KR20230063321A

KR20230063321A - 기화 장치, 기화 장치의 제어 방법, 기화 장치용 프로그램의 기억 매체, 및 유체 제어 장치

Info

Publication number: KR20230063321A
Application number: KR1020220139087A
Authority: KR
Inventors: 히데타카 야다; 유이치로 아사우미
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-05-09
Also published as: US20230137252A1; CN116069070A; TW202320172A; JP2023067758A

Abstract

액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브(2)와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부(3)와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서(1)와, 설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브(2)를 제어하는 밸브 제어기(41)를 구비한 기화 장치(100)로서, 상기 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기(41)에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부(42)를 더 구비했다.

Description

기화 장치, 기화 장치의 제어 방법, 기화 장치용 프로그램의 기억 매체, 및 유체 제어 장치{VAPORIZATION DEVICE, VAPORIZATION DEVICE CONTROL METHOD, STORAGE MEDIUM FOR VAPORIZATION DEVICE PROGRAM, AND FLUID CONTROL DEVICE}

본 발명은 액체 재료의 유량이 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 제어되는 기화 장치에 관한 것이다.

예를 들면 반도체 제조 프로세스에서는, 액체 재료를 기화시켜 진공 챔버 내에 도입되는 재료 가스를 얻기 위해서 기화 장치가 이용되고 있다. 이 기화 장치는, 특허 문헌 1에 나타내지는 것처럼 액체 재료와 캐리어 가스가 내부에서 혼합되는 제어 밸브와, 제어 밸브의 하류측에 마련되어, 가열 또는 감압에 의해서 액체 재료를 기화시키는 기화부와, 제어 밸브의 상류측에 있어서 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서와, 유저에 의해 설정되는 설정 유량이 나타내는 설정값과 액체 유량 센서가 측정하는 측정값에 기초하는 PID 제어에 의해 제어 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어기를 구비하고 있다.

그런데, 이러한 기화 장치에 있어서 제어 밸브가 예를 들면 전폐의 상태로부터 액체 재료가 목표가 되는 일정 유량값으로 유지되도록 스텝 모양의 설정 유량이 설정되면, 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값이 설정 유량의 최종적인 설정값과 일치하는데 시간이 걸리는 경우가 있다. 바꿔 말하면 오프셋이 단시간으로는 해소되지 않아, 정정 시간이 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서의 요구로부터 정해지는 허용 시간 내에 속하지 않는 경우가 있다. 또, 이러한 문제는 소정의 유량이 유지되고 있는 상태로부터 보다 큰 설정 유량으로 변경되었을 경우에도 생기는 경우가 있다.

본원 발명자 등은 이러한 현상이 왜 생기는지에 대해서 예의 검토를 행한바, 액체 재료의 유량이 상승한 시점 이후에 있어서 제어 밸브의 온도가 저하되고, 밸브체나 밸브 시트 등을 구성하는 금속에 있어서의 열수축에 의해서 필요하게 되는 개도가 실현되어 있지 않은 것에 원인이 있다는 것을 처음으로 찾아냈다. 즉, 제어 밸브에 인접하는 기화부에 있어서 액체 재료가 기화하면 그 기화열에 의해 제어 밸브가 냉각되어 버린다. 그리고, 제어 밸브의 구성 부품에 열수축이 생기기 때문에, PID 제어에 의해 본래 실현되어야 할 개도보다도 큰 개도로 유지되어 버린다. 이 결과, 오프셋이 계속 남아 있는 것 같은 현상이 발생하고 있다.

이에 더하여, 제어 밸브의 재질이나 각종 히터의 설정 등에 따라서는, 제어 밸브의 온도가 상승하여, 밸브체나 밸브 시트 등을 구성하는 금속에 있어서 열팽창이 발생하여, 필요하게 되는 개도보다도 작아져 버려, 오버슛이 발생한 후에 언더슛이 발생하여 실제의 유량이 설정값보다도 작은 상태로 유지되어, 오프셋이 계속 남는 경우도 생길 수 있다.

이러한 오프셋을 해소하려면, 적분 게인을 현재 상태보다도 큰 값으로 설정하는 것은 생각할 수 있지만, 이런 종류의 기화 장치에 있어서 단순하게 적분 게인의 값을 높게 하는 것은 어렵다. 즉, 기화 장치에는 정정 시간뿐만이 아니라, 상승 시간이나 오버슛량에도 엄격한 제약이 있기 때문에, 이미 한계에 가까운 하이 게인이 설정된다. 이러한 튜닝이 이미 실시되고 있는 기화 장치의 밸브 제어기에 대해서, 적분 게인으로서 더 높은 값이 상시 설정되어 있는 상태로 하면, 유량이 상승 하는 과도 응답 기간에 있어서의 오버슛이나 예기치 못한 외란에 의해서 액체 재료의 유량에 헌팅이 생겨, 애초부터 액체 재료의 유량 제어 자체가 불안정하게 되어 버릴 가능성이 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2001－156055호 공보

본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 특히 정정 시간을 종래보다도 단축하는 것을 가능하게 하면서, 제어의 안정성도 유지할 수 있는 기화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 마찬가지로 제어시에 제어 밸브에 있어서 온도 저하가 생겨, 전술한 것 같은 제어상의 문제가 발생하고 있는 유체 제어 장치에 대해서도, 정정 시간을 단축할 수 있음과 아울러 제어적인 안정성을 양립시킬 수 있는 유체 제어를 제공하는 것 목적으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 기화 장치는 액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서와, 설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비한 기화 장치로서, 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 기화 장치의 제어 방법은, 액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서를 구비한 기화 장치의 제어 방법으로서, 설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 것과, 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 것이면, 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하고 있으므로, 상기 기화부에 있어서 상기 액체 재료의 기화량이 증가하고, 그것에 따라 상기 제어 밸브의 온도가 저하되어, 열수축에 의한 개도 증가가 발생하고, 오프셋이 해소되기 어려운 상태가 되었다고 해도 그 영향을 없애는 것이 가능해진다. 또, 마찬가지로 상기 제어 밸브의 재질의 특성이나 상기 기화부에서의 가열량 등의 조합에 따라서는, 상기 제어 밸브의 온도가 상승하여, 열팽창에 의한 개도 감소가 발생되어 오프셋이 해소되기 어려운 상태가 되는 경우가 있지만, 본원 발명이면 이러한 영향을 없애는 것도 가능해진다. 따라서, 설정값과 측정값이 거의 일치하기까지 필요한 정정 시간을 단축할 수 있어, 허용 시간 내에 속할 수 있게 된다. 또, 온도 저하가 생기지 않는 유량의 과도 응답 기간의 초기에는, 상기 기준 적분 게인이 설정되고, 온도 저하가 발생하고 있는 상태에서만 상기 보정 적분 게인을 설정하는 것이 가능해지므로, 오버슛량을 작게 하거나, 오프셋이 해소될 때까지 걸리는 시간을 단축하거나 할 수 있고, 더 나아가서는 제어의 안정성도 양립시키는 것이 가능해진다.

상기 제어 밸브에 있어서 온도 저하에 의해서 개도가 커져 버리는 것에 의해 발생하는 오프셋을 저감시킬 수 있도록 하려면, 상기 보정 적분 게인이 상기 기준 적분 게인보다도 높은 값으로 설정되어 있으면 된다.

상기 제어 밸브가 예를 들면 통상의 사용 상태에 있어서의 온도로 동작하고 있는 경우에 적절한 적분 게인을 사용할 수 있도록 하여, 제어의 안정성을 높일 수 있도록 하려면, 상기 기준 적분 게인이, 상기 기화부가 존재하지 않는 경우에 있어서의 유량 응답의 정정 시간이 미리 정해진 허용 시간 내가 되도록 설정된 값이면 된다.

상기 기준 적분 게인에 기초하여, 상기 제어 밸브에 있어서 온도 저하가 발생하고 있는 경우에 적합한 상기 보정 적분 게인을 설정할 수 있도록 하려면, 상기 보정 적분 게인이, 상기 기화부가 존재하여, 상기 과도 응답 기간에 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 경우에 있어서의 유량 응답의 정정 시간이 상기 허용 시간 내가 되도록 정해진 값이면 된다.

오프셋이 해소된 후에 있어서, 외란에 대한 내성을 높여 설정값으로부터 측정값이 시프트되기 어렵게 하여, 제어의 안정성을 더 높일 수 있도록 하려면, 적분 게인 전환부가, 상기 측정값이 상기 설정값으로 수렴된 후에 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 상기 보정 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인으로 되돌리면 된다.

간단한 알고리즘에 의해서 오프셋을 단시간에 해소할 수 있는 적절한 타이밍에 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환되도록 하려면, 상기 적분 게인 전환부가, 상기 설정 유량의 상승 개시 시점을 기준으로 하여 소정 시간 경과 후에 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 것이면 된다.

예를 들면 유량 응답에 있어서 상승 시간이나 정정 시간은 단축될 수 있고. 오버슛량도 저감되면서, 유량에 있어서 헌팅 등은 발생시키지 않게 하려면, 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍이, 상기 기준 적분 게인으로 고정하여 상기 제어 밸브를 계속 제어했을 경우에 있어서의 유량 응답의 상승 개시 시점으로부터 피크 시점까지의 기간의 사이에 설정되어 있으면 된다. 여기서, 피크 시점이란 유량값이 가장 커지는 시점 자체뿐만이 아니라, 유량값이 가장 커지는 시점을 기준으로 한 근방 구간을 포함할 수 있다. 예를 들면 근방 구간은 유량값이 가장 커진 시점으로부터 소정의 미소 시간만큼 시프트되었다고 해도, 오버슛량을 충분히 저감시키면서 헌팅 등이 발생하지 않는 구간에 상당한다.

상기 제어 밸브에서의 온도 저하량이나 온도 저하 속도 등의 영향을 가미하고, 상기 기준 적분 게인으로부터 보다 적절한 값의 상기 보정 적분 게인으로 전환되도록 하려면, 상기 적분 게인 전환부가 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍을, 상기 설정 유량이 나타내는 설정값의 크기 또는 상기 액체 재료의 종류에 따라 설정하도록 구성된 것이면 된다.

상기 기화 장치는 상기 보정 적분 게인을 변경하는 보정 적분 게인 변경부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이러한 것이면, 보정 적분 게인 변경부가 보정 적분 게인을 변경하므로, 적분 게인 전환부는 제어 밸브의 온도 저하를 고려한 보정 적분 게인으로 전환할 수 있어, 오프셋의 해소까지 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

상기 보정 적분 게인 변경부는 상기 액체 재료의 종류, 상기 액체 재료의 설정 유량, 상기 액체 재료의 설정 압력, 캐리어 가스의 설정 유량, 상기 제어 밸브의 상류측의 압력, 상기 제어 밸브의 하류측의 압력, 상기 제어 밸브의 설정 온도, 상기 기화부의 설정 온도, 또는 주위 온도 중 적어도 어느 것에 기초하여, 상기 보정 적분 게인을 변경하는 것을 들 수 있다.

이러한 것이면, 보정 적분 게인 변경부가 액체 재료의 종류, 액체 재료의 설정 유량, 액체 재료의 설정 압력, 캐리어 가스의 설정 유량, 제어 밸브의 상류측의 압력, 제어 밸브의 하류측의 압력, 제어 밸브의 설정 온도, 기화부의 설정 온도, 또는 주위 온도, 제어 밸브의 온도 저하에 관계되는 파라미터에 기초하여 보정 적분 게인을 변경하므로, 제어 밸브의 온도 저하의 영향을 가미한 보정 적분 게인으로 변경할 수 있다.

상기 기화부에 있어서의 상기 액체 재료의 기화 효율을 높일 수 있도록 하려면, 상기 제어 밸브가, 상기 액체 재료가 내부에 도입되는 액체 도입 포트와, 상기 캐리어 가스가 내부에 도입되는 기체 도입 포트와, 상기 액체 재료 및 상기 캐리어 가스가 혼합된 기액(氣液) 혼합체가 외부로 도출되는 도출 포트를 구비한 것이면 된다. 이러한 양태이면 상기 제어 밸브에서의 온도 저하량이나 그 온도 저하 속도가 보다 커지므로, 본 발명의 적분 게인의 전환에 의한 제어 특성의 개선 효과가 보다 현저하게 발휘된다.

제어 중에 있어서 상기 제어 밸브에 온도 저하가 크게 발생하기 쉽고, 적분 게인의 전환에 의해 종래와 비교하여 대폭적인 제어 특성의 개선 효과를 전망할 수 있는 구체적인 양태로서는, 상기 제어 밸브와 상기 기화부가 인접해서 마련된 것을 들 수 있다.

기존의 기화 장치에 있어서 예를 들면 프로그램을 갱신함으로써 본 발명에 따른 기화 장치와 거의 동등한 효과를 달성할 수 있도록 하려면, 액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서를 구비한 기화 장치에 이용되는 제어용 프로그램의 기억 매체로서, 설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기와, 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 기화 장치용 프로그램의 기억 매체를 이용하면 된다. 또한, 기화 장치용 프로그램은 전자적으로 전달되는 것이어도 되고, CD, DVD, 플래쉬 메모리 등의 프로그램 기록 매체에 기록된 것이어도 된다.

유체가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 목표 지령이 나타내는 유량 또는 압력의 설정값과 상기 유체 센서에서 측정되는 측정값을 이용한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비한 유체 제어 장치로서, 상기 제어 밸브가, 상기 밸브 제어기에 의한 제어 중에 있어서 상기 유체 센서에서 측정되는 측정값의 상승 이후에 소정값 이상의 온도 변화가 생기는 사용 환경에 마련되어 있고, 상기 유체 센서에서 측정되는 측정값의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 유체 제어 장치이면, 예를 들면 고온으로 유지되고 있는 상기 제어 밸브에 저온의 유체가 유입되어, 상기 제어 밸브의 온도가 크게 저하되는 경우에도, 정정 시간을 단축하면서, 제어의 안정성도 양립시킬 수 있다. 반대로 상기 제어 밸브에 고온의 유체가 유입되어, 상기 제어 밸브의 온도가 크게 상승하는 경우에도, 마찬가지로 정정 시간을 단축하면서, 제어의 안정성도 양립시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 기화 장치에 의하면, 유량의 과도 응답 기간에 있어서 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하도록 구성되어 있으므로, 예를 들면 상기 기준 적분 게인으로 고정하여 상기 제어 밸브에 대해 PID 제어를 행하면 상기 제어 밸브 자체의 온도 저하에 기인하여 오프셋이 해소되지 않아, 정정 시간이 길어져 버린다고 하는 문제를 해결할 수 있다. 또, 상기 제어 밸브에 있어서 온도 저하가 발생하여, 개도가 커지기 쉬운 상태에서 상기 보정 적분 게인을 적용할 수 있으므로, 하이 게인으로 설정함으로써 헌팅이 발생하기 쉬워지는 것도 방지하여, 제어의 안정성도 양립시킬 수 있다. 또, 마찬가지로 제어 밸브 자체의 온도 상승에 기인하여 설정값보다도 유량이 작은 값으로 유지되어 버리는 것 같은 경우에도 마찬가지로 오프셋을 해소하여, 정정 시간을 짧게 하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 기화 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 기화기의 상세에 대하여 나타내는 모식도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 제어 기구의 구성을 나타내는 기능 블록도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 적분 게인의 전환 타이밍을 나타내는 이미지도이다.
도 5는 액체 재료의 유량의 상승시에 있어서의 밸브 온도의 변화와, 제1 실시 형태의 기화 장치에 제1 설정에서의 스텝 응답과 종래의 기화 장치의 스텝 응답을 나타내는 그래프이다.
도 6은 적분 게인의 전환 타이밍과 유량의 수렴 상태를 나타내는 도 5에 있어서의 피크 부분의 확대도이다.
도 7은 액체 재료의 유량의 상승시에 있어서의 밸브 온도의 변화와, 제1 실시 형태의 기화 장치에 제2 설정에서의 스텝 응답과 종래의 기화 장치의 스텝 응답을 나타내는 그래프이다.
도 8은 적분 게인의 전환 타이밍과 유량의 수렴 상태를 나타내는 도 7에 있어서의 피크 부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 기화 장치의 변형예에 대해 나타내는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 제어 기구의 변형예에 대해 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 유체 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 12는 제2 실시 형태에 있어서의 제어 기구의 구성을 나타내는 기능 블록도이다.

본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 기화 장치(100)에 대해 도 1 내지 도 8을 참조하면서 설명한다.

제1 실시 형태의 기화 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 사용되는 것으로서, 액체 재료(원료액)를 기화시켜 챔버 내에 공급되는 재료 가스(원료 가스)를 생성하는 것이다.

이 기화 장치(100)는, 도 1에 나타내는 것처럼 액체 재료가 흐르는 액체 재료 라인(L1), 캐리어 가스가 흐르는 캐리어 가스 라인(L2), 캐리어 가스 및 액체 재료가 기화한 재료 가스의 혼합 가스가 도출되는 도출 라인(L3)과, 각 라인에 마련되어 있는 기기의 제어를 담당하는 제어 기구(4)를 구비하고 있다. 여기서, 액체 재료 라인(L1)과 캐리어 가스 라인(L2)의 종단부는 각각 액체 재료가 기화되는 기화기(VP)의 도입측에 접속되어 있고, 도출 라인(L3)의 선단부는 기화기(VP)의 도출측에 접속되어 있다.

액체 재료 라인(L1)은 액체 재료가 내부에 저장되고 있는 탱크(TN)와, 탱크(TN)와 기화기(VP)의 사이를 접속하는 유로 상에 마련되고, 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서(1)를 구비하고 있다.

탱크(TN)에는 액체 재료를 압송(壓送)하기 위한 압송 가스를 탱크(TN) 내의 기상(氣相)으로 도입하는 압송 가스 도입관과, 탱크(TN) 내의 액체 재료 내에 선단이 침지(浸漬)되어, 액체 재료 라인(L1)을 구성하는 액도출관이 삽입되어 있다.

액체 유량 센서(1)는, 예를 들면 압력식의 유량 센서이며, 각각 도시하지 않은 층류 소자와, 층류 소자의 상류측에 마련되는 상류측 압력 센서, 층류 소자의 하류측에 마련되는 하류측 압력 센서와, 각 압력 센서의 출력에 기초하여 액체의 유량을 산출하는 유량 산출 보드 등을 구비한 것이다. 예를 들면 액체 유량 센서(1)는 층류 소자의 차압이나, 각 압력의 제곱의 차 등에 기초하여 액체 재료 라인(L1)을 흐르고 있는 액체 재료의 유량이 산출되어, 제어 기구(4)로 출력된다.

캐리어 가스 라인(L2)은 기화기(VP)에 유입되는 질소 등의 캐리어 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(MFC)가 마련되어 있다. 매스 플로우 컨트롤러(MFC)는 도시하지 않은 밸브, 유량 센서, 제어 보드가 1개의 유닛으로서 패키지화된 것이며, 설정되어 있는 설정 유량과 유량 센서에서 측정되고 있는 유량의 편차에 기초하는 피드백 제어로 밸브의 개도가 제어된다.

기화기(VP)는 도 2의 모식도에 나타내는 것처럼 제어 밸브(2)와, 제어 밸브(2)의 하류측에 인접시켜서 마련된 기화부(3)를 구비하고 있다.

제어 밸브(2)는 내부에 유로가 형성되어 있음과 아울러, 그 상면에 밸브 시트(23)가 형성된 금속제의 보디(21)와, 보디(21)의 상면에 마련되고, 밸브 시트(23)에 대해서 이접(離接)하는 밸브체(24)로서 기능하는 다이아프램(221)을 구비하는 금속제의 다이아프램 구조(22)와, 다이아프램(221)을 구동하는 액츄에이터인 피에조 액츄에이터(25)를 구비하고 있다. 피에조 액츄에이터(25)에 의해서 밸브 시트(23)와 밸브체(24) 사이의 개도가 조절되어, 제1 실시 형태에서는 액체 재료의 유량이 제어된다. 또, 보디(21) 및 다이아프램 구조(22)는 금속으로 형성되어 있기 때문에, 온도가 저하되면 열수축에 의해서 밸브 시트(23)와 밸브체(24) 사이의 거리가 커진다. 반대로 온도가 상승하면 열팽창에 의해서 밸브 시트(23)와 밸브체(24) 사이의 거리가 작아진다. 따라서, 피에조 액츄에이터(25)에 같은 전압이 인가되고 있었다고 해도 온도가 상이하면 개도는 다를 가능성이 있다.

제어 밸브(2)의 보디(21)의 측면에는 액체 재료 라인(L1)으로부터 액체 재료가 보디(21) 내에 도입되는 액체 도입 포트(P1)와, 캐리어 가스 라인(L2)으로부터 캐리어 가스가 내부에 도입되는 기체 도입 포트(P2)가 형성되어 있다. 또, 보디(21) 내에 도입된 액체 재료와 캐리어 가스는 내부 유로를 통과하여, 보디(21)의 상면과 다이아프램 구조(22)의 사이에 형성되어 있은 공간인 기액 혼합부에 유입되어 혼합된다. 액체 재료와 캐리어 가스가 혼합된 기액 혼합체는 내부 유로를 통과하여 보디(21)의 측면에 개구되는 액도출 포트(P3)로부터 외부로 도출된다. 제1 실시 형태에서는 제어 밸브(2)의 도출 포트는 후단에 인접하는 기화부(3)의 유입구에 접속되어 있다.

또한 보디(21) 내에는 밸브용 히터(26)가 내장되어 있어, 제어 밸브(2) 내가 소정 온도로 유지되도록 온도 조절되고 있다. 예를 들면 제어 밸브(2)의 온도는 탱크(TN) 내의 액체 재료보다도 높은 온도이며, 액체 재료가 기화되는 기화부(3)의 온도보다도 낮은 온도로 설정된다. 즉, 기화부(3)에 대해서 유입되는 액체 재료가 기화되기 쉽도록 제어 밸브(2)에서 예열됨과 아울러, 제어 밸브(2) 내에서는 액체 재료의 기화가 생기지 않도록 밸브용 히터(26)에서 온도 조절되는 온도는 설정되어 있다.

기화부(3)는 기액 혼합체를 가열 및 감압하여 기화시켜 재료 가스를 발생시키도록 구성되어 있다. 구체적으로는 기화부(3)는 유로 지름이 하류측에서 확대되는 노즐(31)과, 노즐(31) 내를 흐르는 기액 혼합체를 가열하는 기화 히터(32)를 구비하고 있다.

여기서, 특히 제어 밸브(2)가 전폐 상태로부터 개방되어 액체 재료가 기화기(VP)에 급격하게 유입되는 경우, 액체 재료 자체에 의한 흡열, 또는 기화부(3)에서 액체 재료가 기화함으로써 제어 밸브(2)의 온도는 밸브용 히터(26)로 가열되고 있었다고 해도 일시적으로 저하되게 된다. 보다 구체적으로는, 액체 재료의 유량을 제로의 상태로부터 스텝 모양으로 변화시키면, 제어 밸브(2)는 전폐 상태에서의 초기 온도로부터 서서히 저하되어, 액체 재료의 기화 등에 의한 흡열과 밸브용 히터(26)의 가열이 균형을 이루는 평형 온도로 유지되게 된다.

제어 기구(4)는 CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 기기 등을 구비한 컴퓨터와 각 기기가 협업하여 그 기능이 실현되는 것이다. 제1 실시 형태에서는 유저로부터의 설정에 기초하여 매스 플로우 컨트롤러(MFC)나 기화기(VP)의 동작을 제어한다. 제어 기구(4)는 매스 플로우 컨트롤러(MFC)에 대해서는 예를 들면 고정된 유량으로 캐리어 가스가 계속 공급되도록 어느 설정값으로 고정된 목표 지령을 캐리어 가스의 설정 유량으로서 입력한다. 또, 제어 기구(4)는 기화기(VP)의 제어 밸브(2)에 대해서 유저에 의해서 설정되어 있는 액체 재료의 설정 유량이 나타내는 설정값과 액체 유량 센서(1)가 측정하는 측정값에 기초하여, PID 제어에 의해서 제어 밸브(2)의 개도를 제어한다. 또, 이 제어 기구(4)는 제어 밸브(2)의 제어 중, 특히 스텝 지령에 대한 제어 도중에 적분 게인을 전환하는 것을 특징으로 하고 있다. 보다 구체적으로는 메모리에 격납되어 있는 기화 장치(100)용 프로그램이 실행되어, 각종 기기가 협업함으로써, 적어도 도 3에 나타내는 밸브 제어기(41), 적분 게인 전환부(42), 제어 파라미터 기억부(43)로서의 기능을 발휘한다. 이하에 각부에 대해서 상술한다.

밸브 제어기(41)는 유저에 의해서 설정되는 액체 재료의 설정 유량이 나타내는 설정값과 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브(2)의 개도를 제어한다. 이 밸브 제어기(41)는 액체 재료의 유량의 설정값과 측정값의 편차와 설정되어 있는 PID 게인에 기초하여 PID 연산을 행하여, 조작량인 인가 전압의 목표값을 산출하는 PID 제어부(411)와, PID 제어부(411)로부터 출력되는 인가 전압의 목표값이 되도록 제어 밸브(2)에 전압을 출력하는 전압 인가부(412)를 구비하고 있다. 여기서, PID 제어부(411)에 설정되는 PID 게인은 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인을 포함하고, 제1 실시 형태에서는 적분 게인은 제어 중에 어느 값으로부터 다른 값으로 전환된다. 한편, 비례 게인과 미분 게인에 대해서는 항상 고정되어 있다.

적분 게인 전환부(42)는 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 밸브 제어기(41)에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환한다. 예를 들면 적분 게인 전환부(42)는, 도 4의 이미지도에 나타내는 것처럼 설정 유량으로서 스텝 함수가 입력되어 있는 경우에는, 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 유량이 피크값이 되기 전까지는 기준 적분 게인을 설정하고, 그 이후는 보정 적분 게인을 설정한다. 여기서, 「유량의 과도 응답 기간」이란, 예를 들면 설정 유량으로서 초기값이 제로인 스텝 함수가 입력되어 있는 경우를 예로 하면, 측정되는 유량이 초기값인 제로 이외의 값이 된 상승 개시시를 개시점으로 하고, 측정되는 유량이 피크값이 되는 피크 시점으로부터 소정 시간 경과 후를 종료점으로 하는 기간을 말한다. 또한, 제어 밸브(2)의 밸브 시트(23) 또는 밸브체(24)에서 온도 상승이 생겨, 개도 증가가 발생하고 있는 유량의 측정값이 설정값보다도 큰 상태로 유지되는 경우에는, 피크 시점으로부터 소정 시간 경과 후에 있어서 측정되는 유량의 측정값은 예를 들면 설정값보다도 커도 된다. 또, 제어 밸브(2)의 재질의 특성이나 액체 재료의 특성, 가열량 등의 조합에 의해서 밸브 시트(23) 또는 밸브체(24)에서 온도 저하가 생겨, 개도 감소가 생김으로써 오버슛 발생 후에 언더슛이 발생하여, 유량의 측정값이 설정값보다도 작은 상태로 유지되는 경우에는, 피크 시점으로부터 소정 시간 경과 후에 있어서 측정되는 유량의 측정값은 예를 들면 설정값보다도 작아도 된다. 다르게 표현하면, 과도 응답 기간은, 유량이 초기값으로 유지되고 있는 상태로부터 유량이 상승하여, 피크값이 되고 나서 설정 유량이 나타내는 설정값으로 수렴될 때까지의 기간으로서도 정의할 수 있다. 이에 더하여, 종료점을 피크 시점으로 하여 과도 응답 기간을 상승 개시점으로부터 피크 시점까지의 기간인 상승 기간으로 하여 보다 엄밀하게 정의해도 상관없다.

기준 적분 게인 및 보정 적분 게인의 값, 및 이들 적분 게인을 사용하는 판정 조건에 대해서는 제어 파라미터 기억부(43)에 각각 관련지어 기억되어 있다.

기준 적분 게인은 예를 들면 밸브용 히터(26)에 의해 통상 동작 온도로 유지되고 있는 제어 밸브(2)의 특성에 맞춰 설정된 적분 게인이다. 보다 구체적으로는 기준 적분 게인은, 기화부(3)가 존재하지 않고, 제어 밸브(2)와 액체 유량 센서(1)만으로 구성된 유량 제어계에 있어서, 스텝 응답의 정정 시간이 미리 정해진 허용 시간 내가 되도록 설정된 값이다. 여기서 허용 시간이란 예를 들면 챔버에 도입되는 재료 가스의 유량에 요구되는 제약 조건 등으로부터 정해지는 값이다. 또, 기준 적분 게인은 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서 정해진 값이어도 되고, 실험적으로 정해진 값이어도 된다.

한편, 보정 적분 게인은 제어 밸브(2)와 액체 유량 센서(1)뿐만이 아니라, 기화부(3)도 존재하는 유량 제어계의 동 특성에 맞춰 설정된다. 구체적으로는 유량의 과도 응답 기간에 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하는 경우의 스텝 응답의 정정 시간이 전술한 허용 시간 내가 되도록 보정 적분 게인이 설정된다. 예를 들면 전술한 수법으로 정해진 기준 적분 게인을 전제로 하여, 컴퓨터 시뮬레이션이나 실험에 의해, 과도 응답 기간 중에 기준 적분 게인으로부터 이것과는 다른 적분 게인으로 변경했을 경우에 정정 시간이 전술한 허용 시간 내가 되는 값이 탐색된다. 탐색의 결과, 조건을 만족하는 적분 게인이 보정 적분 게인으로서 사용된다. 제1 실시 형태에서는 기준 적분 게인보다도 보정 적분 게인은 큰 값이 설정되어 있고, 예를 들면 기준 적분 게인 Ki에 1보다도 큰 보정 계수 α가 곱해진 값 α×Ki가 보정 적분 게인이 된다.

또, 제1 실시 형태에 있어서 적분 게인 전환부(42)가, 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환되는 타이밍은, 설정 유량의 상승 개시 시점을 트리거로 하고 있다. 구체적으로는, 적분 게인 전환부(42)는 설정 유량에 있어서 설정값이 제로로부터 소정 유량값으로 변화하는 상승 개시 시점을 기준으로 하여 소정 시간 경과 후에 밸브 제어기(41)에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환한다. 제1 실시 형태에서는 적분 게인 전환부(42)는 액체 유량 센서(1)에서 측정되는 액체 재료의 유량에 있어서의 과도 응답 기간 중에 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하고 있다. 일례로서는 액체 재료의 유량의 상승 개시 시점 이후이며, 적분 게인을 기준 적분 게인으로 고정하여 제어했을 경우에 있어서의 기준 피크 시점보다도 전에 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환된다. 즉, 측정되는 액체 재료의 유량의 상승 기간 내에 있어서 적분 게인이 전환된다. 또한, 후술하는 것처럼 오프셋을 해소 가능할 뿐만 아니라, 오버슛량을 저감하여, 정정 시간을 더 단축하기 위해서는, 액체 재료의 유량이 상승 개시 시점 이후로서 설정 유량에 있어서의 스텝값에 도달하는 것보다도 전에 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로의 전환을 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 기화 장치(100)에 있어서의 액체 재료의 유량 제어에 관한 스텝 응답에 대해서, 기준 적분 게인이 고정되어 있는 종래 예의 스텝 응답과 비교하면서 설명한다.

도 5에 나타내는 것처럼 설정 유량으로서 제로를 초기값으로 하는 스텝 함수가 입력되면, 설정 유량의 상승 개시 시점 근방으로부터 밸브 온도가 초기 온도로부터 종단 온도로 일차 지연으로 저하되어 간다. 이러한 온도 저하에 의해서 종래와 같이 기준 적분 게인으로 고정된 PID 제어를 행하고 있으면, 오버슛이 발생한 후에 유량의 설정값과 측정값 사이의 오프셋(정상 편차)이 유지되는 시간이 길어진다. 즉, 온도 저하에 기인하여 종래 예에서는 정정 시간이 허용 시간 내에 속할 수 없다.

이것에 대해서 제1 실시 형태의 기화 장치(100)에 있어서 도 6에 나타내는 것처럼 종래 예에 있어서 측정되는 유량이 피크가 되는 기준 피크 시점에서 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로의 전환을 행하면 오버슛량은 거의 같지만, 보정 적분 게인이 전환되고 나서는 신속하게 오프셋이 해소된다는 것을 알 수 있다. 또, 보정 적분 게인으로 전환된 후에 있어서 특히 헌팅 등은 생기지 않는다.

다음에 제1 실시 형태의 기화 장치(100)에 있어서 적분 게인의 전환 타이밍을 더 빠르게 한 경우에 대해서 도 7 및 도 8을 참조하면서 설명한다. 구체적으로는 도 8에 나타내는 것처럼 전술한 기준 피크 시점보다도 빠른 타이밍이며, 액체 재료의 유량의 측정값이 설정값보다도 작은 시점에서 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하고 있다.

이러한 타이밍에서 적분 게인의 전환을 행하면 도 7 및 도 8에 나타내는 것처럼 종래 예와 비교하여 제1 실시 형태의 기화 장치(100)이면, 오버슛량을 저감시킬 수 있음과 아울러, 정정 시간도 더 단축할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또, 이러한 타이밍에서 보정 적분 게인이 전환되었다고 해도, 특히 헌팅 등은 생기지 않는다.

이와 같이 제1 실시 형태의 기화 장치(100)이면, 적분 게인 전환부(42)가 액체 재료의 유량의 과도 응답 기간에 있어서 기준 적분 게인으로부터 그것보다도 큰 보정 적분 게인으로 전환을 행할 수 있다. 이 결과, 액체 재료가 기화하기 시작함으로써 제어 밸브(2)의 온도가 크게 저하되어, 제어 밸브(2)를 구성하는 금속 등에 열수축이 생기고 있었다고 해도, 오프셋을 해소하는데 필요한 개도를 실현할 수 있다. 또, 오프셋이 해소되는 것으로부터, 정정 시간이나 허용 시간 내까지 단축할 수 있다.

또한, 액체 재료의 상승 개시 시점으로부터 소정 시간은 기준 적분 게인으로 제어되고 있으므로 과도 응답 기간 내에 있어서 과잉한 조작량이 제어 밸브(2)에 대해서 입력되는 일 없어, 큰 오버슛이나 헌팅이 생기는 일도 없다. 바꿔 말하면, 기준 적분 게인보다도 높은 보정 적분 게인으로 항상 제어를 행하면, 유량 제어가 불안정하게 될 우려가 있지만, 제1 실시 형태의 기화 장치(100)에서는 처음은 낮은 기준 적분 게인으로 PID 제어를 행하고 있으므로, 그러한 문제가 생기기 어렵다. 따라서, 기화 장치(100)로서의 응답성을 개선하면서, 제어의 안정성도 양립시킬 수 있다.

다음에 제1 실시 형태의 기화 장치(100)의 변형예에 대해 설명한다.

적분 게인 전환부(42)는 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로의 전환을 행한 후에 있어서 액체 재료의 유량의 측정값이 설정값으로 유지되고 소정 시간 경과 후에 다시 기준 적분 게인으로 되돌리도록 구성되어 있어도 된다. 이러한 것이면, 유량의 유지 중에 외란이 입력되었다고 해도 그 영향을 받기 어렵게 하여 로버스트성을 높일 수 있다.

적분 게인 전환부(42)가 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로의 전환을 행하는 타이밍에 대해서는 제1 실시 형태에 있어서 설명한 것처럼 과도 응답 기간 중의 상승 기간으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 과도 응답 기간 중에 상승 기간 이외에서 적분 게인이 전환되어도 된다. 제1 실시 형태에서는 상승 기간 중에 적분 게인의 전환을 행하고 있었지만, 예를 들면 피크 시점을 지나 액체 재료의 유량이 감소하여 설정 유량의 설정값이 되기까지 동안에 적분 게인의 전환을 행해도 된다. 또, 상승 기간 중으로서 설정 유량의 스텝값이 된 시점 이후부터 피크 시점까지의 사이에 있어서 적분 게인의 전환이 행해지도록 해도 된다.

또, 적분 게인 전환부(42)는 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍을, 설정 유량이 나타내는 설정값의 크기에 따라 설정하는 것이어도 된다. 예를 들면 설정 유량이 나타내는 설정값과 초기값의 차가 커질수록, 액체 재료의 유량의 상승 개시점을 기준으로 한 전환 타이밍을 지연시키도록 해도 된다. 적분 게인 전환부(42)는 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍을 액체 재료의 종류에 따라 설정하도록 구성된 것이어도 된다. 예를 들면 액체 재료의 비열이나 점성 등의 물성에 따라 전환 타이밍을 설정해도 된다.

제1 실시 형태의 기화 장치(100)에서는 밸브 제어기(41)는 PID 제어에 의해서 제어 밸브(2)의 제어를 행하고 있었지만, 예를 들면 PI 제어에 의해서 제어를 행하는 것이어도 된다. PI 제어였다고 해도, 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로의 전환을 행함으로써, 제1 실시 형태의 기화 장치(100)와 마찬가지로 제어 특성을 개선하면서 제어의 안정성을 유지하는 것이 가능해진다.

또, 제1 실시 형태에서는 적분 게인만을 전환하도록 구성되어 있었지만, 비례 게인이나 미분 게인도 맞춰 전환하도록 해도 상관없다. 즉, 기화 장치(100)는 적어도 적분 게인을 전환하는 것이면 된다. 또, 복수의 게인을 전환하는 경우에는, 각 게인을 동시에 전환해도 되고, 각 게인의 전환 타이밍을 각각 엇갈리게 해도 상관없다. 이에 더하여, 적분 게인의 전환은 불연속으로 행해도 되고, 소정 시간 내에 연속적으로 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 변화하도록 해도 된다. 즉, 「적분 게인의 전환」은 불연속 함수에 의해서 정의되는 것으로 한정되지 않고, 연속 함수로 정의되어 있어도 된다.

제1 실시 형태에서는 설정 유량은 초기값을 제로로 하는 스텝 함수였지만, 본 발명의 적용과 대상은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면 초기값이 소유량으로 유지되고 있고, 도중부터 대유량이 되는 스텝 함수가 설정 유량으로서 입력되는 경우에도, 기화량의 큰 변화에 의해서 제어 밸브(2)의 온도가 크게 저하된다고 생각할 수 있다. 이러한 제어 밸브(2)의 온도 저하에 기인하는 오프셋이나 정정 시간에 관한 문제는 제1 실시 형태와 마찬가지의 적분 게인의 전환으로 해결할 수 있다고 생각할 수 있다. 또, 설정 유량으로서 입력되는 함수는 스텝 함수로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 램프 함수에 의해서 초기값과 최종적인 설정값이 접속되는 것이어도 된다. 또, 초기값과 최종적인 설정값의 사이는 예를 들면 S자 보간 등의 각종 방법으로 접속되어 있어도 된다. 이에 더하여, 제1 실시 형태에서는 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하는 타이밍은, 예를 들면 스텝 응답의 정정 시간이 허용 시간이 되도록 정하고 있었지만, 이것에 대해서도 각종 유량 응답의 정정 시간에 기초하여 정해져도 된다. 예를 들면 램프 응답의 정정 시간이 허용 시간 내가 되도록 적분 게인의 전환 타이밍을 설정해도 되고, 전술한 초기값과 최종적인 설정값의 사이를 S자 보간한 설정 유량이 입력되어 있는 경우의 유량 응답의 정정 시간에 기초하여 설정해도 된다. 또, 이들 이외의 다양한 수법이나 함수로 초기값과 최종적인 목표값의 사이가 보간된 설정 유량이 입력되었을 경우에 있어서의 유량 응답의 정정 시간에 기초하여 적분 게인의 전환 타이밍을 정해도 된다.

기화부(3)에 관해서는 액체 재료를 감압만으로 기화시키는 것이어도 되고, 가열만으로 기화시키는 것이어도 된다.

도 9에 나타내는 것처럼 기화기(VP)에 대해서는, 제어 밸브(2)와 기화부(3)가 일체화된 것이어도 된다. 즉, 제어 밸브(2)의 보디(21)에 있어서 밸브 시트(23)와 액도출 포트(P3)를 접속하는 유로 중에 유로 면적이 작아지는 노즐(31)을 형성하여 기화부(3)를 구성해도 된다. 이러한 경우에는, 보디(21)에 있어서 상류측이 되는 액체 도입 포트(P1) 및 기체 도입 포트(P2)로부터 밸브 시트(23)에 이르기까지의 유로를 구성하는 부분과, 다이아프램 구조(22), 피에조 액츄에이터(25) 등의 액츄에이터가 제어 밸브(2)를 구성하고, 보디(21) 내에 있어서 밸브 시트(23)보다도 하류측에 형성된 노즐(31)이 기화부를 구성하게 된다. 또, 제어 밸브(2)에 있어서의 액체 재료의 제어점과, 기화부(3)에 있어서의 기화점을 일치시키도록 해도 된다. 즉, 노즐(31)을 마련하지 않고, 제어 밸브(2)의 밸브 시트(23)와 밸브체(24)의 간극 자체를 기화부(3)로서 이용함으로써 유량 제어와 기화를 1개의 구성으로 동시에 행하도록 구성해도 된다. 다시 바꿔 말하면, 제어 밸브(2)의 밸브 시트(23)와 밸브체(24)의 그것들 자체를 기화부(3)로서 구성해도 된다. 제어 밸브(2)와 기화부(3)의 위치 관계는 유량 상에 있어서 동일점이 되는 경우와, 제어 밸브(2)보다도 기화부(3)의 쪽이 하류측에 존재하는 경우가 있을 수 있다.

제1 실시 형태의 기화 장치(100)에서는, 제어 밸브(2)에 있어서 온도 저하가 생겨, 개도 증가가 생기는 것에 의한 유량 제어상의 문제를 적분 게인을 과도 응답 기간에 전환하는 것으로 해결하고 있었지만, 이 구성 및 수법은 제어 밸브(2)에 있어서 온도 상승이 생겨, 개도 감소가 생기는 것에 의한 유량 제어상의 문제도 마찬가지로 해결할 수 있다.

제어 기구(4)는 보정 적분 게인을 변경하는 보정 적분 게인 변경부(44)를 더 구비해도 된다. 여기서, 보정 적분 게인 변경부(44)는 보정 적분 게인 자체를 변경하는 것이어도 되고, 보정 적분 게인을 구성하는 값을 변경하는 것이어도 된다. 보정 적분 게인을 구성하는 값을 변경하는 양태로서는, 예를 들면, 기준 적분 게인 Ki에 보정 계수 α가 곱해진 값 α×Ki인 보정 적분 게인 중, 기준 적분 게인 Ki를 변경하는 것, 또는 보정 계수 α를 변경하는 것 중 적어도 한쪽을 포함한다. 본 실시 형태의 보정 적분 게인 변경부(44)는, 보정 계수 α를 변경하는 것이며, 그 변경 후의 보정 계수 α를 제어 파라미터 기억부(43)에 출력한다.

여기서, 보정 계수 α는 제어 밸브(2)의 온도 저하에 관계되는 온도 관계 파라미터를 이용하여 변경된다. 온도 관계 파라미터로서는, 액체 재료의 종류, 액체 재료의 설정 유량, 액체 재료의 설정 압력, 캐리어 가스의 설정 유량, 액체 재료의 측정 유량, 제어 밸브(2)의 상류측의 측정 압력, 제어 밸브(2)의 하류측의 측정 압력, 제어 밸브(2)의 설정 온도, 기화부(3)의 설정 온도, 또는 주위 온도 등을 들 수 있다.

온도 관계 파라미터를 설명하면, 액체 재료의 종류란, 점성 또는 비열과 같은 물성값, 액체 재료의 농도, 액체 재료의 명칭을 나타내는 데이터이다. 액체 재료의 설정 유량, 액체 재료의 설정 압력, 캐리어 가스의 설정 유량, 및 제어 밸브(2)의 설정 온도는, 밸브 제어기(41)에 입력되는 설정값이며, 밸브 제어기(41)의 설정값의 입력에 따른 신호, 또는 설정값을 환산하여 산출한 값이어도 된다. 액체 재료의 측정 유량은 액체 유량 센서(1)의 측정값이어도 되고, 액체 유량 센서(1)의 측정값을 나타내는 신호, 또는 측정값을 환산하여 산출한 값이어도 된다. 제어 밸브(2)의 상류측의 측정 압력, 및 제어 밸브(2)의 하류측의 측정 압력은, 압력 센서(도시하지 않음)의 측정값이어도 되고, 압력 센서(도시하지 않음)의 측정값을 나타내는 신호, 또는 측정값을 환산하여 산출한 값이어도 된다. 주위 온도란, 기화 장치(100) 내의 기화기(VP) 또는 액체 유량 센서(1)의 주변의 온도이며, 주위 온도의 측정값은, 온도 센서(도시하지 않음)의 측정값을 나타내는 신호, 또는 측정값을 환산하여 산출한 값이어도 된다.

보정 적분 게인 변경부(44)는 상술한 온도 관계 파라미터와 보정 계수 α의 관계를 나타내는 관계 데이터를 이용하여 얻어진 보정 계수 α로 변경한다. 관계 데이터는 온도 관계 파라미터 중 적어도 1개(예를 들면 액체 재료의 종류, 설정 온도, 및 설정 유량)와 보정 계수 α의 관계를 식으로 한 식 형식이어도 되고, 온도 관계 파라미터 중 적어도 1개와 보정 계수 α의 관계를 표로 한 표 형식의 것이어도 되고, 온도 관계 파라미터 중 적어도 1개와 보정 계수 α의 관계를 그래프로 한 그래프 형식의 것이어도 된다.

여기서, 관계 데이터에 이용하는 온도 관계 파라미터가, 액체 재료의 설정 유량의 변경에 관계없이 일정한 설정값(예를 들면 설정 압력, 또는 설정 온도 등)만으로 이루어지는 경우에는, 액체 재료의 설정 유량의 변경의 전후에 관계없이, 그 설정값을 입력함으로써, 관계 데이터를 이용하여 보정 계수 α를 구할 수 있다. 또한, 관계 데이터의 파라미터로서, 액체 재료의 설정 유량의 변경 전후에 있어서의 차분을 이용해도 된다. 이 경우, 그 차분마다 관계 데이터를 작성하는 것이 바람직하다.

한편, 관계 데이터에 이용하는 온도 관계 파라미터가, 액체 재료의 설정 유량의 변경에 의해 변화하는 측정값(예를 들면 측정 유량, 측정 압력, 또는 측정 온도 등, 이하, 관계 데이터 작성용 측정값)을 포함하는 경우에는, 그 관계 데이터 작성용 측정값을 측정한 타이밍(예를 들면 액체 재료의 설정 유량의 변경 전, 액체 재료의 변경 후의 과도 응답 기간 등)의 측정값을 입력함으로써, 관계 데이터를 이용하여 보정 계수 α를 구할 수 있다.

그리고, 관계 데이터는 제어 기구(4)에 마련된 관계 데이터 격납부(도시하지 않음)에 격납되어 있어도 되고, 기화 장치(100)와는 별개로 마련된 연산 장치에 격납되어 있어도 된다.

제어 기구(4)의 관계 데이터 격납부에 관계 데이터가 격납되어 있는 경우에는, 보정 적분 게인 변경부(44)는 관계 데이터를 이용하여 보정 계수 α를 구하고, 해당 보정 계수 α를 제어 파라미터 기억부(43)에 출력함으로써, 보정 적분 게인을 변경한다. 또한, 도 10에서는, 액체 재료의 설정 유량 또는 액체 재료의 설정 압력을 이용하여 보정 계수 α를 구하는 예를 나타내고 있다.

한편, 기화 장치(100)와는 별개로 마련된 연산 장치에 관계 데이터가 격납되어 있는 경우에는, 해당 연산 장치에 파라미터를 입력함으로써, 관계 데이터를 이용하여 보정 계수 α를 구할 수 있다. 이 보정 계수 α를 제어 기구(4)에 입력함으로써, 보정 적분 게인 변경부(44)가 그 보정 계수 α를 수취하고, 제어 파라미터 기억부(43)에 출력하여, 보정 적분 게인을 변경한다. 여기서, 연산 장치에 파라미터를 입력하는 양태로서는, 유저가 온도 관계 파라미터를 입력하는 것, 제어 기구(4)가 온도 관계 파라미터를 입력하는 것, 또는 제어 기구(4)의 상위 제어 장치가 온도 관계 파라미터를 입력하는 것 등을 들 수 있다. 또, 연산 장치에 의해 얻어진 보정 계수 α를 제어 기구(4)에 입력하는 양태로서는, 유저가 제어 기구(4)에 입력하는 것, 연산 장치가 제어 기구(4)에 입력하는 것, 또는 연산 장치가 상기 상위 제어 장치에 송신하고, 상기 상위 제어 장치가 제어 기구(4)에 입력하는 것 등을 들 수 있다.

다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 유체 제어 장치(101)에 대해 도 11 및 도 12를 참조하면서 설명한다.

제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)는, 제어 밸브(2)가 밸브 제어기(41)에 의한 제어 중에 있어서 유체 센서에서 측정되는 유량 또는 압력의 측정값의 상승 이후에 소정값 이상의 온도 저하가 생기는 사용 환경에 마련되어 있는 것이다. 즉, 유체 제어 장치(101)는 기화 장치(100)는 아니지만, 제1 실시 형태와 마찬가지로 유체의 유입의 개시에 따라 제어 밸브(2)의 온도가 저하되어, 마찬가지로 고정된 적분 게인을 사용한 PID 제어에서는 오프셋이 해소되지 않거나, 원하는 정정 시간이 얻어지지 않았거나 하는 것이다.

구체적으로는 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)는 매스 플로우 컨트롤러 로서, 도 9에 나타내는 것처럼 다른 복수의 매스 플로우 컨트롤러와 함께 가스 박스 내에 밀집시켜서 마련된 것이다. 각 매스 플로우 컨트롤러는 각각 개별로 상이한 유체의 유량을 제어하고 있다. 이러한 가스 박스 내는 매스 플로우 컨트롤러 자체의 발열 등에 의해서 실온 등의 환경 온도보다도 고온으로 되어 있고, 유입되는 유체의 온도가 매스 플로우 컨트롤러보다도 낮은 경우에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 온도 저하에 따른 제어상의 문제가 생길 수 있다.

이러한 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)는, 도 11에 나타내는 것처럼 제어 밸브(2), 압력 또는 유량을 측정하는 유체 센서(11), 유체 센서(11)의 측정값과 설정값의 편차에 기초하여 제어 밸브(2)의 개도를 제어하는 제어 기구(4)를 구비하고 있다. 또한, 제어 기구(4)의 구성은 제1 실시 형태와 거의 같고, 제어 입력과 제어 대상이 다를 뿐이다. 즉, 가스 박스 내에 마련되어 있는 제2 실시 형태의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)에 대해서 스텝 모양의 목표 지령이 입력되는 경우에는, 유체 센서의 측정값의 과도 응답 기간에 있어서 적분 게인 전환부(42)가 밸브 제어기(41)에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 보정 적분 게인으로 전환하도록 구성되어 있다.

이러한 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)이면, 제1 실시 형태의 기화기(VP)와 마찬가지로 제어 밸브(2)의 온도 저하가 생길 수 있는 용도에 있어서 오프셋이 해소되지 않거나, 혹은 정정 시간을 단축할 수 없다고 한 문제를 해결하면서, 제어상의 안정성도 양립시킬 수 있다.

다음에 제2 실시 형태의 변형예에 대해 설명한다.

제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)는 유량을 제어하는 것으로 한정되지 않고, 압력을 제어하는 것이어도 된다. 또, 유체에 대해서도 액체, 기체, 기액 혼합체 중 어느 것이어도 된다. 또, 제어 밸브(2)가 고온으로 되어 있고, 유체의 유입에 의해서 온도가 저하되는 것이면 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(101)에 있어서의 제어 방식을 적용 가능하다. 즉, 전술한 것 같은 가스 박스 내에 수용되어 있는 것으로 한정되지 않고, 다양한 유체 제어 장치에 적용 가능하다. 또, 제어 밸브(2)가 유체의 유입에 의해서 온도 상승하는 경우에도, 예를 들면 설정값에 대해서 유량이 작아지는 오프셋을 해소하여, 정정 시간을 짧게 한다고 한 것이 가능해진다. 즉, 제어 밸브가 밸브 제어기에 의한 제어 중에 있어서 유체 센서에서 측정되는 측정값의 상승 이후에 소정값 이상의 온도 변화가 생기는 사용 환경에 마련되어 있는 것이면, 본 발명은 적용 가능하다.

제1 실시 형태와 마찬가지로, 제2 실시 형태에 있어서, 제어 기구(4)는 보정 적분 게인을 변경하는 보정 적분 게인 변경부(44)를 더 구비하는 것이어도 된다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 실시 형태의 조합이나 변형을 행해도 상관없다.

100 ···기화 장치
1 ···액체 유량 센서
2 ···제어 밸브
3 ···기화부
4 ···제어 기구
41 ···밸브 제어기
42 ···적분 게인 전환부
101 ···유체 제어 장치
11 ···유체 센서
GB ···가스 박스

Claims

액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와,
상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와,
유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서와,
설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비한 기화 장치로서,
상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 기화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 보정 적분 게인이 상기 기준 적분 게인보다도 높은 값으로 설정되어 있는 기화 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 기준 적분 게인이, 상기 기화부가 존재하지 않는 경우에 있어서의 유량 응답의 정정 시간이 미리 정해진 허용 시간 내가 되도록 설정된 값인 기화 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 보정 적분 게인이, 상기 기화부가 존재하고, 상기 과도 응답 기간에 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 경우에 있어서의 유량 응답의 정정 시간이 상기 허용 시간 내가 되도록 정해진 값인 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
적분 게인 전환부가, 상기 측정값이 상기 설정값으로 수렴된 후에 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 상기 보정 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인으로 되돌리는 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적분 게인 전환부가, 상기 설정 유량의 상승 개시 시점을 기준으로 하여 소정 시간 경과 후에 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍이, 상기 기준 적분 게인으로 고정하여 상기 제어 밸브를 계속 제어했을 경우에 있어서의 유량 응답의 상승 개시 시점으로부터 피크 시점까지의 기간의 사이에 설정되어 있는 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적분 게인 전환부가 상기 기준 적분 게인으로부터 상기 보정 적분 게인으로 전환하는 전환 타이밍을, 상기 설정 유량이 나타내는 설정값의 크기 또는 상기 액체 재료의 종류에 따라 설정하도록 구성된 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보정 적분 게인을 변경하는 보정 적분 게인 변경부를 더 구비하는, 기화 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 보정 적분 게인 변경부는 상기 액체 재료의 종류, 상기 액체 재료의 설정 유량, 상기 액체 재료의 설정 압력, 캐리어 가스의 설정 유량, 상기 제어 밸브의 상류측의 압력, 상기 제어 밸브의 하류측의 압력, 상기 제어 밸브의 설정 온도, 상기 기화부의 설정 온도, 또는 주위 온도 중 적어도 어느 것에 기초하여, 상기 보정 적분 게인을 변경하는, 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 밸브가,
상기 액체 재료가 내부에 도입되는 액체 도입 포트와,
상기 캐리어 가스가 내부에 도입되는 기체 도입 포트와,
상기 액체 재료 및 상기 캐리어 가스가 혼합된 기액 혼합체가 외부로 도출되는 도출 포트를 구비한 기화 장치.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 밸브와 상기 기화부가 인접해서 마련된 기화 장치.
액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서를 구비한 기화 장치의 제어 방법으로서,
설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 것과,
상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 것을 포함하는 기화 장치의 제어 방법.
액체 재료가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와, 상기 액체 재료가 감압 또는 가열에 의해서 기화되는 기화부와, 유로를 흐르는 액체 재료의 유량을 측정하는 액체 유량 센서를 구비한 기화 장치에 이용되는 제어용 프로그램의 기억 매체로서,
설정 유량이 나타내는 설정값과 상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 측정값에 기초한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기와,
상기 액체 유량 센서에서 측정되는 유량의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 기화 장치용 프로그램의 기억 매체.
유체가 흐르는 유로에 마련된 제어 밸브와,
목표 지령이 나타내는 유량 또는 압력의 설정값과 상기 유체 센서에서 측정되는 측정값을 이용한 PI 제어 또는 PID 제어에 의해서 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비한 유체 제어 장치로서,
상기 제어 밸브가, 상기 밸브 제어기에 의한 제어 중에 있어서 상기 유체 센서에서 측정되는 측정값의 상승 이후에 소정값 이상의 온도 변화가 생기는 사용 환경에 마련되어 있고,
상기 유체 센서에서 측정되는 측정값의 과도 응답 기간에, 상기 밸브 제어기에 설정되어 있는 적분 게인을 기준 적분 게인으로부터 상기 기준 적분 게인과는 상이한 보정 적분 게인으로 전환하는 적분 게인 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 유체 제어 장치.