온도의 1차 함수에 의해 근사할 수 있는 경우에 특히 유효하다.

온도 보정 계수는, 이론적으로 구할 수 있다. 예를 들어, 압력이 일정한 이상 기체의 체적 팽창률은 1℃당 1/273=0.37％가 되므로, 온도 보정 계수로서 이 값을 사용할 수 있다. 또한, 온도 보정 계수는 실험적으로 구할 수도 있다. 예를 들어, 설정 유량이 상이한 수준마다, 가스의 온도가 기준 온도인 경우와, 가스의 온도가 기준 온도와는 상이한 계측 온도인 경우에, 유량이 안정되었을 때의 제어 신호(6)의 실측값이 어느 정도 변화할지를 실험적으로 구하고, 이들 값의 평균값을 온도 보정 계수로서 사용할 수 있다.

발명자들의 검토에 의하면, 후술하는 실시예 1에 있어서 실험적으로 구해진 온도 보정 계수의 최솟값은 0.30％/℃, 최댓값은 0.90％/℃이고, 그의 평균값은 0.61％/℃였다. 단, 온도 보정 계수의 구체적인 수치는 질량 유량 제어 장치의 설계·사양에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보다 바람직한 실시 형태의 실시 시에는, 사용되는 질량 유량 제어 장치 그 자체 또는 사용되는 질량 유량 제어 장치와 동일한 설계·사양을 갖는 질량 유량 제어 장치에 있어서, 온도 보정 계수를 특정하는 실험을 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 하나의 바람직한 실시 형태에 있어서, 제어 수단(4)은, 소위 피드백 제어에 의해 상술한 유량 제어를 실행하도록 구성되어 있다. 여기에서 말하는 「피드백 제어」란, 설정 유량으로부터 계측 유량을 감산하여 얻어지는 차인 유량차의 절댓값이 소정의 역치 이상인 경우에 제어 신호(6)의 강도를 변경함으로써 상기 유량의 차를 제로에 근접시키는 제어를 의미한다.

상기에 의하면, 가스의 계측 온도가 기준 온도와 상이한 경우에 있어서도, 응답 시간의 변화를 유효하게 저감하면서, 피드백 제어에 의해 가스의 질량 유량을 설정 유량에 확실하게 근접시킬 수 있다.

상기 실시 형태에 있어서, 상술한 유량 제어에 있어서의 제어 신호(6)의 강도는 설정 유량 및 계측 온도에 기초하여 정해지는 초기값과 유량차(설정 유량으로부터 계측 유량을 감산하여 얻어지는 차)에 기초하여 정해지는 보상값의 합으로서 구성될 수 있다. 이 경우, 제어 수단(4)은, 상술한 유량 제어에 있어서, 상기 초기값에 대해서만 신호 보정 처리를 실행하고, 상기 보상값에 대해서는 신호 보정 처리를 실행하지 않도록 구성될 수 있다.

구체적으로는, 예를 들어 제어 수단(4)이 실행하는 유량 제어가 소위 PID 제어이며, 제어 신호(6)가 초기값과 PID 보상값의 합으로서 구성되는 경우, 계측 온도에 기초하는 제어 신호(6)의 강도의 조정(신호 보정 처리)은 초기값에 대해서만 행하고, PID 보상값에 대해서는 행하지 않는다. 여기서 제어 신호(6)의 「초기값」이란, 설정 유량 및 계측 온도에 의해 정해지는 상수이며, 설정 유량이 (예를 들어 제로로부터 제로가 아닌 값으로) 변경된 후에 유량 제어 밸브(2)에 최초로 출력되는 제어 신호를 의미한다. 또한, 「PID 보상값」이란, 유량 제어 밸브에 초기값이 출력된 후의 가스의 계측 유량과 설정 유량의 차에 기초하여 행하여지는 PID 제어를 실행하기 위한 제어 신호를 의미한다.

상기와 같은 피드백 제어(PID 제어)가 실행되고 있는 동안은, 유량 제어 밸브(2)에는 초기값과 PID 보상값의 합으로서 구성되는 제어 신호(6)가 출력된다. 이렇게 본 발명의 특징인 계측 온도에 기초하는 제어 신호(6)의 강도의 조정(신호 보정 처리)을 초기값에 관해서만 행해도, 본 발명의 효과를 충분히 얻을 수 있으므로, PID 보상값에 대해서는 신호 보정 처리를 생략하여 제어 동작 전체를 단순화함으로써, 제어 수단(4)에 있어서의 연산 부하를 경감시키면서, 제어 수단(4)에 의한 제어 동작을 안정적으로 실행할 수 있다.

실시예 1

압전 소자 및 다이어프램 밸브를 구비하는 노멀 클로즈형의 유량 제어 밸브와, 열식 질량 유량계와, 제어 수단을 구성하는 제어 회로 기판과, 온도계를 갖고, 최대 유량을 0.1, 5 및 50slm의 3수준으로 설정한 본 발명에 관한 3종류의 질량 유량 제어 장치를 준비했다. 이들 질량 유량 제어 장치를 사용하여, 질소 가스의 1차 압력을 150, 250, 350 및 450㎪의 4수준으로 설정하고, 설정 유량을 최대 유량의 2, 5, 10, 25, 50, 75 및 100％의 7수준으로 설정했을 때의 압전 소자에 출력되는 제어 신호(전압)를, 질소 가스의 온도가 25℃일 때와 60℃일 때의 2수준에 대하여 각각 측정했다.

어느 조건에 있어서든, 압전 소자에 출력되는 제어 신호(전압)의 값은, 질소 가스의 온도가 25℃일 때에 비하여 60℃일 때가 더 높았다. 즉, 동일한 질량 유량을 달성할 수 있는 밸브 개방도는, 질소 가스의 온도가 25℃일 때에 비하여 60℃일 때가 더 컸다. 제어 신호(전압)의 1℃당 변화량은 설정 유량이나 질소 가스의 1차 압력에 따라 다소의 변동이 있었지만, 그의 평균값은 0.61％/℃였다. 따라서, 이 예비 실험의 결과에 기초하여, (최대 유량이 0.1, 5 및 50slm인) 3종류의 질량 유량 제어 장치의 온도 보정 계수의 값을 0.60％/℃로 설정하기로 했다.

이어서, 최대 유량이 5slm인 질량 유량 제어 장치를 사용하여, 질소 가스의 1차 압력을 150㎪로 설정하고, 설정 유량을 최댓값의 100％ 및 50％의 2수준으로 설정했을 때에 유량계가 나타내는 질소 가스의 유량 시간 변화(응답 파형)를, 질소 가스의 온도가 25℃일 때와 60℃일 때의 2수준에 대하여 각각 측정했다. 도 2에 설정 유량이 100％일 때의 응답 파형을 나타낸다.

도 2의 횡축은, 설정 유량 100％를 제어 수단(4)에 입력했을 때를 기점(제로)으로 하는 시간[s]을 나타낸다. 또한, 종축은, 설정 유량[％] 및 유량계에 의해 계측된 질소 가스의 계측 유량[％]을 나타낸다. 실선의 직사각형에 의해 표현된 그래프는, 설정 유량의 값의 변화를 나타내고 있다. 설정 유량은, 시간이 제로일 때에 0으로부터 100％로 변화하고, 그 후 100％를 유지하고 있다.

설정 유량에 가장 가까운 실선의 곡선은, 본 발명의 실시예에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서 질소 가스의 온도가 25℃일 때의 응답 곡선을 나타내고 있다. 이에 반하여, 파선의 곡선은, 본 발명의 실시예에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서 질소 가스의 온도가 60℃일 때의 응답 곡선을 나타내고 있다. 이들 2개의 응답 곡선은 거의 겹쳐 있는 점에서, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서는 가스의 온도가 25℃로부터 60℃로 상승해도 응답 시간에 거의 변화가 보이지 않음을 알 수 있다.

한편, 도 2에 있어서 설정 유량으로부터 가장 먼 일점쇄선의 곡선은, 본 발명의 실시예에 관한 최대 유량이 5slm으로 설정된 질량 유량 제어 장치와 동일 사양의 질량 유량 제어 장치이며, 가스의 온도의 차이에 의한 제어 신호의 강도의 조정(신호 보정 처리)을 행하지 않는 비교예에 관한 질량 유량 제어 장치를 사용하여 측정한, 질소 가스의 온도가 60℃일 때의 응답 곡선을 나타내고 있다. 이 비교예의 응답 곡선은, 다른 응답 곡선에 비하여 응답 시간이 길어져 있음을 알 수 있다.

이어서, 상기한 방법에 의해 측정된 다양한 수준에 관한 응답 곡선으로부터, 각각의 응답 시간을 구했다. 여기서 「응답 시간」이란, 설정 유량을 변화시켰을 때부터 계측 유량이 설정 유량의 98％에 도달할 때까지의 시간을 의미한다. 설정 유량이 100％ 및 50％이며 또한 질소 가스의 온도가 25℃ 및 60℃일 때의 각각의 응답 시간 및 양자의 차를 표 1에 나타낸다. 또한, 비교예로서, 가스의 온도의 차이에 의한 제어 신호의 강도의 조정(신호 보정 처리)을 행하지 않는 질량 유량 제어 장치를 사용하여 측정한 응답 시간도 또한 동일하게 표 1에 나타낸다.

표 1이 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서는, 25℃부터 60℃까지의 온도 변화에 의한 응답 시간의 차는 고작해야 0.05s 이하이고, 응답 시간의 차는 적었다. 이에 반하여, 비교예의 응답 시간의 차는 설정 유량이 100％인 경우는 0.35s로 크고, 설정 유량이 50％인 경우의 응답 시간의 차는 0.70s로 더욱 커졌다. 이들 검토 결과로부터, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서는, 가스의 온도에 따라 제어 신호가 조정되는 결과, 종래 기술에 관한 질량 유량 제어 장치에 비하여, 가스의 온도의 차이에 기인하는 응답 시간의 변화가 대폭 저감됨을 알 수 있다.

실시예 2

상술한 실시예 1에 있어서는, 유량 제어에 있어서의 신호 보정 처리를 실행하는 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 의하면, 유량 제어에 있어서의 신호 보정 처리를 실행하지 않는 종래 기술에 관한 질량 유량 제어 장치에 비하여, 가스의 계측 온도의 기준 온도로부터의 상승에 수반하는 응답 시간의 지연이 대폭 저감됨이 확인되었다.

본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지의 구성을 갖는 질량 유량 제어 장치를 사용하여, 유량 레인지를 Bin6(3001 내지 10000sccm(standard cubic centimeter per minute)) 및 Bin8(10001 내지 30000sccm)의 2수준으로 설정했다. 즉, 본 실시예에서는, 최대 유량을 10000sccm 및 30000sccm의 2수준으로 설정했다. 또한, 설정 유량에 대해서는, 각각의 최대 유량의 10％, 50％ 및 100％의 3수준으로 설정했다. 또한, 이들 질량 유량 제어 장치의 교정(캘리브레이션)은, 500㎪의 1차 압력 및 22℃의 기준 온도에 있어서 질소 가스를 사용하여 행했다.

그 외에도, 유량 레인지를 Bin6(최대 유량=10000sccm)으로 설정한 질량 유량 제어 장치에 대해서는, 질소 가스의 1차 압력을 300㎪ 및 500㎪의 2수준으로 설정했다. 한편, 유량 레인지를 Bin8(최대 유량=30000sccm)로 설정한 질량 유량 제어 장치에 대해서는, 질소 가스의 1차 압력을 350㎪ 및 500㎪의 2수준으로 설정했다. 또한, 어느 질량 유량 제어 장치에 대해서든, 질소 가스의 계측 온도는 50℃로 했다.

상기 12수준(최대 유량 2수준, 설정 유량 3수준 및 1차 압력 2수준의 조합)의 질량 유량 제어 장치 각각에 대하여, 유량 제어에 있어서의 신호 보정 처리를 실행하는 경우(본 발명의 실시예) 및 신호 보정 처리를 실행하지 않는 경우(비교예)의 2수준을 설정하고, 유량계가 나타내는 질소 가스의 유량의 시간 변화(응답 파형)를 각각 측정했다. 일례로서, 유량 레인지가 Bin8이며, 설정 유량이 50％이며, 질소 가스의 1차 압력이 350㎪일 때의 응답 파형을 도 3에 도시한다. 도 3의 (a)는 신호 보정 처리를 실행하지 않는 비교예에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서의 응답 파형이며, 도 3의 (b)는 신호 보정 처리를 실행하는 본 발명의 실시예에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서의 응답 파형이다.

도 3의 횡축은, 설정 유량 50％를 제어 수단(4)에 입력했을 때를 기점(제로)으로 하는 시간[s]을 나타낸다. 또한, 종축은, 설정 유량[％], 유량계에 의해 계측된 질소 가스의 계측 유량[％] 및 유량 제어 밸브의 밸브 개방도[％]를 나타낸다. 실선의 직사각형에 의해 표현된 그래프는 설정 유량의 값의 변화를 나타내고 있다. 도 3의 (a) 및 (b)의 어떤 경우든, 설정 유량은, 시간이 제로일 때에 0으로부터 50％로 변화하고, 그 후 50％를 유지하고 있다.

파선의 곡선에 의해 표현된 그래프는 유량 제어 밸브의 밸브 개방도[％]를 나타내고, 실선의 곡선에 의해 표현된 그래프는 질소 가스의 계측 유량[％]을 나타내고 있다. 유량 제어에 있어서 신호 보정 처리를 실행하는 경우(도 3의 (b)에 나타내는 실시예)에 있어서는, 신호 보정 처리를 실행하지 않는 경우(도 3의 (a)에 나타내는 비교예)에 비하여, 설정 유량의 변화에 대한 유량 제어 밸브의 밸브 개방도 및 질소 가스의 계측 유량의 상승이 빠름을 알 수 있다. 즉, 유량 제어에 있어서의 신호 보정 처리의 실행에 의해, 설정 유량의 변화에 대한 유량 제어 밸브의 밸브 개방도 및 질소 가스의 계측 유량의 응답 시간의 지연이 저감됨을 알 수 있다.

이어서, 상기한 방법에 의해 측정된 다양한 수준에 관한 응답 곡선으로부터, 각각의 응답 시간을 구한 결과를 표 2에 나타낸다. 여기에서의 「응답 시간」도 또한, 설정 유량을 변화시켰을 때부터 계측 유량이 설정 유량의 98％에 도달할 때까지의 시간을 의미한다.

표 2가 나타내는 바와 같이, 어느 유량 레인지(최대 유량), 설정 유량 및 1차 압력에 있어서도, 유량 제어에 있어서 신호 보정 처리를 실행하는 본 발명의 실시예에 관한 질량 유량 제어 장치(보정 있음)가, 신호 보정 처리를 실행하지 않는 비교예에 관한 질량 유량 제어 장치(보정 없음)에 비하여, 응답 시간이 더 짧음을 알 수 있다. 즉, 어느 수준에 있어서든, 유량 제어에 있어서의 신호 보정 처리의 실행에 의해, 계측 온도(50℃)가 기준 온도(22℃)보다도 높은 것에 기인하는 응답 시간의 지연(증대)이 저감됨을 알 수 있다.

1: 질량 유량 제어 장치
2: 유량 제어 밸브
2a: 밸브 개폐 수단
2b: 밸브
3: 유량계
4: 제어 수단
5: 온도계
6: 제어 신호
7: 유로

Claims (5)

1. 밸브 개방도를 변경 가능하게 구성된 유량 제어 밸브와,
   상기 유량 제어 밸브를 통과하는 가스의 유량을 계측하도록 구성된 유량계와,
   상기 유량 제어 밸브에 제어 신호를 출력하여 상기 밸브 개방도를 제어하도록 구성된 제어 수단을
   갖고,
   상기 제어 수단은, 상기 유량계에 의해 계측되는 상기 가스의 질량 유량인 계측 유량이 상기 가스의 질량 유량의 목표값으로서 설정되는 설정 유량과 일치하도록 상기 유량 제어 밸브에 상기 제어 신호를 출력하여 상기 밸브 개방도를 제어하는 유량 제어를 실행하도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치이며,
   상기 가스의 온도를 계측하도록 구성된 온도계를 더 갖고,
   상기 제어 수단은, 상기 온도계에 의해 계측되는 상기 가스의 온도인 계측 온도가 소정의 기준 온도보다도 높은 경우는, 상기 계측 온도로부터 상기 기준 온도를 감산하여 얻어지는 차인 온도차의 절댓값이 클수록 상기 유량 제어에 있어서의 상기 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 커지고, 상기 계측 온도가 상기 기준 온도보다도 낮은 경우는, 상기 온도차의 절댓값이 클수록 상기 유량 제어에 있어서의 상기 밸브 개방도의 변경량의 절댓값이 작아지도록 조정된 제어 신호인 보정 제어 신호를 출력하는 신호 보정 처리를 실행하도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 유량 제어 밸브는, 상기 제어 신호의 강도가 클수록 상기 밸브 개방도가 커지도록 구성되어 있고,
   상기 제어 수단은, 상기 신호 보정 처리에 있어서, 상기 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 양의 값인 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호의 강도의 값에 가산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 유량 제어 밸브는, 상기 제어 신호의 강도가 작을수록 상기 밸브 개방도가 커지도록 구성되어 있고,
   상기 제어 수단은, 상기 신호 보정 처리에 있어서, 상기 보정 제어 신호의 강도의 값으로서, 상기 온도차의 값에 양의 값인 온도 보정 계수를 승산하여 얻어지는 값을 조정 전의 제어 신호의 강도의 값으로부터 감산하여 얻어지는 값을 설정하도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 설정 유량으로부터 상기 계측 유량을 감산하여 얻어지는 차인 유량차의 절댓값이 소정의 역치 이상인 경우에 상기 제어 신호의 강도를 변경함으로써 상기 유량차를 제로에 근접시키는 피드백 제어에 의해 상기 유량 제어를 실행하도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 유량 제어에 있어서의 상기 제어 신호의 강도가 상기 설정 유량 및 상기 계측 온도에 기초하여 정해지는 초기값과 상기 유량차에 기초하여 정해지는 보상값의 합으로서 구성되어 있고,
   상기 제어 수단은, 상기 유량 제어에 있어서, 상기 초기값에 대해서만 상기 신호 보정 처리를 실행하고, 상기 보상값에 대해서는 상기 신호 보정 처리를 실행하지 않도록 구성되어 있는,
   질량 유량 제어 장치.

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