KR102412788B1 - 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법 - Google Patents

유량 제어 장치 및 유량 제어 방법 Download PDF

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Abstract

유량 제어 장치(100)는 유로(1)에 설치된 컨트롤 밸브(6)와, 컨트롤 밸브(6)에 의해 제어된 유체의 유량을 측정하는 유량 측정부(2, 3)와, 제어기(7)를 구비하고, 제어기(7)는 유량 측정부로부터 출력된 신호에 의거하는 측정 적분 유량(Vn+Vd)과 목표 적분 유량(Vs)이 일치하도록 컨트롤 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하도록 구성되어 있다.

Description

유량 제어 장치 및 유량 제어 방법
본 발명은 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이며, 특히 반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서 이용되는 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서 원료 가스나 에칭 가스 등의 유체의 흐름을 제어하기 위해서 다양한 타입의 유량 제어 장치가 이용되어 있다. 이와 같은 유량 제어 장치에서는 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어하기 위해서 유량 측정부에 의해 측정된 유량과 설정 유량의 편차를 해소하도록 컨트롤 밸브가 제어된다. 압력식 유량 제어 장치는, 예를 들면 유량 측정부로서의 다이어프램부(예를 들면, 오리피스 플레이트나 임계 노즐)와 압력 센서를 조합한 기구를 갖고 있으며, 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되어 있다. 압력식 유량 제어 장치는, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있다.
압력식 유량 제어 장치의 컨트롤 밸브로서는 다이어프램 밸브체를 피에조 액추에이터에 의해 개폐시키는 압전 소자 구동식 밸브가 사용되어 있다. 압전 소자 구동식 밸브는, 예를 들면 특허문헌 2에 개시되어 있다.
최근 압력식 유량 제어 장치는, 예를 들면 ALD(Atomic Layer Deposition) 프로세스 등으로의 적용이 요구되어 있으며, 이와 같은 용도에서는 고속인(주기가 매우 짧은) 펄스형상의 설정 유량 신호에 따라 컨트롤 밸브를 개폐시켜서 유량의 제어를 행하는 것이 요구되어 있다.
일본 특허공개 2004-138425호 공보 일본 특허공개 2007-192269호 공보
펄스적인 유량 제어를 행하는 용도에서는 종래보다 고속인 밸브의 개폐 동작이 요구된다. 그러나 본원 발명자는 종래의 유량 제어 장치에서는 밸브 개폐의 응답 속도를 높이는 것에도 한계가 있어 펄스적인 유량 제어를 적합하게 행할 수 없는 경우가 있는 것을 발견했다.
특히, 컨트롤 밸브로서 압전 소자 구동식 밸브를 사용할 경우 밸브의 개폐는 압전 소자로의 인가 전압의 제어에 의해 행해지지만 상승, 하강 기간에 설정 유량과 실제의 유량에 차가 발생하기 때문에 펄스형상의 설정 유량 신호에 따라 압전 소자로의 인가 전압을 제어한 것만으로는 소망의 가스 공급이 행해지지 않을 경우가 있었다. 또한, 컨트롤 밸브의 응답성은 장치마다 편차가 있어 종래의 방식으로는 장치에 따라서는 안정된 펄스 유량 제어가 행해지지 않을 우려가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 펄스 유량 제어를 행할 경우 등에도 적합하게 유량 제어를 행하는 것이 가능한 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법을 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브에 의해 제어된 유체의 유량을 측정하는 유량 측정부와, 제어기를 구비하고, 상기 제어기는 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호에 의거하는 측정 적분 유량과 목표 적분 유량이 일치하도록 상기 컨트롤 밸브의 개폐 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 목표 적분 유량은, 예를 들면 입력된 설정 유량 신호에 의거하여 결정된다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호에 의거하여 상기 측정 적분 유량을 산출하는 산출부와, 상기 산출부에서 산출한 상기 측정 적분 유량과 상기 목표 적분 유량의 차를 구하는 비교부와, 상기 비교부에서 구해진 상기 차가 소정 범위 내로 되었을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 산출부는 경과 시간마다 상기 유량 측정부로부터 출력되는 신호에 의거하는 유량으로부터 산출되는 적분 유량을 합계해서 상기 측정 적분 유량을 산출한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 측정부는 소정 기간마다 유량값을 출력하도록 구성되어 있으며, 상기 제어기는 상기 유량 측정부로부터 출력된 유량값에 의거하여 상기 소정 기간의 적분 유량의 총합에 대응하는 연산 적분 유량을 산출하는 산출부와, 상기 목표 적분 유량으로부터 기지 적분 유량을 감산한 값과 상기 산출부에서 산출된 상기 연산 적분 유량의 차를 구하는 비교부와, 상기 비교부에서 구해진 상기 차가 소정 범위 내로 되었을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 입력된 설정 유량 신호와 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호의 차의 총합인 적분 유량차를 산출하는 차분 산출부와, 상기 차분 산출부의 출력이 소정값 또는 소정 범위 내로 수속되었는지의 여부를 판정하는 판정부와, 상기 차분 산출부의 출력이 수속되었다고 상기 판정부가 판정했을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 측정 적분 유량은 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호로부터 구해지는 연산 적분 유량과, 상기 컨트롤 밸브를 폐지한 후의 유량 하강 기간에 있어서의 기지 적분 유량을 포함하고, 상기 제어기는 상기 목표 적분 유량으로부터 상기 기지 적분 유량을 뺀 값에 상기 연산 적분 유량이 도달한 타이밍에서 상기 컨트롤 밸브의 폐지를 개시하도록 구성되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 측정부는 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 형성되는 다이어프램부와, 상기 컨트롤 밸브와 상기 다이어프램부 사이의 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 다이어프램부의 하류측의 유량을 측정하도록 구성되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브의 폐지의 동작은 1차 지연 제어에 의해 행해진다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브는 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브이다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제어기에는 설정 유량 신호로서 구형파의 연속 펄스 신호가 입력된다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 제어기는 유량 상승 기간에 있어서 설정 유량 신호에 의거하는 내부 지령 신호로서의 램프 제어 신호와 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호의 차의 총합인 적분 유량차를 산출하는 차분 산출부를 갖고, 상기 차분 산출부의 출력에 의거하여 상기 램프 제어 신호에 있어서의 기울기를 도중에 변화시킨다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 램프 제어 신호의 기울기를 500msec로 100% 유량에 도달할 때의 기울기인 제 1 기울기로부터 300msec로 100% 유량에 도달할 때의 기울기인 제 2 기울기로 변화시킨다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법은 유로에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브에 의해 제어된 유체의 유량을 측정하는 유량 측정부를 구비한 유량 제어 장치를 사용하여 행해지고, 목표 적분 유량으로부터 상기 컨트롤 밸브를 폐지한 후의 유량 하강 기간에 있어서의 기지 적분 유량을 뺀 값에 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호로부터 구해지는 연산 적분 유량이 도달한 타이밍에서 상기 컨트롤 밸브의 폐지를 개시하는 공정을 포함한다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면 펄스적인 유량 제어를 행할 때에도 적절하게 가스 공급을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 설정 유량 신호와 제어 유량 신호를 나타내는 도면이다.
도 3(a)는 설정 유량 신호와 제어 유량 신호의 어긋남을 설명하기 위한 도면이며, 도 3(b)는 압전 소자 구동식 밸브의 구동 전압과 피에조 액추에이터의 변위(스트로크)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 신호를 설명하기 위한 도면이며, 도 5(a)는 설정 유량 신호에 의거하는 목표 적분 유량을 나타내고, 도 5(b)는 연산 적분 유량 및 기지 적분 유량을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 행하는 제어기의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 행하는 예시적인 제어 플로우를 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 행하는 제어기의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 유량 하강 시의 1차 지연 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 행하는 제어기의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 유량 상승 기간에 있어서의 유량 제어를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 유량 제어 장치(100)는 압력식 유량 제어 장치이며, 가스 공급 장치로부터 공급된 가스(G)의 유로(1)에 형성된 다이어프램부(2)와, 다이어프램부(2)의 상류측에 설치된 상류 압력 센서(3) 및 온도 센서(5)와, 다이어프램부(2)의 하류측에 설치된 하류 압력 센서(4)와, 상류 압력 센서(3)의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(6)를 구비하고 있다.
상류 압력 센서(3)는 컨트롤 밸브(6)와 다이어프램부(2) 사이의 유체 압력인 상류 압력(P1)을 측정할 수 있고, 하류 압력 센서(4)는 다이어프램부(2)와 하류 밸브(9) 사이의 유체 압력인 하류 압력(P2)을 측정할 수 있다.
유량 제어 장치(100)는 또한 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)의 출력 등에 의거하여 컨트롤 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하는 제어기(7)를 구비하고 있다. 제어기(7)는 외부 제어 장치(12)로부터 받은 설정 유량과, 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)의 출력으로부터 연산에 의해 구한 연산 유량을 비교해서 연산 유량이 설정 유량에 근접하도록 컨트롤 밸브(6)를 제어하도록 구성되어 있다.
유량 제어 장치(100)는 도시하는 실시형태와는 상이하며, 하류 압력 센서(4)를 구비하고 있지 않아도 좋다. 이 경우, 제어기(7)는 상류 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 유량을 연산하도록 구성된다. 또한, 제어기(7)는 어떤 실시형태에 있어서 온도 센서(5)가 검출된 유체 온도에 의거하여 연산 유량을 보정하도록 구성되어 있다.
유량 제어 장치(100)는 컨트롤 밸브(6)의 상류측에 가스 공급압을 측정하기 위한 유입 압력 센서(도시하지 않음)를 구비하고 있어도 좋다. 유입 압력 센서는 접속된 가스 공급 장치(예를 들면, 원료 기화기나 가스 공급원 등)로부터 공급되는 가스의 압력을 측정할 수 있고, 가스 공급량 또는 가스 공급압을 제어하기 위해서 사용할 수 있다. 또한, 가스 공급 장치로부터 공급되는 가스는 재료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등의 다양한 가스이면 좋다.
다이어프램부(2)로서는, 예를 들면 오리피스 플레이트를 사용할 수 있다. 또한, 「다이어프램부」란 유로의 단면적을 전후의 유로 단면적보다 작게 형성한 부분이며, 예를 들면 오리피스 플레이트나 임계 노즐, 음속 노즐 등을 사용하여 구성되지만 다른 것을 사용해도 좋다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛~500㎛로 설정된다.
하류 밸브(9)로서는, 예를 들면 전자 밸브에 의해 압축 공기의 공급이 제어되는 공지의 공기 구동 밸브(Air Operated Valve) 등을 사용할 수 있다. 또한, 오리피스 부재의 근방에 개폐 밸브를 배치한 오리피스 내장 밸브가 종래로부터 알려져 있으며, 오리피스 내장 밸브를 다이어프램부(2) 및 하류 밸브(9)를 일체화한 것으로서 유량 제어 장치(100)에 장착할 수도 있다.
유량 제어 장치(100)를 포함하는 유체 공급계에 있어서 다이어프램부(2)의 하류측은 하류 밸브(9)를 통해 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버(10)에 접속되어 있다. 프로세스 쳄버(10)에는 진공 펌프(11)가 접속되어 있으며, 전형적으로는 가스 공급 시에 프로세스 쳄버(10)의 내부가 진공 펌프(11)에 의해 진공 배기된다.
이상에 설명한 유량 제어 장치(100)는 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(아르곤 가스의 경우)를 충족할 때 유량은 상류 압력(P1)에 의해 정해진다는 원리를 이용해서 유량 제어를 행할 수 있다. 임계 팽창 조건을 충족할 때 다이어프램부(2)의 하류측의 유량(Q)은 Q=K1·P1(여기에서 K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 부여되고, 유량(Q)은 상류 압력(P1)에 비례한다. 또한, 하류 압력 센서(4)를 구비할 경우 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작아 상기 임계 팽창 조건을 만족하지 않을 경우이어도 유량을 산출할 수 있고, 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)에 의해 측정된 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)에 의거하여 Q=K2·P2 m(P1-P2)n(여기에서 K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)으로부터 유량(Q)을 구할 수 있다.
유량 제어를 행하기 위해서 외부 제어 장치(12)로부터 제어기(7)에 설정 유량 신호가 보내진다. 제어기(7)는 상류 압력 센서(3)의 출력 등에 의거하여 임계 팽창 조건 또는 비임계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식을 사용하여 유량을 상기 Q=K1·P1 또는 Q=K2·P2 m(P1-P2)n으로부터 연산하고, 다이어프램부(2)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량에 근접하도록(즉, 연산 유량과 설정 유량의 차가 0에 근접하도록) 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어한다. 연산 유량은 외부 제어 장치(12)에 출력되어 유량 출력값으로서 표시된다.
제어기(7)는 전형적으로는 유량 제어 장치(100)에 내장된 것이지만 유량 제어 장치(100)의 외부에 설치된 것이어도 좋다. 제어기(7)는 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치)(M), A/D 컨버터 등에 의해 구성되어 있으며, 후술하는 유량 제어 동작을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋다. 제어기(7)는 하드 웨어 및 소프트 웨어의 조합에 의해 실현된다. 제어기(7)는 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있으며, 외부 장치로부터 ROM으로의 프로그램 및 데이터의 기입 등을 행할 수 있다. 제어기(7)의 구성 요소 중 CPU 등의 일부의 구성 요소는 장치 외에 배치되어 있어도 좋고, 장치 내와 장치 외는 유선 또는 무선으로 상호 접속될 수 있다.
이하, 유량 제어 장치(100)에 있어서 행하는 펄스 유량 제어의 실시형태를 설명한다.
도 2는 펄스 유량 제어를 행할 때의 설정 유량 신호(Ss)와, 측정 유량을 나타내는 제어 유량 신호(Sr)를 나타내는 그래프이다. 설정 유량 신호(Ss)는 외부로부터 유량 제어 장치(100)에 입력되는 제어 신호이며, 제어 유량 신호(Sr)는 상류 압력(P1)에 의거하여 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어하는 종래의 동작을 설정 유량 신호(Ss)에 따라 행했을 때의 제어된 유량을 나타내는 신호이다. 제어 유량 신호(Sr)는 유량 측정부로서 설치된 상류 압력 센서(3)에 의해 측정된 상류 압력(P1)으로부터 연산에 의해 구해지는 연산 유량의 추이에 대응하고, 예를 들면 유량 출력 신호로서 유량 제어 장치(100)의 제어기(7)로부터 출력되는 것이다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이 설정 유량 신호(Ss)로서 구형파의 연속 펄스 신호(예를 들면, 펄스 폭 0.1초~60초)가 입력되는 것에 대하여 제어 유량 신호(Sr)의 상승은 어느 정도의 시간을 들여서 상승해 있다. 이것은 피드백 제어가 행해지기 때문에 설정 유량에 대응하는 개도까지 컨트롤 밸브(6)를 순시에 개방하는 것은 곤란하기 때문이다. 또한, 응답성을 보다 높이고자 하면 오버슈트가 발생해버린다는 문제가 있다. 이 때문에 실제로는 도 2에 나타내는 바와 같은 곡선적인 상승 동작이 된다.
또한, 유량 하강 시에 있어서도 순시에 유량이 0으로 저하되는 것은 아니고, 어느 정도의 시간을 들여서 저하된다. 이것은 압력식 유량 제어 장치에서는 컨트롤 밸브(6)의 하류측의 다이어프램부(2)를 통해 가스가 흐르므로 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄한 후에도 컨트롤 밸브(6)와 다이어프램부(2) 사이의 잔류 가스가 흘러나오기 때문이다.
이 때문에 압력식 유량 제어 장치에서는 설정 유량 신호(Ss)가 입력되었다고 해도 실제로는 제어 유량 신호(Sr)가 나타내는 바와 같이 유량 제어가 행해진다. 또한, 동일 설정 유량 신호(Ss)가 입력되었다고 해도 유량 제어 장치의 개체차(구체적으로는 압전 소자의 구동 상태나 밸브의 응답 특성의 차이 등)에 의해 제어 유량 신호(Sr)는 상이한 것이 되는 것을 알고 있다.
또한, 특히 컨트롤 밸브(6)로서 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브를 사용할 경우에는 유량 0%로부터의 상승 시에 있어서 밸브 개방 동작에 딜레이가 발생한다는 문제가 있다.
도 3(a)는 설정 유량 신호(Ss)와, 제어 유량 신호(Sr)의 어긋남을 나타내고, 도 3(b)는 피에조 액추에이터의 구동 전압과, 피에조 액추에이터의 변위(또는 스트로크라고 부르는 경우가 있다)의 관계를 나타낸다. 피에조 액추에이터의 변위는 밸브의 개폐도에 대응하고 있다.
도 3(a)로부터 알 수 있는 바와 같이 압전 소자 구동식 밸브에 있어서는 설정 유량 신호(Ss)의 상승 시각(t0)의 후의 시각(t0')에 있어서 밸브가 개방되고, 지연 시간(Δt)이 발생한다. 이와 같은 지연 시간(Δt)이 발생하는 원인은 노멀 클로즈형의 밸브에 있어서는 폐쇄 상태의 전압 무인가 시에 밸브체가 밸브 시트에 압박되어 있기 때문에 전압을 인가하고 나서 즉시 밸브체가 이동하지 않고, 어느 정도의 크기의 전압이 인가되고 나서 이동하기 때문이다. 특히 작은 전압을 인가했을 때에는 압전 소자를 신축시키는 방향으로 작용하는 힘의 쪽이 크기 때문에 압전 소자가 거의 신장하지 않는 경우도 있다. 또한, 피에조 액추에이터와 밸브체는 다양한 기계적 기구를 통해 접속되어 있기 때문에 기계적 기구의 백래시에 의해 응답성이 저하되는 경우도 있다.
또한, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브에 있어서 인가 전압을 증가시킬 때의 승압 시와, 인가 전압을 감소시킬 때의 강압 시에서는 구동 전압과 피에조 액추에이터의 변위의 관계가 상이하다. 그리고 전압 무인가 시로부터 비교적 작은 전압을 인가할 때까지의 동안은 피에조 액추에이터의 변위가 작아 소망의 개도에까지 즉시 밸브를 개방하는 제어가 용이하지 않는 것을 알 수 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 설정 유량 신호(Ss)와 완전히 일치하도록 밸브의 개폐 동작을 제어하는 것은 매우 곤란하다. 그리고 펄스 유량 제어를 행할 경우에는 유량 상승 기간 및 유량 하강 기간에 있어서의 설정 유량 신호(Ss)와 제어 유량 신호(Sr)의 어긋남이 빈번히 발생하므로 소망의 가스량, 즉 소망의 적분 유량을 공급하는 것이 곤란해진다. 또한, ALD 등의 펄스 가스 공급이 요구되는 용도에서는 유량의 크기의 제어뿐만 아니라 1펄스당 적분 유량의 제어를 행하는 것도 중요하다. 또한, 여기에서 설명하고 있는 적분 유량이란 특정 유량으로특정 시간만큼 가스를 공급했을 때에 공급되는 전체 유량(체적)값인 것이다.
그래서 본 실시형태의 유량 제어 장치(100)에서는 유량 측정부로부터 출력된 신호(여기에서는 상류 압력 센서(3)로부터 출력된 압력에 의거하여 산출되는 유량의 신호)에 의거하여 측정 적분 유량(즉, 실제로 공급되는 가스의 체적)을 구하도록 하고 있다. 그리고 측정 적분 유량이 입력된 설정 유량 신호(Ss)에 의거하는 목표 적분 유량과 일치하도록 컨트롤 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하도록 하고 있다. 이에 따라, 공급되는 가스량(체적)을 설정 유량 신호(Ss)에 따르는 가스량(체적)과 동등한 것으로 하고, 적절하게 가스 공급을 행하는 것을 가능하게 하고 있다.
즉, 본원 발명의 실시형태에서는 펄스형상의 설정 유량 신호(Ss)에 의해 정해진 상승 시각(t0) 및 하강 시각(t1)과 실제로 공급할 때의 상승 시각(t0') 및 하강 시각(t1')은 어긋나 있지만 설정 시각대로 밸브를 개폐하는 것보다 펄스 공급(펄스파형)에 의해 공급될 예정의 가스 체적(적분 유량)을 중요시하고, 소망의 적분 유량을 공급할 수 있도록 밸브의 개폐 제어를 행하도록 하고 있다.
이하, 본 실시형태에 있어서의 구체적인 펄스 유량 제어 동작을 설명한다.
도 4 및 도 5는 입력된 설정 유량 신호(Ss)와, 본 실시형태에 있어서의 제어 유량 신호(Sr)를 나타내는 도면이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 본 실시형태에서는 설정 유량 신호(Ss)가 입력되고 나서 지연 시간(Δt)만큼 지연되어 유량 상승이 개시되었을 때에도 밸브 폐쇄 개시의 타이밍을 설정 유량 신호(Ss)의 하강 시각(t1)으로부터 지연시킴으로써 측정 적산 유량이 설정 유량 신호(Ss)에 따르게 되도록 제어하고 있다.
이와 같은 동작을 행하기 위해서, 우선 설정 유량 신호(Ss)에 의거하여 목표 적분 유량(Vs)이 구해진다. 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 목표 적분 유량(Vs)은 Vs=Q0×(t1-t0)에 의해 구할 수 있다. 여기에서 Q0은 설정 유량이며, t0은 설정 유량 신호(Ss)에 있어서의 밸브 개방 개시 시각이며, t1은 설정 유량 신호(Ss)에 있어서의 밸브 폐지 개시 시각이다. 단, 목표 적분 유량(Vs)은 미리 부여된 것이어도 좋다.
반면, 유량 측정부가 출력하는 신호에 의거하여 실제로 공급되는 가스 체적에 대응하는 측정 적분 유량을 구하지만 본 실시형태에서는 밸브 폐쇄 개시 후에 흐르는 가스의 적분 유량이 기지 적분 유량(Vd)으로서 미리 알고 있을 경우에 대해서 설명한다.
또한, 본 명세서에 있어서 「측정 적분 유량」은 유량 측정부로부터 출력된 신호로부터 구해지는 적분 유량(예를 들면, 후술하는 연산 적분 유량)에 의거하는 것이면 좋고, 다른 적분 유량(예를 들면, 유량 측정을 행하는 일 없이 얻어지는 상기 기지 적분 유량(Vd))을 포함하는 것이어도 좋다. 「측정 적분 유량」은 실제로 공급되는 가스의 체적(실제 적분 유량)에 대응하는 것인 한 임의의 실시형태로 구해지는 것일 수 있다.
여기에서 기지 적분 유량(Vd)에 대해서 설명한다. 밸브 폐쇄 개시 후에 흐르는 가스의 적분 유량은 밸브 폐쇄 시의 밸브 제어를 적절하게 행함으로써 대략 일정하게 제어할 수 있다. 밸브 폐쇄 시에는 주로 컨트롤 밸브(6)와 다이어프램부(2) 사이의 잔류 가스가 흘러나오게 되지만 도 4에 나타내는 실시형태에서는 컨트롤 밸브(6)를 램프 제어함으로써 장치에 의하지 않고 일정한 유량 하강 특성이 얻어지도록 하고 있다. 이와 같이 하면 유량 하강 기간(즉, 밸브 폐쇄 동작의 개시로부터 밸브가 완전히 폐쇄될 때까지의 기간)의 적분 유량을 일정화할 수 있으므로 기지 적분 유량(Vd)으로서 미리 메모리에 저장해 둘 수 있다.
기지 적분 유량(Vd)의 크기는 설정 유량(Q0)에 따라 상이하므로 설정 유량(Q0)마다 메모리에 저장되어 있어도 좋고, 설정 유량(Q0)의 함수로서 정의되어 있어도 좋다. 어느 경우에도 전형적으로는 설정 유량(Q0)에 대응하는 적절한 기지 적분 유량(Vd)이 사용된다. 또한, 본 명세서에 있어서 기지 적분 유량(Vd)이란 상기 측정 적분 유량을 얻을 때에 유량 측정부에 의한 유량 측정 결과를 사용하지 않고 알 수 있는 적분 유량을 의미하고, 전형적으로는 유량 측정 전에 미리 알고 있는 것이다. 단, 기지 적분 유량(Vd)은 유량 측정 중에 연산이나 기억 장치로부터의 입력에 의해 얻어지는 것이어도 좋다. 또한, 기지 적분 유량(Vd)은 상기 측정 적분 유량을 얻기 전에 본 실시형태의 유량 제어 장치가 구비되는 유량 측정부를 사용해서 미리 측정되어 기억 장치에 저장된 것이어도 좋다.
이상과 같이 기지 적분 유량(Vd)이 부여되어 있을 경우 측정 적분 유량은 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 기지 적분 유량(Vd)과, 밸브 폐쇄 개시까지의 연산 적분 유량(Vn)의 합계에 의해 규정할 수 있다.
연산 적분 유량(Vn)은 Vn=ΣQt×tx=(Qt0+Qt0+tx+Qt0+2tx+…+Qt0+ntx)×tx로서 구할 수 있다. 여기에서 Qt는 시각(t)에 있어서의 유량이며, tx는 유량 연산 주기이며, n은 자연수이다. 유량 연산 주기(tx)는, 예를 들면 0.5밀리초~5밀리초로 설정되어 유량 연산 주기(tx)마다 유량 연산이 행해진다. 또한, 시각(t)에 있어서의 유량(Qt)은, 예를 들면 시각(t)에 있어서의 상류 압력 센서(3)의 출력(상류 압력(P1))으로부터 상기 Q=K1·P1에 따라 연산에 의해 구할 수 있다.
이와 같이 연산 적분 유량(Vn)은 유량 측정부가 소정 시간(유량 연산 주기)마다 유량값을 출력할 때에 출력된 유량값으로부터 구한 소정 시간 내의 적분 유량의 가산을 반복하여 적분 유량의 총합을 구함으로써 얻어지는 것이며, 시각(t0)으로부터 밸브가 실제로 개방될 때까지의 기간은 실질 0의 값을 나타내고, 그 후 시간의 경과와 함께 증가한다.
그리고 연산 적분 유량(Vn)과 유량 하강 기간의 기지 적분 유량(Vd)의 합계가 목표 적분 유량(Vs)에 도달했을 때, 즉 연산 적분 유량(Vn)이 목표 적분 유량(Vs)으로부터 기지 적분 유량(Vd)을 감산한 값(Vs-Vd)에 도달했을 때의 시각을 t1'라고 하고, 시각(t1')이 된 시점에서 컨트롤 밸브(6)의 폐지를 개시한다. 이 시각(t1')은 전형적으로는 설정 유량 신호(Ss)의 밸브 폐지 개시 시각(하강 시각)(t1)보다 후의 시각이지만 기지 적분 유량(Vd)의 크기에 따라서는 밸브 폐지 개시 시각(t1)보다 전의 시각일 수 있다.
이상과 같이 해서 컨트롤 밸브(6)의 폐지 개시의 타이밍을 결정하면 측정 적분 유량(Vn+Vd)과 목표 적분 유량(Vs)을 일치시킬 수 있으므로 펄스 유량 제어를 행할 경우이어도 소망의 가스량의 공급을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 유량 상승 특성이 유량 제어 장치에 의해 상이해져 있을 경우에도 유량 측정부(여기에서는 상류 압력 센서)의 출력으로부터 연산에 의해 구해지는 측정 적분 유량에 의거하여 컨트롤 밸브의 폐지 타이밍을 결정하므로 장치에 의하지 않고 적절한 펄스 유량 제어를 행하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시형태는 유량 측정부의 출력에 의거하여 리얼 타임으로 유량 제어를 행할 수 있으므로 오버슈트 등의 과도 공급이나 예기하지 않은 돌발적인 유량 변화 등이 발생했을 때에도 측정 적분 유량을 목표 적분 유량에 일치시키도록 하여 적합하게 유량 제어를 행하는 것이 가능하다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 실시형태의 유량 제어 동작을 행하는 제어기(70)의 구성 및 제어 플로우의 구체예를 설명한다. 또한, 도 6에 나타내는 제어기(70)는 도 1에 나타낸 유량 제어 장치(100)에 설치된 제어기(7)(상류 압력 센서(3)의 입력 등에 의거하여 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어해서 유량 제어를 행하도록 구성된 제어기)의 내부에 포함되어 있어도 좋고, 도 1에 나타낸 제어기(7)와는 별개로 설치된 것이어도 좋다. 물론 제어기(70)의 구성 요소의 전체 또는 일부가 제어기(7) 또는 유량 제어 장치(100)의 외부에 설치되어 있어도 좋다.
도 6은 제어기(70)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이 제어기(70)는 유량 측정부로부터 출력된 유량값에 의거하여 적분 유량의 총합에 대응하는 연산 적분 유량(Vn)을 산출하는 산출부(72)와, 목표 적분 유량(Vs)으로부터 기지 적분 유량(Vd)을 감산한 값과 산출부(72)에서 산출된 연산 적분 유량(Vn)의 차를 구하는 비교부(74)와, 비교부(74)에서 구해진 차((Vs-Vd)-Vn)가 소정 범위 내로 되었을 때에 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시하는 폐쇄 명령(Cc)을 컨트롤 밸브(6)로 출력하는 밸브 동작 제어부(76)를 구비하고 있다.
보다 구체적인 제어 플로우를 설명하면 제어기(70)에 있어서 도 7의 스텝(S1)에 나타내는 바와 같이 목표 적분 유량(Vs)이 제어기(70)의 비교부(74)에 입력된다. 또한, 기지 적분 유량(Vd)도 비교부(74)에 입력된다.
이어서, 스텝(S2)에 나타내는 바와 같이 비교부(74)에 있어서 목표 적분 유량(Vs)으로부터 기지 적분 유량(Vd)을 뺀 감산 후 목표 적분 유량(Vs')(=Vs-Vd)이 구해진다. 또한, 목표 적분 유량(Vs) 및 기지 적분 유량(Vd)을 미리 알고 있을 경우 감산 후 목표 적분 유량(Vs')이 최초부터 비교부(74)에 입력되어도 좋다. 또한, 입력된 설정 유량 신호(Ss)로부터 목표 적분 유량(Vs)을 구할 때에는 설정 유량 신호(Ss)의 1펄스의 하강을 기다려 목표 적분 유량(Vs)이 산출되어도 좋고, 스텝(S1) 및 스텝(S2)은 이하에 설명하는 산출부(72)에 있어서 연산 적분 유량(Vn)을 구하는 스텝과 병행하여 행해질 수 있다.
한편, 입력된 설정 유량 신호(Ss)에 따라 컨트롤 밸브(6)에 개방 명령이 내려진 후 제어기(70)의 산출부(72)에 있어서 스텝(S3)에 나타내는 바와 같이 유량 측정부의 신호(제어 유량 신호(Sr))에 의거하여 소정 미소 기간(여기에서는 유량 연산 주기(tx))의 적분 유량(Qt·tx)이 산출된다.
이어서, 스텝(S4)에 나타내는 바와 같이 스텝(S3)에서 구해진 적분 유량을 과거의 적분 유량의 합계값에 가산하여 총합의 연산 적분 유량(Vn)을 산출한다. 산출된 연산 적분 유량(Vn)은 제어기(70)의 산출부(72)로부터 비교부(74)로 보내진다.
이어서, 스텝(S5)에 나타내는 바와 같이 비교부(74)에 있어서 감산 후 목표 적분 유량(Vs')과 연산 적분 유량(Vn)의 차(Vs'-Vn)가 산출되고, 스텝(S6)에 나타내는 바와 같이 산출된 차(Vs'-Vn)가 설정 범위 내인지의 여부가 판정된다. 여기에서 설정 범위는 감산 후 목표 적분 유량(Vs')과 연산 적분 유량(Vn)이 실질적으로 동일한지의 여부를 판정할 수 있는 범위로 설정되고, 전형적으로는 0을 중심으로 하여 유량 측정기의 출력 오차 범위와 동 정도의 범위로 설정된다.
스텝(S6)에 있어서 차(Vs'-Vn)가 설정 범위 내가 아니(No)라고 판단되었을 때에는 연산 적분 유량(Vn)이 도달해야 할 적분 유량에 도달해 있지 않다고 판단되어 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시하는 일 없이 스텝(S3)으로 돌아간다. 그리고 스텝(S3)에 있어서 제어 유량 신호(Sr)로부터 구한 적분 유량을 스텝(S4)에 있어서 전회까지의 총합 적분 유량에 가산하여 갱신된 연산 적분 유량(Vn)을 산출한다. 또한, 스텝(S5)에서는 감산 후 목표 적분 유량(Vs')과 갱신된 연산 적분 유량(Vn)의 차가 산출된다. 이 일련의 동작은 스텝(S6)에서 차(Vs'-Vn)가 설정 범위 내(Yes)라고 판단될 때까지 반복되고, 이 동안 컨트롤 밸브(6)를 통해 가스는 계속해서 흐르게 된다.
그리고 스텝(S6)에 있어서 감산 후 목표 적분 유량(Vs')과 연산 적분 유량(Vn)의 차(Vs'-Vn)가 설정 범위 내라고 판정되었을 때에는 연산 적분 유량(Vn)이 감산 후 목표 적분 유량(Vs')과 실질적으로 동일해진 것으로 판단하여 비교부(74)는 밸브 동작 제어부(76)에 컨트롤 밸브(6)에 폐쇄 명령(Cc)을 출력하도록 명령한다. 밸브 동작 제어부(76)는 명령을 받아 스텝(S7)에 나타내는 바와 같이 폐쇄 명령(Cc)을 컨트롤 밸브(6)에 출력하여 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시한다.
그 후 컨트롤 밸브(6)는 유량 하강 기간에 있어서 기지 적분 유량(Vd)에 대응하는 양의 가스를 유출하면서 완전히 밸브 폐쇄하지만 측정 적분 유량(Vn+Vd)과 목표 적분 유량(Vs)이 일치하고 있으므로 소망의 가스량을 공급할 수 있다.
이상, 어떤 일실시형태의 제어기(70)를 설명했지만 도 8에 나타내는 바와 같이 다른 실시형태의 제어기(80)는 유량 측정부로부터 출력된 유량값에 의거하여 적분 유량의 총합에 대응하는 연산 적분 유량(Vn)과 입력된 기지 적분 유량(Vd)을 가산하여 측정 적분 유량(Vn+Vd)을 산출하는 산출부(82)와, 목표 적분 유량(Vs)과 산출부(82)에서 산출된 측정 적분 유량(Vn+Vd)의 차를 구하는 비교부(84)와, 비교부(84)에서 구해진 차(Vs-(Vn+Vd))가 소정 범위 내로 되었을 때에 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시하는 폐쇄 명령(Cc)을 출력하는 밸브 동작 제어부(86)를 구비한다. 제어기(80)를 사용해도 제어기(70)와 마찬가지로 측정 적분 유량(Vn+Vd)을 목표 적분 유량(Vs)에 일치시키도록 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작 개시의 타이밍을 제어할 수 있다.
상술한 제어기(70, 80)는 적산한 적분 유량이나 외부로부터 얻은 목표 적분 유량을 저장해 두기 위한 기억부를 구비하고 있어도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 또한, 기억부는 제어기(70, 80)나 유량 제어 장치(100)의 외부에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 목표 적분 유량이나 기지 적분 유량은 미리 데이터로서 기억부에 저장되어 있어도 좋고, 밸브 폐쇄 명령을 출력하기 전의 임의의 타이밍에서 기억부에 입력되어도 좋다.
도 9는 다른 실시형태에 있어서의 펄스 유량 제어의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에 나타내는 실시형태에서는 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄할 때 1차 지연 제어에 의해 밸브 폐쇄 동작을 행하고 있다.
컨트롤 밸브(6)의 1차 지연 제어는 소정 지수 함수에 따라 유량 목표값을 저하시킴으로써 행할 수 있다. 또한, 유량 목표값에 사용하는 소정 지수 함수로서는 미리 측정에 의해 얻어진 상류 압력(P1)의 압력 강하 특성 데이터(Y(t))와 비교하여 이것보다 완만한(즉, 기울기가 작은) 지수 함수가 사용되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면 압력 강하 특성 데이터(Y(t))가 초기 압력을 P0으로 하여 Y(t)=P0·exp(-t/τ)로 나타내어지는 시정수 τ의 지수 함수에 의해 부여되어 있을 때 본 실시형태에서는, 예를 들면 P(t)=(P0-Px)·exp(-t/τ')＋Px(여기에서 Px는 유량 목표 수속값에 대응하는 압력)에 따르는 목표 상류 압력(P(t))에 적합하도록 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어하고, 이 때의 P(t)에 있어서의 시정수 τ'가 Y(t)에 있어서의 시정수 τ보다 커지도록, 즉 τ<τ'로 설정되어 있다. 이에 따라 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만한 지수 함수인 P(t)에 따라 유량 목표값을 저하시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태와 같이 컨트롤 밸브(6)를 완전히 폐쇄하여 유량을 0으로 할 경우 상기 Px는 전형적으로는 0이 된다. 또한, 본 명세서에 있어서 완만한 함수란 P(t1)=Y(t2)를 충족하는 t1, t2에 대해 |dP(t1)/dt|<|dY(t2)/dt|를 충족하는 것을 의미한다.
상기 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는, 예를 들면 가스가 흐르고 있는 상태로부터 컨트롤 밸브(6)를 급속하게 폐쇄했을 때에 발생하는 상류 압력(P1)의 강하 특성을 나타내는 데이터이다. 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 컨트롤 밸브(6)를 폐쇄한 후의 유량이 저하되는 과정에서 시간의 함수로서 상류 압력(P1)을 플롯함으로써 얻을 수 있다. 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 얻을 때의 초기 제어 압력은 100%에 한정되지 않고, 임의의 압력이면 좋다.
압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 엄밀하게는 기기마다 상이한 데이터이다. 단, 동일 설계(동일 컨트롤 밸브-다이어프램부 사이 용적, 동일 오리피스 지름)로 제작된 압력식 유량 제어 장치에서는 거의 동일 특성 데이터로 되는 것을 알고 있다. 따라서, 동 설계의 압력식 유량 제어 장치에 대해서는 공통의 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 기기마다의 특성차를 흡수할 수 있는 마진을 확보하도록 압력 강하 특성 데이터(Y(t))에 대해서 충분하게 완만한 지수 함수를 목표값으로서 사용함으로써 복수의 동 설계 기기에 대해서 동일 지수 함수 제어를 적용하는 것도 가능하다.
복수의 압력식 유량 제어 장치에 대해서 동일 공통의 지수 함수 제어를 사용할 경우 각 압력식 유량 제어 장치에 있어서 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 미리 각각 취득해 두고, 얻어진 압력 강하 특성 데이터(Y(t)) 중 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 기준으로 하여 공통의 목표값(P(t))을 설정하도록 해도 좋다. 공통의 목표값(P(t))은 상기 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만한 지수 함수로 설정되며, 복수의 압력식 유량 제어 장치의 전체에 있어서 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만하게 설정된다. 따라서, 복수의 압력식 유량 제어 장치의 전체에 있어서 공통의 목표값(P(t))이 지배적으로 되며, 장치 간의 응답성의 차를 없앨 수 있고, 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 동등의 유량 제어를 행하는 것이 가능해진다.
도 10은 복수의 압력 강하 특성 데이터(Y1(t), Y2(t))에 대해서 공통으로 설정된 목표값(P(t))을 나타낸다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y2(t))보다 완만한 목표값(P(t))으로 설정함으로써 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 동등의 유량 제어를 행하는 것이 가능해진다.
이상과 같은 1차 지연 제어를 행함으로써 유량 하강 기간의 유량 강하 특성을 일정하게 할 수 있고, 기기에 의한 차(예를 들면, 오리피스의 이변이 발생한 것에 의한 유량 강하 특성의 변동 등)에 의존하는 일 없이 유량 하강 동작을 행할 수 있다. 이에 따라 상술한 밸브 폐쇄 개시 후의 적분 유량(기지 적분 유량(Vd))의 변동을 억제하고, 또한 기기마다의 차를 없앨 수 있으므로 안정된 펄스 유량 제어를 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만 다양한 개변이 가능하다. 예를 들면, 도 4 및 도 5에 나타낸 실시형태에서는 목표 적분 유량(Vs)을 산출함과 아울러, 측정 적분 유량(Vn+Vd)이 목표 적분 유량(Vs)과 일치하도록 밸브 개폐 동작을 행했지만 이것에 한정되지 않는다. 본 발명의 다른 실시형태에서는 설정 유량 신호(Ss)와 제어 유량 신호(Sr)의 차의 총합(즉, 적분 유량차)을 연산에 의해 구하고, 적분 유량차가 0에 수속되도록 컨트롤 밸브(6)의 밸브 폐쇄 동작을 제어하도록 해도 좋다.
보다 구체적으로 설명하면 유량 상승 기간에는 설정 유량 신호(Ss)가 제어 유량 신호(Sr)보다 크기 때문에 도 9에 나타내는 면적(A1)에 대응하는 양의 차가 발생한다. 한편, 하강 시에는 설정 유량 신호(Ss)가 먼저 0으로 저하되므로 도 9에 나타내는 면적(A2)에 대응하는 음의 차가 발생한다. 또한, 기지 적분 유량(Vd)도 음의 차가 된다. 그래서 양의 면적(A1)과, 음의 면적(-A2), 및 기지 적분 유량(-Vd)을 더한 값이 0에 수속된 타이밍에서 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄를 개시하면 적분 유량차를 0으로 할 수 있다.
상기 동작은, 예를 들면 도 11에 나타내는 제어기(90)를 사용해서 실행할 수 있다. 제어기(90)는 입력된 설정 유량 신호(Ss)와 유량 측정부로부터 출력된 제어 유량 신호(Sr)의 차분의 총합인 적분 유량차를 산출하는 차분 산출부(92)와, 차분 산출부(92)의 출력이 소정 범위 내에 수속되었는지의 여부를 판정하는 판정부(94)와, 적분 유량차가 소정 범위 내에 수속되었다고 판정되었을 때에 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부(96)를 구비하고 있으며, 적분 유량차가 실질 0이 되도록 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작을 개시함으로써 측정 적분 유량과 목표 적분 유량을 일치시킬 수 있다.
또한, 상기에는 하강 기간의 적분 유량이 기지인 실시형태를 설명했지만 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않는다. 밸브 폐쇄 개시 후의 제어 유량을 측정하면서 밸브 폐쇄 개시 후의 적분 유량을 포함하는 전체의 연산 적분 유량(즉, 유량 하강 기간까지 확대된 연산 적분 유량)을 상기 기지 적분 유량(Vd)을 포함하지 않는 측정 적분 유량으로서 사용하고, 이 측정 적분 유량을 목표 적분 유량에 일치시키도록 컨트롤 밸브(6)의 동작을 제어하도록 해도 좋다.
이를 위해서는, 예를 들면 목표 적분 유량과 연산 적분 유량의 차가 소정 역치에 도달한 시점에서 컨트롤 밸브의 폐지 동작을 개시함과 아울러, 그 후의 적분 유량이 역치분과 적합하도록 컨트롤 밸브의 폐지 동작을 제어하면 좋다. 1차 지연 제어를 행할 경우에는 유량 하강 기간의 밸브 폐쇄 동작의 시정수를 적당히 설정함으로써 목표 적분 유량에 측정 적분 유량을 적합시킬 수 있다. 1차 지연 제어의 시정수는 유량 하강 기간의 도중에 변경되어도 좋다.
또한, 상기에는 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 개시의 타이밍을 지연시켜 측정 적분 유량을 목표 적분 유량에 일치시키는 예를 설명했지만 이것에 한정되지 않는다. 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 개시의 타이밍은 설정 유량 신호와 동일하게 하면서 컨트롤 밸브(6)의 폐쇄 동작의 제어를 목표 적분 유량에 대응하도록 행해도 좋다. 예를 들면, 유량 상승 시의 적분 유량차에 의거하여 유량 하강 기간의 램프 함수의 계수나 1차 지연 제어의 시정수를 적절하게 설정함으로써 측정 적분 유량을 목표 적분 유량에 일치시킬 수 있다.
또한, 상기에는 유량 측정부로서 압력식 유량 제어 장치의 상류 압력 센서를 사용하는 예를 설명했지만 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 열식 유량계 등의 다른 실시형태의 유량 측정부가 형성되어 있을 때이어도 유량 측정부의 출력에 의거하여 측정 적분 유량을 구함과 아울러, 이것이 목표 적분 유량에 일치하도록 컨트롤 밸브의 밸브 폐쇄 동작을 제어함으로써 소망의 적분 유량을 공급할 수 있는 적합한 펄스 유량 제어를 행할 수 있다.
또한, 상기에는 측정 적분 유량을 목표 적분 유량에 합치시키기 위해서 유량 하강 기간에 있어서의 컨트롤 밸브(6)의 폐지 동작의 타이밍 등을 제어하는 실시형태를 설명했다. 단, 본 발명의 유량 제어 장치는 이것에 한정되지 않고, 유량 상승 기간, 즉 유량이 0으로부터 설정 유량(Q0)에 도달할 때까지의 기간에 있어서 목표 적분 유량에 대응하는 적분 유량으로 가스를 흐르게 할 수 있도록 구성되어 있어도 좋다. 이하, 유량 상승 기간에 있어서 적분 유량을 보상하는 예시적인 실시형태에 대해서 설명한다.
도 12는 유량 상승 기간에 있어서의 설정 유량 신호(유량 입력 신호)(Ss)와, 본 실시형태에 있어서 실현되는 제어 유량 신호(Sr)(유량 출력 신호)를 나타내는 도면이다. 상술한 바와 같이 본 실시형태에 있어서도 설정 유량 신호(Ss)는 시각(t0)에 있어서 유량 0으로부터 설정 유량(Q0)으로 증가시키는 구형파의 신호로서 유량 제어 장치(100)에 부여된다.
단, 본 실시형태에서는 유량 상승 기간에 있어서 램프 제어가 행해져 있다. 보다 구체적으로는 유량 제어 장치(100)는 상기 설정 유량 신호(Ss)를 받으면 시각(t0)으로부터 500msec의 시간을 들여서 설정 유량(Q0)(여기에서는 100% 유량)까지 직선적으로 유량을 증가시키는 내부 지령 신호(파선(L1))를 생성하고, 이 내부 지령 신호에 따라 컨트롤 밸브(16)를 서서히 개방하는 동작을 행한다. 이것은 본 실시형태에서는 목표 적분 유량에 적합하는 면적 제어(공급되는 가스의 체적의 제어)를 행하고 있으므로 상승 시에 램프 제어를 행했다고 해도 적분 유량을 소망의 적분 유량에 적합시키는 제어가 가능하여 적합한 가스 공급을 실시할 수 있기 때문이다.
이와 같은 램프 제어를 행함으로써 상승 기간에 있어서의 급격한 가스 공급의 증가가 방지되므로 오버슈트의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 단, 기울기가 급한 램프 제어에서는 역시 오버슈트가 발생할 수 있으므로 미리 설정된 상한의 기울기 이하로 램프 제어를 행하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는 300msec로 100% 유량까지 상승할 때의 기울기(파선(L2)의 기울기)가 상한의 기울기로 설정되어 있다. 단, 오버슈트가 발생하는 기울기는 목표값인 설정 유량이나 기기의 특성에 의해 다양한 것이므로 300msec의 기울기에 한정되지 않고, 임의의 것이면 좋은 것은 말할 필요도 없다. 또한, 램프 제어의 기울기도 상기와 같이 500msec로 100% 유량까지 상승할 때의 기울기에 한정되지 않고, 임의의 기울기나 설정 유량이면 좋은 것은 말할 필요도 없다.
또한, 램프 제어를 행했을 경우 도 12에 나타내는 바와 같이 이상적으로는 파선(L1)으로 나타내는 바와 같이 시각(t0)으로부터 유량의 상승이 행해진다. 이 경우 구형파의 설정 유량 신호(Ss)가 요구되는 적분 유량보다 삼각형 면적분(Q0×500msec/2)의 적분 유량(가스 체적)의 부족이 발생한다. 단, 이 부족분은 미리 구해지는 양이므로 상술한 바와 같은 유량 하강 시각을 지연시키는 등의 방법에 의해 용이하게 보상할 수 있다.
단, 램프 제어를 행할 때에도 도 12의 제어 유량 신호(Sr)(유량 출력 신호)가 나타내는 바와 같이 실제로는 컨트롤 밸브(6)의 개방의 지연이 발생하여 시각(t0)으로부터 어느 정도의 지연 시간(Δt)이 경과하고 나서 유량이 상승한다. 도시하는 예에서는 약 150msec의 지연이 발생해 있다. 이 때문에 실제로는 램프 제어로 공급되어야 할 소망의 적분 유량보다 적은 양으로의 공급이 된다. 부족분의 적분 유량은 도 12에 나타내는 삼각형의 면적(A)에 상당하다.
그래서 본 실시형태에서는 유량 상승 기간에 있어서 램프 제어에 대응하는 내부 제어 신호(파선(L1)으로 나타내어지는 신호)와 제어 유량 신호(Sr)의 차인 면적(A)(적분 유량차)을 유량 측정부에 의한 측정에 의해 얻음과 아울러, 이 부족분의 면적(A)분을 보상하도록 하고 있다. 보다 구체적으로는 유량 상승의 도중으로부터 램프 제어의 계수(기울기)를 파선(L1)의 기울기(제 1 기울기)로부터 파선(L2)의 기울기(제 2 기울기)로 변화시켜 도 12에 나타내는 면적(B)분만큼 가스 공급량을 증가시킨다. 또한, 변화 후의 램프 제어의 기울기로서는 오버슈트가 발생하지 않는 상한의 기울기인 300msec의 기울기를 채용하고 있다. 또한, 면적(A)은 구체적으로는 도 11에 나타낸 차분 산출부(92)에 있어서 설정 유량 신호(Ss) 대신에 내부 제어 신호(램프 제어 신호)를 입력하고, 차의 총합인 적분 유량차를 산출함으로써 구할 수 있다.
상기 동작을 행할 경우, 면적(A)과 면적(B)이 동일하면 램프 제어에 따라 컨트롤 밸브(6)의 밸브 개방의 지연 없이 목표 유량에 도달할 때까지 공급되었을 때와 동일한 만큼의 양의 가스가 공급된다. 여기에서 면적(A)은 유량 측정부를 사용하여 측정한 실제의 유량의 출력 신호와 내부 지령 신호의 차의 적산값(적분 유량차)에 의해 구할 수 있다. 또한, 이 부족분의 양을 보충하기 위해서는 면적(B)이 면적(A)과 일치하도록 램프 제어의 기울기를 변경하면 좋지만 변경 전의 기울기와 변경 후의 기울기가 미리 결정되어 있을 경우에는 기울기를 변경하는 시각(tc)을, 예를 들면 이하와 같이 해서 결정할 수 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이 500msec로 도달할 때의 기울기를 θ1, 300msec로 도달할 때의 기울기를 θ2라고 하면 도 12에 나타내는 기간(x)과 기간(y)은 y=x (tanθ1/tanθ2)의 관계를 충족한다. 그리고 면적(B)은 B=(1/2)×(x-y)×x·tanθ1로 나타낼 수 있다.
여기에서 B=A를 만족할 경우, y=x(tanθ1/tanθ2)를 사용하여 2B=2A=x2×(1-tanθ1/tanθ2)×tanθ1이 도출된다. 이것을 변형하면 x=√(2A/(1-tanθ1/tanθ2)tanθ1)이 된다. 그리고 A 이외에는 정수이므로 정수 C=√2/((1-tanθ1/tanθ2)×tanθ1)로 두면 x=C×√A로 나타낼 수 있다. 따라서, A=B를 충족하는 스위칭 시각(tc)은 시각(t0)을 0으로 했을 때에 tc=500-C×√A에 의해 부여되고, 즉 A의 측정 결과에 의거하여 tc를 결정할 수 있다.
이와 같이 해서 결정된 시각(tc)에 램프 제어의 기울기를 500msec의 기울기(θ1)로부터 300msec의 기울기(θ2)로 변화시킴으로써 소망의 적분 유량으로 가스를 공급하는 것이 가능하다.
단, 다른 실시형태에 있어서 부족분의 면적(A)을 보충하기 위해서 변화 후의 램프 제어의 기울기를 측정한 면적(A)에 의거하여 결정하도록 해도 좋다. 이 경우 기울기를 변화시키는 시각(tc)은 고정함과 아울러, 면적(A)에 따른 기울기를 적당히 선택함으로써 면적(A)과 면적(B)을 동일하게 할 수 있다. 단, 오버슈트의 발생을 방지하기 위해서 변화 후의 기울기는 상한의 기울기(여기에서는 300msec의 기울기) 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법은, 예를 들면 반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서 이용되며, 특히 펄스 유량 제어가 요구되는 용도에 있어서도 적합하게 이용될 수 있다.
1: 유로 2: 다이어프램부
3: 상류 압력 센서 4: 하류 압력 센서
5: 온도 센서 6: 컨트롤 밸브
7: 제어기 9: 하류 밸브
10: 프로세스 쳄버 11: 진공 펌프
12: 외부 제어 장치 70: 제어기
72: 산출부 74: 비교부
76: 밸브 동작 제어부 100: 유량 제어 장치
Cc: 폐쇄 명령 Sr: 제어 유량 신호
Ss: 설정 유량 신호 Vd: 기지 적분 유량
Vn: 연산 적분 유량 Vs: 목표 적분 유량

Claims (13)

  1. 유로에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브에 의해 제어된 유체의 유량을 측정하는 유량 측정부와, 제어기를 구비하고,
    상기 제어기는 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호에 의거하는 측정 적분 유량과 목표 적분 유량이 일치하도록 상기 컨트롤 밸브의 개폐 동작을 제어하고,
    상기 측정 적분 유량은 상기 컨트롤 밸브를 폐지한 후의 유량 하강 기간에 있어서의 기지 적분 유량을 포함하는 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량 측정부는 소정 기간마다 유량값을 출력하도록 구성되어 있으며,
    상기 제어기는,
    상기 유량 측정부로부터 출력된 유량값에 의거하여 상기 소정 기간의 적분 유량의 총합에 대응하는 연산 적분 유량을 산출하는 산출부와,
    상기 목표 적분 유량으로부터 기지 적분 유량을 감산한 값과, 상기 산출부에서 산출된 상기 연산 적분 유량의 차를 구하는 비교부와,
    상기 비교부에서 구해진 상기 차가 소정 범위 내로 되었을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함하는 유량 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량 측정부는 소정 기간마다 유량값을 출력하도록 구성되어 있으며,
    상기 제어기는,
    상기 유량 측정부로부터 출력된 유량값에 의거하여 상기 소정 기간의 적분 유량의 총합에 대응하는 연산 적분 유량을 산출한 후, 상기 연산 적분 유량과 상기 기지 적분 유량을 가산하여 상기 측정 적분 유량을 산출하는 산출부와,
    상기 목표 적분 유량과 상기 측정 적분 유량의 차를 구하는 비교부와,
    상기 비교부에서 구해진 상기 차가 소정 범위 내로 되었을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함하는 유량 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    입력된 설정 유량 신호와 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호의 차의 총합인 적분 유량차를 산출하는 차분 산출부와,
    상기 차분 산출부의 출력이 소정값 또는 소정 범위 내에 수속되었는지의 여부를 판정하는 판정부와,
    상기 차분 산출부의 출력이 수속되었다고 상기 판정부가 판정했을 때에 상기 컨트롤 밸브의 폐쇄 동작을 개시하는 밸브 동작 제어부를 포함하는 유량 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 적분 유량은 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호로부터 구해지는 연산 적분 유량을 포함하고,
    상기 제어기는 상기 목표 적분 유량으로부터 상기 기지 적분 유량을 뺀 값에 상기 연산 적분 유량이 도달한 타이밍에서 상기 컨트롤 밸브의 폐지를 개시하도록 구성되어 있는 유량 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유량 측정부는 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 형성된 다이어프램부와, 상기 컨트롤 밸브와 상기 다이어프램부 사이의 압력을 측정하는 압력 센서를 구비하고, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 다이어프램부의 하류측의 유량을 측정하는 유량 제어 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브의 폐지는 1차 지연 제어에 의해 행해지는 유량 제어 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브는 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브인 유량 제어 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기에는 설정 유량 신호로서 구형파의 연속 펄스 신호가 입력되는 유량 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 유량 상승 기간에 있어서 설정 유량 신호에 의거하는 내부 지령 신호로서의 램프 제어 신호와 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호의 차의 총합인 적분 유량차를 산출하는 차분 산출부를 갖고, 상기 차분 산출부의 출력에 의거하여 상기 램프 제어 신호에 있어서의 기울기를 도중에 변화시키는 유량 제어 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 램프 제어 신호의 기울기를 500msec로 100% 유량에 도달할 때의 기울기인 제 1 기울기로부터 300msec로 100% 유량에 도달할 때의 기울기인 제 2 기울기로 변화시키는 유량 제어 장치.
  12. 유로에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브에 의해 제어된 유체의 유량을 측정하는 유량 측정부를 구비한 유량 제어 장치의 유량 제어 방법으로서,
    목표 적분 유량으로부터 상기 컨트롤 밸브를 폐지한 후의 유량 하강 기간에 있어서의 기지 적분 유량을 뺀 값에 상기 유량 측정부로부터 출력된 신호로부터 구해지는 연산 적분 유량이 도달한 타이밍에서 상기 컨트롤 밸브의 폐지를 개시하는 공정을 포함하는 유량 제어 방법.
  13. 삭제
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