KR20120111883A

KR20120111883A - 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR20120111883A
Application number: KR20110101746A
Authority: KR
Inventors: 다까오 고또; 도시히로 아오노; 데쯔로오 가와이
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2012-10-11
Also published as: US8800592B2; JP5915043B2; KR101677771B1; US20120247584A1; JP2012216170A

Abstract

본 발명의 과제는 응답성이 양호한 유량 제어를 용이한 설정으로 실현한다.
유량 제어 장치(100)에 있어서, 콤퍼레이터(40)는 유량의 지령값 신호(Vi1)와, 센서 출력 신호(Vs)에 따른 신호(Vi2)의 비교에 기초하여 제1 제어 전압(Vref)을 출력한다. 피드백 전류 생성부(30)는 센서 출력 신호(Vs)와, 지령값 신호(Vi1)에 따른 신호(Vi2)의 차에 따른 피드백 전류(Ifb)를 생성한다. 피드백 전압 생성부(50)는 저항기이다. 피드 포워드 전류 생성부(20)는 지령값 신호(Vi1)에 따라서 피드 포워드 전류(Iff)를 생성한다. 합성부(60)는 피드백 전류(Ifb)와 피드 포워드 전류(Iff)의 합에 따른 전압을 피드백 전압(Vfb)에 가산한 전압인 제2 제어 전압(Vdrv*)을 생성한다. 밸브부(90)는 제1 제어 전압(Vref)과 제2 제어 전압(Vdrv*)에 따라서 제어되는 유량 제어 장치이다.

Description

유량 제어 장치{FLOW CONTROL DEVICE}

본 발명은 반도체 제조 프로세스 등에 소정의 질량 유량의 가스 등을 공급하기 위한 유량 제어 장치에 관한 것으로, 특히 유량 제어 장치의 응답성의 개량에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조 프로세스 등에 소정의 질량 유량의 가스 등을 공급하기 위해 유량 제어 장치가 사용된다. 이와 같은 유량 제어 장치에 있어서는, 가스 등이 흐르는 유로 중에 유량 센서와 제어 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 유량 센서의 검지값이 유량 설정 신호와 비교되어, 양자의 차에 기초하여 제어 밸브의 밸브 개방도가 제어된다. 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 유량 제어 장치의 응답성이 반도체 제조의 생산성에 큰 영향을 미친다. 이로 인해, 유량 제어 장치에 대해 종래 다양한 개선이 이루어져 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1의 기술에는, 유량 제어에 있어서, 유량 설정값이 변경되었을 때, 유량 설정 신호와 유량 센서의 검지값의 편차로부터 구해지는 제어 밸브 구동 전압보다도 약간 작은 초기 전압을 제어 밸브에 인가하고, 그 후 즉시 속도형 PID 제어로 이행한다. 그리고, 이 방법에 의해, 오버 슛을 발생하는 일 없이 신속하게 원하는 유량으로 할 수 있는 것으로 한다.

또한, 특허 문헌 2의 매스 플로우 컨트롤러는, 유체가 흐르는 유로에 설치된 제어 밸브와, 상기 유로에 설치된 유량 센서와, 유량 센서에 의한 측정값이 유량 설정 신호에 의한 설정값으로 되도록 상기 제어 밸브를 개폐 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 PID 회로를 갖는 매스 플로우 컨트롤러이며, 상기 유량 설정 신호가 입력된 시점으로부터 유량 센서가 유체의 흐름을 검지하는 시점까지의 동안, 상기 PID 회로에 보정 신호를 출력하는 응답 개선 회로를 설치한 매스 플로우 컨트롤러이다. 특허 문헌 2에서는, 이 구성에 의해, 유량 제어의 응답성이 개선된 것으로 하고 있다.

또한, 특허 문헌 3의 밸브 제어 장치는 설정 유량과 피드 포워드 계산식으로부터 최적 밸브 개방도를 연산하는 제1 연산 수단과, 유량 검출 수단으로 검출된 실유량과 설정 유량을 비교하여, 그 편차를 구하는 비교 수단과, 비교 수단에 의해 구해진 편차에 기초하여 PID 제어 연산을 행하는 제2 연산 수단과, 제1 연산 수단의 연산 결과와 제2 연산 수단의 연산 결과를 서로 더하게 하는 제3 연산 수단을 갖는 밸브 제어 장치이다. 그리고, 피드 포워드 계산식에 의해 최적 밸브 개방도를 얻음으로써 제어의 응답성이 빨라져, PID 제어 연산에 의해 최적 밸브 개방도의 보정량을 구하여 미세 조정을 가할 수 있는 것으로 하고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2001-147723호 공보 일본 특허 출원 공개 제2002-41149호 공보 일본 특허 출원 공개 평9-171412호 공보

특허 문헌 1에 기재된 기술에 따르면, 유량 설정값이 변경되었을 때의 유량 제어의 응답성은 개선된다. 그러나, PID 제어가 지배적인 것을 대신하는 것은 아니므로, 응답 속도의 향상이 불충분하다.

특허 문헌 2에 있어서는, PID 회로에 보정 신호를 출력하는 응답 개선 회로를 설치함으로써, 유량 제어의 개선을 도모하고 있다. 그러나, 보정 신호의 크기, 보정 신호가 출력되는 시간 길이를 규정하는 임계값의 조절에는 많은 공정수를 필요로 한다. 왜냐하면, 보정 신호는 PID 회로를 거쳐서 제어 밸브를 컨트롤하므로, PID 게인이 바뀌어 버리면 보정 신호의 크기나 임계값은 재조정할 필요가 있기 때문이다.

또한, 특허 문헌 3에 있어서는, 피드 포워드 연산 출력 결과가 제어 중에도 상시 인가되게 되어, 최적인 제어 응답성을 실현하기 위해 피드 포워드 파라미터와 피드백 파라미터를 조정할 때에는, 양 파라미터의 상관을 고려하여, 조정할 필요가 있다. 즉, 피드 포워드 파라미터와 피드백 파라미터 중 어느 하나를 변경하면, 다른 쪽의 파라미터에 영향을 미치기 때문에, 조정 시간이 걸린다고 하는 문제점이 있다.

이상에서 서술한 응답성의 개선과, 피드백 제어와 피드 포워드 제어의 양립의 문제는, 반도체 제조 프로세스에 사용되는 매스플로우 미터에 있어서의 유량 제어로 한정되지 않고, 다양한 유체의 유량 제어에 있어서 존재한다.

본 발명은 상기 과제 중 적어도 일부를 취급하기 위해 이루어진 것으로, 응답성이 양호한 유량 제어를, 용이한 설정으로 실현하는 것을 목적으로 한다.

[제1 적용예]

유량 제어 장치이며,

유로 내를 통과하는 유체의 유통을 제어하는 밸브부와,

상기 유체의 유량에 따른 센서 출력 신호를 출력하는 유량 센서와,

상기 유체의 유량의 지령값을 나타내는 지령값 신호인 제1 입력 신호와, 상기 센서 출력 신호에 따른 신호인 제2 입력 신호가 입력되어, 상기 제1 입력 신호와 상기 제2 입력 신호의 비교에 기초하여, 제1 제어 전압을 출력하는 콤퍼레이터와,

상기 센서 출력 신호 또는 상기 센서 출력 신호에 따른 신호와, 상기 지령값 신호에 따른 신호의 차에 따른 피드백 전류를 생성하는 피드백 전류 생성부와,

상기 피드백 전류에 따른 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부와,

상기 지령값 신호에 따라서 피드 포워드 전류를 생성하는 피드 포워드 전류 생성부와,

상기 피드백 전류와 상기 피드 포워드 전류의 합에 따른 전압을 상기 피드백 전압에 가산한 전압인 제2 제어 전압을 생성하는 합성부를 구비하고,

상기 밸브부는 상기 제1 제어 전압과 상기 제2 제어 전압에 따라서 제어되는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태에 있어서는, 피드 포워드의 성분을 포함하는 제2 제어 전압에 따라서, 밸브부가 제어된다. 이로 인해, 피드 포워드 제어를 행하지 않는 형태에 비해, 지령값 신호의 변화에 대한 유량의 응답 속도의 개선을 도모할 수 있다.

또한, 상기한 형태에 있어서는, 피드 포워드 전류는 피드백 전류 및 피드백 전압과는 별개로 생성된다. 그리고, 피드 포워드 전류에 기인하는 성분을 반영한 전압과, 피드백 전류에 따른 피드백 전압의 가산에 의해, 제2 제어 전압이 생성된다. 즉, 피드 포워드의 성분과 피드백의 성분은 생성 시에 서로 영향을 받지 않는다. 이로 인해, 밸브부를 제어하는 구동 전압을 생성할 때에, 피드 포워드의 성분과 피드백의 성분의 상호의 조정이 불필요하다. 또한, 피드 포워드 전류를 생성하기 위한 설정은 피드백을 위한 설정에 영향받지 않으므로, 지령값에 따른 피드 포워드 전류를 생성하기 위한 설정이 용이하다.

따라서, 상기한 형태에 따르면, 응답성이 양호한 유량 제어 장치를, 적은 조정 공정수로 실현할 수 있다.

또한, 상기한 형태에 있어서, 「유체」는, 기체라도 좋고, 액체라도 좋다.

또한, 「신호 A에 따른 신호 B」는 제1 적용예에 기재된 요소에 의해 신호 A가 변환된 신호 B라도 좋고, 제1 적용예에서 언급되어 있지 않은 요소에 의해 신호 A가 변환된 신호 B라도 좋다.

상기한 형태에 있어서는, 콤퍼레이터에는 지령값 신호와, 센서 출력 신호에 따른 신호가 입력되어 있다. 이로 인해, 센서 출력 신호에 따른 신호는, 센서 출력 신호가 반영되지만, 콤퍼레이터 이외의 구성 요소로부터 보면, 지령값 신호와 대부분 동일한 값으로 유지된다. 따라서, 예를 들어, 피드백 전류 생성부는 콤퍼레이터의 지령값 신호가 입력되어 있는 단자와 쌍을 이루는 입력 단자에 접속되어 있으면, 그 단자로부터, 지령값 신호와 대략 동일한 신호를 얻을 수 있다. 피드백 전류 생성부에 있어서의 「지령값 신호에 따른 신호」라 함은, 그와 같이 하여 얻어지는 신호라도 좋다.

또한, 콤퍼레이터와, 피드백 전류 생성부와, 피드백 전압 생성부와, 합성부는 아날로그 회로로서 구성되는 것이 바람직하다.

[제2 적용예]

제1 적용예의 유량 제어 장치이며,

상기 합성부는 상기 피드백 전압 생성부의 출력 단부에 직렬로 접속된 저항기이며, 상기 피드백 전류와 상기 피드 포워드 전류가 동시에 흐르도록 구성된 저항기를 포함하는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태로 함으로써, 피드백 전류와 피드 포워드 전류의 합에 따른 전압을 피드백 전압에 가산하여 얻어지는 제2 제어 전압을, 합성부는 저항기의 타단부에 발생시킬 수 있다.

[제3 적용예]

제1 적용예 또는 제2 적용예의 유량 제어 장치이며,

상기 피드 포워드 전류 생성부는,

미리 정해진 설정에 기초하여 상기 지령값 신호에 따른 전압을 출력하는 CPU와,

상기 CPU가 출력한 전압에 따라서 상기 피드 포워드 전류를 흘리는 저항기를 포함하는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태로 하면, 밸브부의 제어에 있어서 피드 포워드 제어를 실현하기 위한 성분을, 피드 포워드 전류로서 생성할 수 있다.

또한, 상기 형태는 저항기가 CPU가 출력한 전압을 직접 인가되는 형태로 할 수도 있고, 저항기가 다른 전원으로부터의 전압의 인가를 받아, 저항기가 CPU가 출력한 전압에 따른 전류를 흘리는 형태로 할 수도 있다.

[제4 적용예]

제1 적용예 내지 제3 적용예 중 어느 하나의 유량 제어 장치이며,

상기 유량 센서는 상기 유로 내를 통과하는 상기 유체에 의한 열의 이동에 기초하여, 상기 유체의 유량을 검지하는 센서인 유량 제어 장치.

이와 같은 형태에 있어서는, 유량 센서는 실제의 유량의 변화를 센서 출력 신호에 반영시키는 것이 느리다. 그러나, 상기 각 적용예와 같은 구성을 채용함으로써, 신속한 응답을 실현하면서, 안정적으로 유로 내를 통과하는 유체의 유량을 제어할 수 있다.

[제5 적용예]

제1 적용예 내지 제4 적용예 중 어느 하나의 유량 제어 장치이며,

상기 제1 제어 전압을 승압하여 제1 구동 전압으로 하는 제1 승압부를 더 구비하고,

상기 제1 승압부와 상기 밸브부를 연결하는 배선은 분압 회로를 통과하여 접지되어 있고,

상기 합성부는 상기 제2 제어 신호를 승압하여 제2 구동 전압으로 하는 제2 승압부를 구비하고,

상기 합성부의 출력 단부로서의 상기 제2 승압부의 출력 단부는 상기 분압 회로에 접속되어 있는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태로 하면, 제1 승압부와 밸브부를 연결하는 배선에 제2 승압부의 출력 단부가 직접 접속되어 있는 형태에 비해, 제2 승압부가 생성하는 제2 구동 전압을 작은 값으로 할 수 있다.

[제6 적용예]

제1 적용예 내지 제5 적용예 중 어느 하나의 유량 제어 장치이며,

상기 센서 출력 신호를 미분하여 얻어지는 성분을 포함하는 미분 신호를 생성하는 미분부를 더 구비하고,

상기 피드백 전류 생성부는 상기 센서 출력 신호에 따른 신호로서의 상기 미분 신호와, 상기 지령값 신호 또는 상기 지령값 신호에 따른 신호의 차에 따른 상기 피드백 전류를 생성하는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태로 하면, 미분부를 구비하지 않고, 센서 출력 신호가 그대로 피드백 전류 생성부에 수신되는 형태에 비해, 실제의 유량의 변화를 반영할 때의 유량 제어 장치의 응답 속도를 빠르게 할 수 있다.

[제7 적용예]

제1 적용예 내지 제6 적용예 중 어느 하나의 유량 제어 장치이며,

상기 피드백 전압 생성부는 저항기와 콘덴서와 리액터 중 어느 한쪽의 2개 이상이 직렬로 결합된 회로 구성을 구비하는 유량 제어 장치.

이와 같은 형태로 하면, 피드백 전압 생성부는 센서 출력 신호와 지령값 신호의 차를 반영한 피드백 전류에 기초하여, 피드백 전압을 생성함으로써, P 성분, I 성분, D 성분 중 어느 한쪽의 2개의 요소를 구비하는 제어를 반영시킨 피드백 전압을 생성할 수 있다.

[제8 적용예]

제1 적용예 내지 제7 적용예 중 어느 하나의 유량 제어 장치이며,

상기 콤퍼레이터는 상기 지령값 신호 또는 상기 지령값 신호에 따른 신호와, 상기 센서 출력 신호에 따른 신호로서의 상기 피드백 전류 생성부의 출력 단부의 전압의 비교에 기초하여, 상기 제1 제어 전압을 출력하는 유량 제어 장치.

또한, 상기 각 적용예의 각 구성을 적절하게 선택하여 조합하거나, 또는 생략함으로써, 본원 명세서에 기재된 기술적 과제를 해결할 수 있는 발명을 구성할 수 있다.

본 발명은, 이하에 나타내는 바와 같은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다.

(1) 유량 제어 장치, 유량 제어 시스템, 유량 제어 방법.

(2) 반도체 제조 장치, 반도체 제조 시스템, 반도체 제조 방법.

(3) 상기한 장치나 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램.

(4) 상기한 장치나 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록 매체.

도 1은 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)의 구성도이다.
도 2는 유량 센서(80)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 피드백 전압 생성 회로(50)의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 지령값 신호(Vi1)에 따른 피드 포워드 전류(Iff)의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프에 수학식 7을 적용하여 얻어지는, CPU(21)의 출력 전압(V21)의 그래프이다.
도 7은 비교예의 지령값 신호(Vi1), 밸브부(90)를 구동하는 구동 전압(Vdrv) 및 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시예의 지령값 신호(Vi1), 밸브부(90)를 구동하는 구동 전압(Vdrv) 및 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 피드 포워드 전류 생성 회로(20b)의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 제3 실시예의 유량 제어 장치(100c)의 구성도이다.
도 11은 제4 실시예의 유량 제어 장치(100d)의 구성도이다.

이하, 도면을 사용하여, 본원 발명의 실시예를 설명한다.

A. 제1 실시예:

A1. 유량 제어 장치의 구성 및 동작:

도 1은 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)의 구성도이다. 가스원(200)은 반도체 제조 장치(300)에 소정의 성분의 가스를 공급한다. 유량 제어 장치(100)는 이 가스의 유량을 제어한다.

유량 제어 장치(100)는 유량 설정부(10)와, 밸브부(90)와, 유량 센서(80)와, 콤퍼레이터(40)와, 제1 승압 회로(70)와, 피드백 전류 생성 회로(30)와, 피드백 전압 생성 회로(50)와, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)와, 합성 회로(60)를 구비한다.

밸브부(90)는 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유통을 제어한다. 밸브부(90)는 유로(400) 내에 설치된 밸브와, 그 밸브를 구동하는 피에조 소자를 구비한다. 밸브부(90)는 구동 전압을 인가하여, 피에조 소자에 의해 밸브의 개방도를 변화시킨다. 또한, 밸브부(90)는 피에조 소자에 인가되는 구동 전압(Vdrv)이 높을 때에 밸브 개방도를 작게 하고, 구동 전압(Vdrv)이 낮을 때에 밸브 개방도를 크게 한다. 밸브 개방도를 조정함으로써, 밸브부(90)는 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유통량을 제어할 수 있다.

도 2는 유량 센서(80)의 구성을 도시하는 도면이다. 유량 센서(80)는 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유량에 따른 센서 출력 신호(Vs)를 출력한다. 센서 출력 신호(Vs)의 크기는 0 내지 5V이다. 또한, 이하, 본 실시예의 설명에 있어서, 「신호」라고 하는 경우에는, 소정의 정보를 나타내는 전압을 의미한다.

유량 센서(80)는 유로(400) 내를 흐르는 가스가 유통하는 바이패스관부(82)를, 유로(400) 내에 갖고 있다. 바이패스관부(82)는 복수의 바이패스관으로 이루어진다. 유로(400)에는 센서관(84)이 접속되어 있다. 보다 구체적으로는, 센서관(84)의 양단부가 바이패스관부(82)의 양단부의 근방의 위치에 접속되어 있다. 즉, 센서관(84)은 유로(400)에 있어서, 바이패스관부(82)를 우회하도록 구성된다. 바이패스관부(82)와 센서관(84)은 센서관(84)에, 바이패스관부(82) 내를 흐르는 가스에 대해 일정한 비율을 유지하고, 바이패스관부(82) 내를 흐르는 가스보다 적은 양의 가스가 흐르도록 구성된다. 유로(400) 내를 유통하는 가스는 바이패스관부(82)나, 센서관(84) 중 어느 하나를 유통한다.

센서관(84)의 표면에는 서로 직렬로 접속된 저항선(R1, R4)이 권취되어 있다. 저항선(R4)은 저항선(R1)보다도 유로의 하류측에 있고, 센서관(84) 표면에 권취되어 있다. 저항선(R1, R4)은 온도에 따라서 그 저항값이 변화되는 소재로 구성되어 있다.

저항선(R1, R4)은 통전되어 발열한다. 그 상태에서, 센서관(84)에 가스가 질량 유량(Q)으로 흐른다고 가정하면, 가스는 센서관(84)의 상류측에 위치하는 저항선(R1)의 열을 빼앗고, 하류측의 저항선(R4)이 권회되어 있는 위치까지 흐른다. 그리고, 저항선(R4)으로 열을 전달하거나, 또는 저항선(R4)으로부터는 저항선(R1)만큼 열을 빼앗지 않는다. 그 결과, 저항선(R1, R4) 사이에 온도차가 발생한다. 그러면, 저항선(R1, R4)의 저항값에 차가 발생한다. 이 저항선(R1, R4)의 저항값의 차는 저항선(R1)의 양단부의 전위차와, 저항선(R4)의 양단부의 전위차의 차이로 되어 나타난다. 이 전위차의 차이의 크기는 가스의 질량 유량(Q)에 대략 비례한다. 유량 센서(80)의 센서 회로(86)는 이 전위차의 차이의 크기에 비례하는 신호(Vs)를 출력한다. 또한, 상술한 바와 같이, 바이패스관부(82)를 흐르는 가스의 유량과, 센서관(84)을 흐르는 가스의 유량은 일정한 비를 유지한다. 이로 인해, 센서 출력 신호(Vs)는 그때에 유로(400) 내를 흐르고 있는 가스의 질량 유량을 나타낸다.

도 1에 도시하는 콤퍼레이터(40)는 반전 입력 단자를 통해, 유량 설정부(10)로부터 지령값 신호(Vi1)를 수취한다. 지령값 신호(Vi1)는 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유량의 지령값을 나타낸다. 지령값 신호(Vi1)의 크기는 0 내지 5V이다. 콤퍼레이터(40)는 비반전 입력 단자를 통해, 센서 출력 신호(Vs)에 따른 신호(Vi2)를 더 수취한다. 신호(Vi2)의 크기도 0 내지 5V이다. 그리고, 콤퍼레이터(40)는 지령값 신호(Vi1)와, 센서 출력 신호(Vs)에 따른 신호(Vi2)의 비교에 기초하여, 제1 제어 전압(Vref)을 출력한다. 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)보다도 작은 경우, 제1 제어 전압(Vref)은 양의 값으로 된다. 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)보다도 큰 경우, 제1 제어 전압(Vref)은 음의 값으로 된다. 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)와 동등한 경우, 제1 제어 전압(Vref)은 0으로 된다.

콤퍼레이터(40)는 잘 알려져 있는 바와 같이, 입력 임피던스가 크고, 또한 이득이 크다. 이로 인해, 콤퍼레이터(40)의 기능을 고찰할 때에는, 비반전 입력 단자의 전위(Vi2)를 반전 입력 단자의 전위(Vi1)와 동일하다고 간주해도 지장 없다.

도 1에 도시하는 제1 승압 회로(70)는 콤퍼레이터(40)로부터 제1 제어 전압(Vref)을 수취하여, 이것을 승압하고, 제1 구동 전압(Vdrv1)을 생성한다. 제1 구동 전압(Vdrv1)은 적어도 일부에 있어서 밸브부(90)의 피에조 소자를 구동하기 위한 구동 전압이다. 또한, 제1 구동 전압(Vdrv1)은 제1 제어 전압(Vref)이 증가하면 감소하고, 제1 제어 전압(Vref)이 감소하면 증가하도록 생성된다. 이는, 밸브부(90)가, 구동 전압(Vdrv)이 높을 때에 밸브 개방도를 작게 하고, 구동 전압(Vdrv)이 낮을 때에 밸브 개방도를 크게 하는 구성이기 때문이다.

피드백 전류 생성 회로(30)는 센서 출력 신호(Vs)와, 콤퍼레이터(40)의 비반전 입력 단자의 전위인 신호(Vi2)의 차에 따른 피드백 전류(Ifb)를 생성한다. 보다 구체적으로는, 피드백 전류 생성 회로(30)는 일단부가 유량 센서(80)에 접속되고, 타단부가 콤퍼레이터(40)의 비반전 입력 단자 및 피드백 전압 생성 회로(50)에 접속된 저항기(저항값 Rx)를 구비한다. 그 저항기의 일단부의 전위가 Vs이고, 타단부의 전위가 Vi2로 되는 결과, 그 저항기에는 이하의 식으로 나타내는 전류(Ifb)가 흐른다. 또한, 전류(Ifb)에 있어서는, 도 1에 있어서 좌측으로부터 우측을 향하는 방향의 전류를 플러스로 한다.

도 3은 피드백 전압 생성 회로(50)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 피드백 전압 생성 회로(50)(도 1 참조)는 피드백 전류(Ifb)에 따른 피드백 전압(Vfb)을 생성한다. 피드백 전압 생성 회로(50)의 회로 구성은, 도 3에 도시한 바와 같이 직렬로 접속된 저항기(저항값 Rb), 콘덴서(용량 Cb), 리액터(인덕턴스 Lb)로 나타낼 수 있다. 피드백 전압 생성 회로(50)는 피드백 전류 생성 회로(30)에 직렬로 접속되어 있다(도 1 참조). 그리고, 콤퍼레이터(40)의 입력 임피던스는 무한대라고 생각할 수 있으므로, 콤퍼레이터(40)의 비반전 입력 단자에는, 전류는 흐르지 않는다. 이로 인해, 피드백 전압 생성 회로(50)에는 피드백 전류(Ifb)가 흐른다. 피드백 전압 생성 회로(50)의 양단부의 전위차 VD50은 이하의 수학식 2로 나타낸다.

도 1에 도시한 바와 같이, 피드백 전압 생성 회로(50)의 일단부는 콤퍼레이터(40)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 이로 인해, 피드백 전압 생성 회로(50)의 그 일단부의 전위는 Vi2이다. 또한, 이 전위(Vi2)는 콤퍼레이터(40)에 의해, 반전 입력 단자의 전위(Vi1)와 대략 동일한 값으로 유지되어 있다. 피드백 전압 생성 회로(50)의 타단부의 전위(Vfb)는 이하의 수학식 3으로 나타낸다.

상기 수학식 1로부터, 수학식 3은 이하와 같이 나타낼 수 있다.

전위(Vi2)는 콤퍼레이터(40)에 의해, 반전 입력 단자의 전위(Vi1)와 동일한 값으로 유지되어 있다(도 1 참조). 이로 인해, 수학식 4는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 5로부터, 피드백 전압 생성 회로(50)의 타단부의 전위(Vfb)는 실제의 가스의 유량을 나타내는 센서 출력 신호(Vs)와, 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유량의 지령값을 나타내는 지령값 신호(Vi1)의 편차(Vs-Vi1)에 기초하여, PID 제어를 행하여, 지령값 신호(Vi1)를 개변한 것으로서, 파악할 수 있다. 여기서, P 게인은 (Rb/Rx)이고, I 게인은 {1/(Cb×Rx)}이고, D 게인은 (Lb/Rx)이다.

도 4는 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 피드 포워드 전류 생성 회로(20)(도 1 참조)는 지령값 신호(Vi1)에 따라서 피드 포워드 전류(Iff)를 생성한다. 피드 포워드 전류 생성 회로(20)(도 1 참조)는, 도 4에 도시한 바와 같이 CPU(21)와, 연산 증폭기(22)와, 저항기(23)와, pnp형 트랜지스터(24)와, 저항기(25)(저항값 R22)를 구비하고 있다. 저항기(25)에는 전원[전위(Vcc)]이 접속되어 있다. 트랜지스터(24)의 콜렉터는 합성 회로(60)(도 1 참조)에 접속되어 있다.

도 5는 지령값 신호(Vi1)에 따른 피드 포워드 전류(Iff)의 크기를 나타내는 그래프이다. 피드 포워드 전류 생성 회로(20)는 지령값 신호(Vi1)에 따라서 도 5와 같은 피드 포워드 전류(Iff)를 생성한다. 즉, Vi가 0 근방의 소정의 범위에 있을 때에는, 피드 포워드 전류(Iff)는 0이고, Vi가 상기한 소정의 범위보다도 큰 범위에 있을 때에는, 피드 포워드 전류(Iff)는 지령값 신호(Vi1)의 증가에 수반하여 선형으로 증가한다. 이와 같은 전류의 제어는, 후술하는 바와 같이 CPU(21)에 의해 실현된다.

도 4의 연산 증폭기(22)의 비반전 입력 단자에는 전류는 유입되지 않는다. 이로 인해, 저항기(25) 및 트랜지스터(24)의 에미터-콜렉터 사이를 흐르는 전류를 Ix, 저항기(25)(저항값 R22)와 트랜지스터(24) 사이의 전위를 V24로 하면, Ix는 이하의 수학식 6으로 나타낸다.

연산 증폭기(22)의 작용에 의해, 비반전 입력 단자의 전위(V21)와, 반전 입력 단자의 전위(V24)는 동일한 값으로 유지된다. 이로 인해, 저항기(25)와 트랜지스터(24) 사이의 전위(V24)는 CPU(21)의 출력 전압(V21)과 동일해진다. 따라서, 전류(Ix)를 원하는 값(Iff)으로 하고 싶은 경우에는 수학식 6으로부터, CPU(21)의 출력 전압(V21)을 이하의 값으로 하면 좋다.

도 6은 도 5의 그래프에 수학식 7을 적용하여 얻어지는, CPU(21)의 출력 전압(V21)의 그래프이다. 미리 정해진 설정에 기초하여 지령값 신호(Vi1)에 따른 소정의 전류(Iff)가 흐르도록(도 5 참조), CPU(21)는 지령값 신호(Vi1)를 수취하고, 이를 변환하여, 출력 전압(V21)(도 6 참조)으로서 연산 증폭기(22)의 정극에 출력한다. 바꿔 말하면, CPU(21)는 지령값 신호(Vi1)를 수취하고, 출력 전압(V21)으로 변환하여 출력함으로써, 지령값 신호(Vi1)에 따른 소정의 전류(Iff)를 흘린다. 피드 포워드 전류 생성 회로(20)는 이와 같은 구성 및 동작에 의해, 미리 정해진 설정에 기초하여, 지령값 신호(Vi1)에 따른 소정의 피드 포워드 전류(Iff)를 출력한다.

도 1에 도시하는 합성 회로(60)는 피드백 전류(Ifb)와 피드 포워드 전류(Iff)의 합에 따른 전압을 피드백 전압(Vfb)에 가산한 전압인 제2 제어 전압(Vdrv*)을 생성한다. 제2 제어 전압(Vdrv*)은 일례로서, 0 내지 15V의 값을 취할 수 있다.

합성 회로(60)는 저항기(62)(저항값 Rg)와 제2 승압 회로(65)를 구비하고 있다. 합성 회로(60)의 저항기(62)는 피드백 전압 생성 회로(50)의 출력 단부에 직렬로 접속되어 있다(도 1 참조). 그리고, 합성 회로(60)의 저항기(62)는 피드 포워드 전류 생성 회로(20)에도 직렬로 접속되어 있다(도 1 참조). 이로 인해, 합성 회로(60)의 저항기(62)에는 피드백 전류(Ifb)와 피드 포워드 전류(Iff)가 동시에 흐른다. 그 결과, 합성 회로(60)의 저항기(62)(저항값 Rg)의 양단부의 전위차 VD60은 이하의 수학식 8로 나타낸다.

합성 회로(60)의 피드백 전압 생성 회로(50)측의 단부의 전위는 피드백 전압 생성 회로(50)의 출력 단부의 전위(Vfb)이므로, 수학식 5, 수학식 8로부터, 합성 회로(60)의 저항기의 타단부의 전위(Vdrv*)는 이하의 수학식 9로 나타낸다. 또한, 여기서는, 도 1에 있어서 좌측으로부터 우측을 향하는 방향의 전류를 플러스로 한다.

수학식 1로부터 Ifb가 얻어지고, 수학식 1 중 Vi2는 콤퍼레이터(40)의 기능에 의해 Vi1과 동등하므로, 합성 회로(60)의 저항기의 타단부의 전위(Vdrv*)는 이하의 수학식 10으로 나타낸다.

합성 회로(60)의 제2 승압 회로(65)는 저항기(62)가 생성한 제2 제어 전압(Vdrv*)(일례로서, 0 내지 15V)을 승압하고, 제2 구동 전압(Vdrv2)(일례로서, 0 내지 150V)을 생성한다. 제2 구동 전압(Vdrv2)은 제1 구동 전압(Vdrv1)과 함께, 밸브부(90)의 피에조 소자를 구동하기 위한 구동 전압이다. 또한, 제2 구동 전압(Vdrv2)은 제2 제어 전압(Vdrv*)이 증가하면 감소하고, 제2 제어 전압(Vdrv*)이 감소하면 증가하도록 생성된다. 이는, 밸브부(90)가, 구동 전압(Vdrv)이 높을 때에 밸브 개방도를 작게 하고, 구동 전압(Vdrv)이 낮을 때에 밸브 개방도를 크게 하는 구성이기 때문이다.

밸브부(90)는 제2 제어 전압(Vdrv*)(수학식 10 참조)을 반영한 합성 회로(60)에 의한 제2 구동 전압(Vdrv2)과, 제1 제어 전압(Vref)을 반영한 제1 승압 회로(70)에 의한 제1 구동 전압(Vdrv1)에 기초하는 구동 전압(Vdrv)에 의해, 피에조 소자를 구동하여 밸브의 개방도를 변경한다. 또한, 구동 전압(Vdrv)의 크기는 0 내지 약 150V이다.

수학식 10으로부터, Vdrv*에는 피드백 제어(PID 제어)의 효과를 발휘하는 우변 제2항 내지 제4항이 포함된다. 즉, 유량 제어 장치(100)는 피드백 제어(PID 제어)의 효과를 발휘하는 성분을 구동 전압(Vdrv)에 반영시켜, 밸브부(90)를 제어하고 있다. 따라서, 본 실시예의 유량 제어 장치(100)는 안정적이고 정확한 유량 제어를 행할 수 있다.

또한, 수학식 10으로부터, Vdrv*에는 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 CPU(21)(도 4 참조)에 의해 제어되어 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 우변 제5항(Rg×Iff)이 포함된다. 즉, 유량 제어 장치(100)는 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분을 구동 전압(Vdrv)에 반영시켜, 밸브부(90)를 제어하고 있다. 이로 인해, 유량 제어 장치(100)는 가스의 유량의 지령값[지령값 신호(Vi1)]에 급격한 변화가 있었던 경우에도, 신속하게 그 지령값의 변화에 추종할 수 있다.

보다 구체적으로는, 유로(400) 내를 통과하는 가스의 유량의 지령값을 나타내는 지령값 신호(Vi1)가 0으로부터 소정의 값으로 변화된 경우, 우선, 변화 직후의 단계에서는, 지령값 신호(Vi1)의 변화가 피드백 제어에 그다지 반영되지 않는다. 이에 대해, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)에 기인하는 제2 구동 전압(Vdrv2)은 지령값 신호(Vi1)의 소정의 값에 따른 일정한 전위로 되도록 CPU(21)에 의해 제어된다(도 4 참조). 그 결과, 지령값 신호(Vi1)의 변화 직후의 단계에서는, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)에 기인하는 제2 구동 전압(Vdrv2)의 성분이, 밸브부(90)의 구동 전압(Vdrv)에 있어서 지배적으로 되어, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘한다. 이로 인해, 유량 제어 장치(100)는 가스의 유량의 지령값에 급격한 변화가 있었던 경우에도, 신속하게 그 지령값의 변화에 추종할 수 있다.

그 후, 지령값 신호(Vi1)의 변화[센서 출력 신호(Vs)를 반영한 신호(Vi2)와, 변화 후의 지령값 신호(Vi1)의 차]가 피드백 제어에 반영되면, 밸브부(90)의 구동 전압(Vdrv)에 있어서, 콤퍼레이터(40)에 기인하는 제1 구동 전압(Vdrv1)이 지배적으로 된다. 그 결과, 이 제1 구동 전압(Vdrv1)에 의해 피드백 제어의 효과가 발휘된다. 이로 인해, 유량 제어 장치(100)에 있어서는, 장치의 하드웨어 구성 등에 기인하여, 실제의 유량이 지령값에 대한 편차를 포함시킬 수 있는 경우에도, 그것이 정상 편차로서 남기 어렵다. 또한, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)에 기인하는 제2 구동 전압(Vdrv2)은 지령값 신호(Vi1)가 일정한 한, 시간 경과에 따르지 않고 일정하다.

또한, 본 실시예의 유량 제어 장치(100)에 있어서는, Vdrv* 중 피드백 제어의 효과를 발휘하는 성분과, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분은 각각 피드백 전류 생성 회로(30)와, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)에 있어서, 별개로 생성된다(도 1 참조). 이로 인해, 피드백 제어의 효과를 발휘하는 성분과, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분은 서로 영향을 미치는 일이 없다.

따라서, 피드백 제어의 효과를 발휘하는 성분과, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분을 합성 회로(60)에 의해 용이하게 합성할 수 있다. 그리고, 피드백 전류 생성 회로(30)의 설정(즉, 피드백 제어의 설정)과, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 설정(즉, 피드 포워드 제어의 설정)을 독립으로 행할 수 있다. 즉, 피드백 전류 생성 회로(30)의 설정과, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 설정이 용이하다. 바꿔 말하면, 적은 조정 공정수로 피드백 제어의 설정과, 피드 포워드 제어의 설정을 행할 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 유량 센서(80)는 작동 원리에 열의 이동을 이용하고 있으므로(도 2 참조), 응답 속도가 느리다. 이로 인해, 이 유량 센서(80)를 피드백용 센서로서 사용하면서, 상술한 제어(피드백 제어 및 피드 포워드 제어)를 디지털 제어로 행하는 경우에는, 샘플링 주기에 대해 유량 센서(80)의 응답이 느리기 때문에, 시스템이 불안정해질 가능성이 있다. 또한, 그와 같은 불안정성을 해소하기 위해, 유량 센서(80)의 응답의 지연에 의한 악영향을 충분히 배제할 수 있도록, 제어를 실현하기 위한 다양한 요소에 대해 불필요한 시간을 설정할 필요가 있다. 그 결과, 제어의 응답 속도가 느려진다.

한편, 본 실시예의 유량 제어 장치(100)에 있어서는, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)가, 피드 포워드 제어의 성분을 반영시키기 위한 출력으로서, 전류를 출력하고 있다. 그리고, 콤퍼레이터(40)와, 피드백 전류 생성 회로(30)와, 피드백 전압 생성 회로(50)와, 합성 회로(60)가 모두 아날로그 회로로서 전류 및 전압을 제어함으로써, 피드백 제어 및 피드 포워드 제어를 달성하고 있다. 이로 인해, 응답 속도가 느린 유량 센서(80)를 피드백용 센서로서 사용해도, 시스템이 불안정해지는 일이 없다. 또한, 불필요한 응답 지연을 포함하는 일도 없다.

A2. 유량 제어 장치의 성능:

본 실시예와, 피드 포워드 제어를 행하지 않는 비교예에 대해, 응답성의 비교를 행하였다. 비교예에 있어서는, 피드 포워드 전류(Iff)를 지령값 신호(Vi1)에 의하지 않고 0으로 하였다. 비교예의 다른 점은 본 실시예와 동일하다. 한편, 본 실시예에 있어서는, 피드 포워드 전류(Iff)는 지령값 신호(Vi1)에 따라서 도 5와 같이 출력된다.

도 7은 비교예의 지령값 신호(Vi1), 밸브부(90)를 구동하는 구동 전압(Vdrv) 및 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)를 나타내는 그래프이다. 도 8은 본 실시예의 지령값 신호(Vi1), 밸브부(90)를 구동하는 구동 전압(Vdrv) 및 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)를 나타내는 그래프이다.

도 7 및 도 8의 상단의 지령값 신호(Vi1)의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 시험은 지령값 신호(Vi1)가 어떤 시점 t1에 있어서 0으로부터 Vi11로 변화되었을 때의, 본 실시예의 유량 제어 장치(100)와 비교예의 유량 제어 장치의 응답을 나타내는 것이다. 또한, 본 실시예 및 비교예에 있어서, 밸브부(90)는 구동 전압(Vdrv)이 높을 때에 밸브 개방도를 작게 하고, 구동 전압(Vdrv)이 낮을 때에 밸브 개방도를 크게 하는 구성이다. 이로 인해, 도 7 및 도 8의 그래프에 있어서, 지령값 신호(Vi1)(상단) 및 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)(하단)가, 시각 t1까지 일정값이고, 시각 t1 이후의 범위에서 그때까지 보다도 큰 값을 취하고 있는 것에 대해, 밸브부(90)를 구동하는 구동 전압(Vdrv)은 시각 t1까지 일정값이고, 시각 t1 이후의 범위에서, 그때까지 보다도 작은 값을 취하고 있다.

도 7 및 도 8의 중단의 밸브부(90)의 구동 전압(Vdrv)의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 비교예보다도, 시각 t1 직후의 구동 전압(Vdrv)의 변화의 기울기가 심하다. 즉, 지령값 신호(Vi1)의 변화에 대해(도 7 및 도 8의 상단 참조), 구동 전압(Vdrv), 즉 밸브부(90)의 밸브의 개방도가, 보다 민첩하게 추종하고 있다.

또한, 도 7 및 도 8의 하단의 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 비교예보다도, 센서 출력 신호(Vs)의 변화의 기울기가 심하다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 비교예보다도 조기에 일정값에 도달하고 있다. 즉, 본 실시예에 있어서는 지령값 신호(Vi1)의 변화에 대해(도 7 및 도 8의 상단 참조), 유로(400) 내를 흐르는 가스의 유량이, 보다 민첩하게 추종하고 있다.

B. 제2 실시예:

제2 실시예의 유량 제어 장치는 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)와는, 피드 포워드 전류 생성 회로의 구성이 다르다. 제2 실시예의 유량 제어 장치의 다른 점은 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)와 동일하다.

도 9는 피드 포워드 전류 생성 회로(20b)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 제2 실시예의 유량 제어 장치가 구비하는 피드 포워드 전류 생성 회로(20b)도, 지령값 신호(Vi1)에 따라서 피드 포워드 전류(Iff)를 생성한다. 피드 포워드 전류 생성 회로(20b)는, 도 9에 도시한 바와 같이 CPU(21b)와, 저항기(25b)(저항값 Rff)를 구비하고 있다. 저항기(25)의 일단부에는 CPU(21b)의 출력 단부가 접속되어 있다. 저항기(25)의 타단부(출력 단부)에는 합성 회로(60)(도 1 참조)가 접속되어 있다.

저항기(25b)를 흐르는 전류를 Iff, CPU(21b)의 출력 단부의 전위[CPU(21b)의 출력 전압]를 Vff, 저항기(25b)의 출력 단부의 전위를 V25b로 하면, Iff는 이하의 수학식 11로 나타난다.

저항기(25b)의 출력 단부는 피드백 전압 생성 회로(50)의 출력 단부 및 합성 회로(60)의 입력 단부와 접속되어 있다. 이로 인해(도 9 및 도 1 참조), 저항기(25b)의 출력 단부의 전위(V25b)는 Vfb와 동등하다. 따라서, 수학식 11로부터, 이하의 수학식 12가 얻어진다.

합성 회로(60)의 입력 단부의 전위는 Vfb이고, 합성 회로(60)에는 피드 포워드 전류(Iff)와 피드백 전류(Ifb)가 흐른다(도 1 참조). 따라서, 합성 회로(60)(저항값 Rg)의 출력 단부의 전위(Vdrv*)는 이하의 수학식 13에서 얻어진다.

상기 수학식 13의 우변 중, Ifb, Vfb는 각각 피드백 전류 생성 회로(30)와, 피드백 전압 생성 회로(50)에서 생성된다(도 1 참조). 즉, 수학식 13에 있어서, Vfb를 포함하는 우변 제1항과, Ifb를 포함하는 우변 제3항은, 제1 실시예와 마찬가지로 피드백 제어의 효과를 발휘하는 성분이다. 그리고, 피드 포워드 전류 생성 회로(20b)에서 생성되는 Vff를 포함하는 제2항이, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분이다.

따라서, 제2 실시예의 유량 제어 장치도, 피드백 제어에 의해, 안정적으로 정확한 유량 제어를 행할 수 있다. 그리고, 피드 포워드 제어에 의해, 가스의 유량의 지령값[지령값 신호(Vi1)]에 급격한 변화가 있었던 경우에도, 신속하게 그 지령값의 변화에 추종할 수 있다. 또한, 피드백 제어의 효과를 발휘하는 성분과, 피드 포워드 제어의 효과를 발휘하는 성분을, 합성 회로(60)에 의해 용이하게 합성할 수 있다. 또한, 피드백 전류 생성 회로(30)의 설정과, 피드 포워드 전류 생성 회로(20)의 설정이 용이하다.

C. 제3 실시예:

도 10은 제3 실시예의 유량 제어 장치(100c)의 구성도이다. 제3 실시예의 유량 제어 장치(100c)에 있어서는, 제1 승압 회로(70)와 밸브부(90)를 연결하는 배선이, 분압 회로(68)를 통해 접지되어 있다. 그리고, 합성 회로(60c)는 내부에 제2 승압 회로(65)를 구비하고 있지 않다. 또한, 합성 회로(60c)[바꿔 말하면, 저항기(62)]의 출력 단부는 분압 회로(68)에 접속되어 있다. 제3 실시예의 유량 제어 장치(100c)의 다른 점은 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)와 동일하다.

분압 회로(68)는 서로 직렬로 연결된 저항기(66)(저항값 Rd1)와 저항기(67)(저항값 Rd2)를 갖고 있다. 저항기(66)의 타단부는 접지되어 있다. 저항기(66)의 타단부는 제1 승압 회로(70)와 밸브부(90)를 연결하는 배선에 접속되어 있다. 저항기(66)와 저항기(67)의 접속 부분에는 합성 회로(60c)의 출력 단부가 접속되어 있다.

이와 같은 형태로 함으로써, 합성 회로(60c)의 출력 전압(Vdrv*)(0 내지 15V)을 {(Rd1＋Rd2)/Rd1}배로 할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 저항값 Rd1과 저항값 Rd2의 비를, 1:9로 함으로써, 내부에 제2 승압 회로(65)를 구비하고 있지 않은 합성 회로(60c)의 출력 전압(Vdrv*)(0 내지 15V)을 10배로 할 수 있고, 그 결과, 제2 구동 전압(Vdrv2)(0 내지 150V)로 승압할 수 있다. 따라서, 합성 회로(60c)의 구성을 간략화할 수 있고, 그 결과, 소형화할 수 있다.

D. 제4 실시예:

도 11은 제4 실시예의 유량 제어 장치(100d)의 구성도이다. 제4 실시예의 유량 제어 장치(100d)는 유량 센서(80)와 피드백 전류 생성 회로(30) 사이에 미분 회로(35)를 구비하고 있다. 제4 실시예의 유량 제어 장치(100d)의 다른 점은 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)와 동일하다.

미분 회로(35)는 유량 센서(80)의 센서 출력 신호(Vs)(0 내지 5V)를 수취하고, 이를 미분하여 얻은 신호를 피드백 전류 생성 회로(30)에 공급한다. 피드백 전류 생성 회로(30)는 미분 회로(35)로부터 수취한 신호와, 콤퍼레이터(40)의 비반전 입력 단자의 전위(Vi2)[지령값 신호(Vi1)와 동등함] 차에 따른 피드백 전류(Ifb)를 생성한다.

이와 같은 형태로 함으로써, 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)에 비해, 실제의 유량의 변화를 반영한 피드백 전류(Ifb)의 변화가 심해진다. 그 결과, 제1 실시예의 유량 제어 장치(100)에 비해, 실제의 유량의 변화를 반영할 때의 유량 제어 장치(100d)의 응답 속도를, 더욱 빠르게 할 수 있다.

E. 변형예:

또한, 본 발명은 상기한 실시예나 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 형태에 있어서 실시하는 것이 가능하고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

E1. 제1 변형예:

상기 실시예에서는 반도체 제조 장치에 공급하는 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 조치를 예로 들어 본원 발명의 설명을 하였다. 그러나, 본원 발명은 기체로 한정되지 않고, 액체 등, 임의의 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 장치에 적용할 수 있다.

E2. 제2 변형예:

상기 실시예에서는, 유량 센서는 유체에 의한 열의 이동을 이용한 유량 센서(80)이다. 그러나, 유량 센서는 유체에 의한 힘을 이용한 것 등, 다른 원리에 기초하는 센서라도 좋다. 단, 상기 각 실시예의 기술은 유량 센서의 응답 속도가 느린 경우에 특히 유효하다.

E3. 제3 변형예:

상기 실시예에서는, 밸브는 피에조 소자에 의해 동작된다. 그러나, 밸브부는 다른 기구, 예를 들어 유압이나 모터 등에 의해, 밸브를 동작시켜 밸브 개방도를 바꾸는 형태로 할 수도 있다.

E4. 제4 변형예:

상기 실시예에서는, 콤퍼레이터(40)는 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)보다도 작은 경우, 양의 값의 제1 제어 전압(Vref)을 출력하고, 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)보다도 큰 경우, 음의 값인 제1 제어 전압(Vref)을 출력한다. 그리고, 신호(Vi2)가 지령값 신호(Vi1)와 동등한 경우, 제1 제어 전압(Vref)을 0으로 한다. 그러나, 콤퍼레이터(40)는 제1 입력 신호와 상기 제2 입력 신호의 비교에 기초하여, 제어 대상인 밸브부(90)의 특성에 따른 제1 제어 전압을 출력할 수 있는 형태이면, 다른 형태라도 좋다. 예를 들어, 상기한 형태와는, 출력 전압(Vref)의 부호가 반대라도 좋고, 2개의 입력값이 동등한 경우에 출력하는 전압도 0 이외의 소정값이라도 좋다.

E5. 제5 변형예:

도 1, 도 10 및 도 11에는 명시하고 있지 않지만, 유량 제어 장치는 제1 제어 전압(Vdrv1)과 제2 제어 전압(Vdrv2)에 따라서 구동 전압(Vdrv)을 생성하는 구동 전압 생성부를 구비해도 좋다. 구동 전압 생성부는 제1 제어 전압(Vdrv1)과 제2 제어 전압(Vdrv2)을 수취하여, 그들보다도 전압이 높은 구동 전압(Vdrv)을 생성해도 좋다. 또한, 구동 전압 생성부는 제1 제어 전압(Vdrv1)과 제2 제어 전압(Vdrv2)을 각각 승압한 후, 소정의 방법으로 그들을 합성하여 구동 전압(Vdrv)을 생성해도 좋다.

E6. 제6 변형예:

상기 제4 실시예에서는 미분 회로(35)가 생성한, 센서 출력 신호(Vs)를 미분하여 얻어지는 신호가, 피드백 전류 생성 회로(30)에 부여되어 있다. 그러나, 피드백 전류 생성 회로(30)에 부여되는 신호는, 그와 같은 형태로 한정되지 않는다. 단, 피드백 전류 생성 회로(30)에 부여되는 신호는 센서 출력 신호(Vs)를 미분하여 얻어지는 성분에 다른 소정의 성분을 가한 것 등, 센서 출력 신호(Vs)를 미분하여 얻어지는 성분을 포함하는 신호인 것이 바람직하다.

E7. 제7 변형예:

상기 실시예에서는, 피드 포워드 전류 생성 회로는 도 4 및 도 9와 같은 회로 구성을 채용하고 있다. 그러나, 피드 포워드 전류 생성 회로는 미리 설정된 피드 포워드 전류를, 지령값 신호에 따라서 생성할 수 있는 회로이면, 임의의 회로를 채용할 수 있다. 또한, 미리 이루어진 설정은 맵에 의한 것이라도 좋고, 식으로 부여된 것이라도 좋다.

또한, 피드백 전류 생성부도, 실시예에서 서술한 구성으로 한정되지 않고, 센서 출력 신호 또는 센서 출력 신호에 따른 신호와, 지령값 신호에 따른 신호의 차에 따른 피드백 전류를 생성할 수 있는 구성이면, 임의의 구성으로 할 수 있다. 그리고, 피드백 전압 생성부도, 실시예에서 서술한 구성으로 한정되지 않고, 피드백 전류에 따른 피드백 전압을 생성할 수 있는 구성이면, 임의의 구성으로 할 수 있다. 또한, 합성부도, 실시예에서 서술한 구성으로 한정되지 않고, 피드백 전류와 피드 포워드 전류의 합에 따른 전압을 피드백 전압에 가산한 전압인 제2 제어 전압을 생성할 수 있는 구성이면, 임의의 구성으로 할 수 있다. 단, 피드백 전류 생성부와, 피드백 전압 생성부와, 합성부는 아날로그 회로로서 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 각 구성 요소를 접속하는 형태도, 실시예에 기재된 형태로 한정되지 않고, 각 구성 요소가 기능을 발휘할 수 있는 형태이면, 임의의 형태로 할 수 있다.

E8. 제8 변형예:

상기 제3 실시예에서는, 합성 회로(60c)는 제2 승압 회로(65)를 구비하고 있지 않다. 그러나, 제1 실시예와 같이 합성 회로(60c)가 제2 승압 회로(65)를 구비하고 있는 형태에 있어서, 제2 실시예의 분압 회로(68)와 같은 분압 회로를 더 구비할 수 있다. 그와 같은 형태로 함으로써, 제2 승압 회로(65)가 생성하는 제2 구동 전압의 크기를, 제1 실시예에 비해, {Rd1/(Rd1＋Rd2)}로 할 수 있다. 따라서, 합성 회로(60c)의 구성을 간략화할 수 있고, 그 결과, 소형화할 수 있다. 또한, 이와 같은 형태에 있어서, 저항값 Rd1, Rd2의 값은 임의의 적절한 값으로 정할 수 있다.

E9. 제9 변형예:

상기 각 실시예의 각 구성을, 적절하게 선택하여 조합하거나, 또는 생략함으로써, 본원 명세서에 기재된 기술적 과제를 해결할 수 있는 발명을 구성할 수 있다. 또한, 상기 각 실시예에 기재가 없는 구성 요소를 추가하여, 발명을 구성할 수 있다.

10 : 유량 설정부
20 : 피드 포워드 전류 생성 회로
20b : 피드 포워드 전류 생성 회로
21 : CPU
21b : CPU
22 : 연산 증폭기
23 : 저항기
24 : pnp형 트랜지스터
25 : 저항기
25b : 저항기
30 : 피드백 전류 생성 회로
35 : 미분 회로
40 : 콤퍼레이터
50 : 피드백 전압 생성 회로
60 : 합성 회로
62 : 저항기
65 : 제2 승압 회로
66 : 저항기
67 : 저항기
68 : 분압 회로
70 : 제1 승압 회로
80 : 유량 센서
82 : 바이패스관부
84 : 센서관
86 : 센서 회로
90 : 밸브부
100 : 유량 제어 장치
100c : 유량 제어 장치
100d : 유량 제어 장치
200 : 가스원
300 : 반도체 제조 장치
400 : 유로
Ifb : 피드백 전류
Iff : 피드 포워드 전류
R1 : 저항선
R4 : 저항선
V21 : CPU(21)의 출력 전압
V24 : 트랜지스터(24)의 에미터의 전위
V25b : 저항기(25b)의 출력 단부의 전위
Vcc : 전원의 전위
Vdrv : 밸브부의 피에조 소자의 구동 전압
Vfb : 피드백 전압
Vi1 : 지령값 신호
Vi2 : 신호(콤퍼레이터의 비반전 입력 단자의 전위)
Vref : 제1 제어 전압
Vs : 센서 출력 신호
t1 : 지령값 신호(Vi1)가 변화되는 시각

Claims

유량 제어 장치이며,
유로 내를 통과하는 유체의 유통을 제어하는 밸브부와,
상기 유체의 유량에 따른 센서 출력 신호를 출력하는 유량 센서와,
상기 유체의 유량의 지령값을 나타내는 지령값 신호인 제1 입력 신호와, 상기 센서 출력 신호에 따른 신호인 제2 입력 신호가 입력되고, 상기 제1 입력 신호와 상기 제2 입력 신호의 비교에 기초하여, 제1 제어 전압을 출력하는 콤퍼레이터와,
상기 센서 출력 신호 또는 상기 센서 출력 신호에 따른 신호와, 상기 지령값 신호에 따른 신호의 차에 따른 피드백 전류를 생성하는 피드백 전류 생성부와,
상기 피드백 전류에 따른 피드백 전압을 생성하는 피드백 전압 생성부와,
상기 지령값 신호에 따라서 피드 포워드 전류를 생성하는 피드 포워드 전류 생성부와,
상기 피드백 전류와 상기 피드 포워드 전류의 합에 따른 전압을 상기 피드백 전압에 가산한 전압인 제2 제어 전압을 생성하는 합성부를 구비하고,
상기 밸브부는 상기 제1 제어 전압과 상기 제2 제어 전압에 따라서 제어되는, 유량 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 합성부는 상기 피드백 전압 생성부의 출력 단부에 직렬로 접속된 저항기이며, 상기 피드백 전류와 상기 피드 포워드 전류가 동시에 흐르도록 구성된 저항기를 포함하는, 유량 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피드 포워드 전류 생성부는,
미리 정해진 설정에 기초하여 상기 지령값 신호에 따른 전압을 출력하는 CPU와,
상기 CPU가 출력한 전압에 따라서 상기 피드 포워드 전류를 흘리는 저항기를 포함하는, 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 유로 내를 통과하는 상기 유체에 의한 열의 이동에 기초하여, 상기 유체의 유량을 검지하는 센서인, 유량 제어 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제어 전압을 승압하여 제1 구동 전압으로 하는 제1 승압부를 더 구비하고,
상기 제1 승압부와 상기 밸브부를 연결하는 배선은, 분압 회로를 통과하여 접지되어 있고,
상기 합성부는 상기 제2 제어 신호를 승압하여 제2 구동 전압으로 하는 제2 승압부를 구비하고,
상기 합성부의 출력 단부로서의 상기 제2 승압부의 출력 단부는 상기 분압 회로에 접속되어 있는, 유량 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 출력 신호를 미분하여 얻어지는 성분을 포함하는 미분 신호를 생성하는 미분부를 더 구비하고,
상기 피드백 전류 생성부는 상기 센서 출력 신호에 따른 신호로서의 상기 미분 신호와, 상기 지령값 신호 또는 상기 지령값 신호에 따른 신호의 차에 따른 상기 피드백 전류를 생성하는, 유량 제어 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피드백 전압 생성부는 저항기와 콘덴서와 리액터 중 어느 한쪽의 2개 이상이 직렬로 결합된 회로 구성을 구비하는, 유량 제어 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콤퍼레이터는 상기 지령값 신호 또는 상기 지령값 신호에 따른 신호와, 상기 센서 출력 신호에 따른 신호로서의 상기 피드백 전류 생성부의 출력 단부의 전압의 비교에 기초하여, 상기 제1 제어 전압을 출력하는, 유량 제어 장치.