JP6279675B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば半導体製造プロセスで用いられる材料ガス等の流量を制御する流体制御装置に関するものである。

この種の流体制御装置は、流体が流れる流路上に設けられた流量センサと流量調整弁とを有しており、別体又は一体で設けた制御回路によって、流量センサによる流体の測定流量が目標流量となるように、前記流量調整弁をフィードバック制御する構成となっている。

ところで、流体を流し始めるとき、すなわち、全閉状態から目標流量に向かって流量制御し始めるときに、最初からフィードバック制御をすると、測定流量が目標流量に落ち着くまでに時間がかかることがある。なぜならば、流量調整弁には、その駆動信号の値がある閾値を超えないと動き出さないという特性があるところ、目標流量と測定流量の偏差に応じて流量調整弁の駆動信号値（印加電圧）を算出するというフィードバック制御を最初から行うと、最初の何回かの制御ループの中で算出された印加電圧が前記閾値を超えず、実際に流量調整弁が動き出すまでに、その何回かの制御ループの時間が無駄に消費されるからである。

もちろん、制御係数を大きくすることによって、偏差に基づいて出力される印加電圧が前記閾値をすぐに超えるように設定し、応答性を向上させることも可能ではあるが、そうすると、発振したりして制御が不安定になる恐れが生じる。

そこで、特許文献１では、全閉状態から流量制御し始めるときには、最初に出力される印加電圧を前記閾値を超える値に強制的に設定し、この値を初期値（初期印加電圧）として、ここからフィードバック制御を始めるようにしている。

特開２００１−２３６１２５号公報

しかしながら、前記初期印加電圧が、流量調整弁が動くはずの値に定められていたとしても、場合によっては、流量調整弁が動かず、応答性に不具合が生じることを本発明者は見出した。そして、この現象について鋭意検討した結果、流体の種類、圧力、温度によって流量調整弁の不感帯が変動することに原因があることを本発明者は突き止めた。

例えば、図４に、流量調整弁よりも上流側圧力が変わったときの該流量調整弁の動き出し印加電圧の変化について示す。上流側圧力が１５０ＫＰａＧのときには印加電圧約１．３Ｖで流量調整弁が動き出すに対し、上流側圧力が３５０ＫＰａＧになると、印加電圧が約１．９Ｖでようやく流量調整弁が動き出す。その結果、ほぼ同様の初期印加電圧を設定しているにもかかわらず、全閉状態から目標流量に向かって流量制御し始めるときに、圧力が１５０ＫＰａＧのときには、比較的短時間で弁が動き出して流量制御が行われるのに対し、３５０ＫＰａＧのときには、弁が動き出すまでにかなりの時間を要し、測定流量が目標流量に達するまで時間がかかることがわかる。このときの流量制御弁は、上流側の流体圧力が弁体を閉止側に付勢する構造であり、弁体を動かすのに必要な力は該圧力が高いほど大きくなる構造であり、これが原因で、流量調整弁の動き出し印加電圧が変化したと考えられる。

また、図６、図７に、流体の種類が変わったときの流量調整弁の動き出し印加電圧の変化について示す。ここでは、Ｎ２ガスとＳＦ６ガスとの比較である。分子量の大きいガス（Ｎ２ガス）のほうの印加電圧を大きく変化させないと（ここではノーマルオープンタイプの流量調整弁を用いているので、印加電圧の下げ幅を大きくしないと）、流量調整弁が動き出さず、流体が流れ始めない。

本発明は、流量調整弁の上述した不具合を解決すべくなされたものであって、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときの流量を、周囲状況に寄らず、目標流量に素早く到達させ、なおかつ安定的に制御できるようにすることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る流体制御装置は、駆動信号の値に応じて開度が変化し、流路を流れる流体の流量を調整する流量調整弁と、前記流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサによる測定流量が与えられた目標流量と等しくなるように、駆動信号を出力して前記流量調整弁を制御する制御回路とを具備したものであって、前記制御回路が、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときには、そのときの流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれかをパラメータとして初期駆動信号値を設定することを特徴とする。

このような構成によれば、流体の種類、圧力、温度によって流量調整弁の不感帯が変動しても、前記初期駆動信号値、すなわち、全閉状態から流量調整弁に与える最初の駆動信号値が、それに対応するように変化するので、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときの流量を、周囲状況に寄らず、目標流量に素早く到達させ、なおかつ安定的に制御することができるようになる。

流体の種類、圧力又は温度をパラメータとして定められる最適な初期駆動信号値は、機差があり、かつ、流量制御弁やその周辺機器の特性が経時変化することによっても変わっていく。

これに対応できるようにするには学習機能をもたせることが好ましい。
その具体的な態様としては、前記制御回路が、全閉状態から流量調整弁が動き出したときの駆動信号値である動き出し駆動信号値とそのときの流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれかとを対にして記憶する記憶部と、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときには、そのときの流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれかをパラメータとして、前記記憶部に記憶されている過去の動き出し駆動信号値を参照し、前記初期駆動信号の値を設定する初期駆動信号値設定部とを具備しているものが好ましい。

また、その他の学習機能の態様としては、前記制御回路が、全閉状態から流量調整弁が動き出した時点の駆動信号の値である動き出し駆動信号値及びその時点の流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれかを取得し、それらの関係から、流体の種類、圧力又は温度をパラメータとして定められた、初期駆動信号値を求めるための関数乃至表を更新するようにしたものを挙げることができる。

前記動き出し駆動信号値は、前記流量測定手段によって全閉状態から最初に０を超える流量が測定された時点での駆動信号値をもってその値とすることが、専用のセンサーを不要化できるなどの観点から好ましい。

本流体制御装置は、流量制御のみならず、圧力制御にも応用できる。すなわち、駆動信号の値に応じて開度が変化し、流路を流れる流体の圧力を調整する圧力調整弁と、前記流路を流れる流体の圧力を測定するための圧力測定手段と、前記圧力測定手段によって得られた測定圧力が、与えられた目標圧力と等しくなるように、駆動信号を出力して前記圧力調整弁を制御する制御回路とを具備したものであって、前記制御回路が、全閉状態から測定圧力を目標圧力に等しくすべく圧力調整弁を制御し始めるときには、そのときの流体の種類、流量、温度の少なくともいずれかをパラメータとして初期駆動信号の値を設定するものでも構わない。

本発明の一実施形態における流体制御装置の全体構成図。 同実施形態における弁体及び弁座の拡大図。 同実施形態における制御回路の機能ブロック図。 上流側圧力が変わったときの流量調整弁の動き出し印加電圧の変化を示す実験グラフ。 Ｎ２ガスを流したときの流量調整弁の動き出し印加電圧を示す実験グラフ。 ＳＦ６ガスを流したときの流量調整弁の動き出し印加電圧を示す実験グラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態の流体制御装置は、図１に示すように、半導体製造に用いられる材料ガス等の流体流量を制御するものであって、前記流体が流れる流路５１を貫通させたボディ５と、前記流路５１上に設けられた流量調整弁７と、この流量調整弁７よりも上流側に設けられて当該流路５１を流れる流体の流量を測定する流量測定手段２と、流量測定手段２による測定流量が予め定めた目標流量になるように前記流量調整弁７の弁開度を制御する制御回路１とを具備している。

流量調整弁７は、図１、図２に示すように、前記流路５１から流れてきた流体が流れ出す開口７ａが形成された弁座７１と、前記弁座７１に離接可能に設けられて前記開口７ａを開閉する弁体７２と、前記弁体７２の裏側に接続されて該弁体７２を弁座７１に対して離接動作させるピエゾアクチュエータ７３とを具備している。そして、ピエゾアクチュエータ７３に駆動信号である電圧信号を与えることによって、ピエゾアクチュエータ７３が伸縮し、弁体７２と開口７ａとの距離が変わって、弁開度が変化するように構成してある。なお、この流量調整弁７は、電圧が印加されない状態では弁体７２が開口７ａから最も離れて全開状態となるノーマルオープンタイプのものである。

流量測定手段２としては、熱式、差圧式、コリオリ式、超音波式など種々考えられるが、ここでは、熱式のものを採用しており、具体的に言えば、この流量測定手段２は、前記流路５１を流れる流体のうちの所定割合の流体が導かれるように当該流路５１と並列接続した細管２１と、この細管２１に設けた図示しないヒータ及びその前後に設けた一対の温度センサ２２、２３とを具備してなる。そして、前記細管２１に流体が流れると、二つの温度センサ２２、２３の間にその質量流量に対応した温度差が生じることから、この温度差に基づいて流量を算出できるように構成してある。温度差から流量を算出するのは、後述する制御回路１に設けられた流量算出部１１である。

制御回路１は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ、増幅器、通信インタフェース等を具備したアナログ、デジタル混在回路であり、前記メモリに記憶されたプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が協働することにより、図３に示すように、前記流量算出部１１に加えて、後述する目標流量記憶部１２、制御本体部１３などの機能を発揮する。

次にこの制御回路１の具体的な機能を説明する。
この制御回路１は、基本的には、流量測定手段２からの出力に基づいて算出した測定流量が、外部機器から受信した目標流量となるように流量調整弁７をフィードバック制御するが、その他に、全閉指令や全開指令などを受け付けた場合には、目標流量を無視して強制的に弁開度を設定することもできる。

そこで、まず、この制御回路１による基本フィードバック制御動作を説明する。
目標流量は、メモリに設けた目標流量記憶部１２に蓄積されている。この目標流量は、例えば外部機器からの指令により更新可能である。

そして、制御本体部１３は、前記流量測定手段２及び流量算出部１１によって測定された測定流量と前記目標流量記憶部１２に記憶されている目標流量との偏差を算出し、その偏差を打ち消すような印加電圧を、例えばＰＩＤ演算により算出して流量調整弁７に出力する。この制御ループを繰り返して、制御回路１は、測定流量が目標流量となるように流量調整弁７をフィードバック制御する。

一方、全閉指令又は全開指令を受け付けたときには、制御本体部１３は、フィードバック制御を行わず、すなわち、目標流量や測定流量を参照せず、予め定められた全閉印加電圧又は全開印加電圧を流量調整弁７に出力する。ここで流量調整弁７はノーマルオープンであるから、全開印加電圧は０であり、全閉印加電圧はこの流量調整弁７の定格最大電圧である。

しかして本実施形態では、全閉状態、すなわち、全閉指令が出力されているか又は目標流量が０に設定されていて測定流量が０の状態から、予め定めた一定値を超えた目標流量に向かってフィードバック制御を開始するとき（以下、初期時とも言う。）に、最初に与える初期印加電圧（請求項で言う初期駆動信号値）を、そのときの流体の種類、圧力及び温度に応じて定めるようにしている。そしてその後、引き続いて、前記フィードバック制御を開始する。
全閉印加電圧から初期印加電圧への変化分である初期変化電圧と、流体の種類、圧力及び温度との関係は、具体的には、以下の通りである。

流体の種類との関係について言えば、粘性の高い流体ほど初期変化電圧を大きくして、初期時に流量調整弁７を開けようとする力が大きくなるようにしている。粘性の高い流体とは、例えば半導体材料ガスの場合は分子量が大きいもののことである。なお、制御本体部１３は、流体の種類を、例えば外部機器から送信されてきた流体種類情報によって認識する。

圧力との関係について言えば、ここでは流量調整弁７の上流側圧力が低いほど、初期変化電圧を大きくして、初期時に弁を開けようとする力が大きくなるようにしている。なお、制御本体部１３は、前記上流側圧力を、図示しない圧力センサから取得する。

温度との関係について言えば、ここでは流体の温度が低いほど、初期変化電圧を大きくして、初期時に流量調整弁７を開けようとする力が大きくなるようにしている。なお、制御本体部１３は、流体温度を、例えば、ボディ５の内部に設けた図示しない温度センサから取得する。

理解の容易のため、より具体的な初期変化電圧の設定方法の一例を説明する。ここでは、基準変化電圧が予め定めてあるとともに、流体種類、圧力及び温度に応じてそれぞれ電圧設定係数が設定してあり、前記予め定めた基準変化電圧に、取得した流体種類、圧力及び温度に応じて定まる電圧設定係数をかけることによって、初期変化電圧を算出する。例えば、基準変化電圧が２Ｖであり、流体種類による電圧設定係数が０．９、圧力による電圧設定係数が１．２、温度による電圧設定係数が１であったとすると、初期変化電圧は、２×０．９×１．２×１＝２．１６Ｖと算出される。そして、初期印加電圧は、全閉印加電圧が５Ｖとすると、これから初期変化電圧を差し引いて、５−２．１６＝２．８４Ｖとなる。

このように構成すれば、流体の種類、圧力、温度によって流量調整弁の不感帯が変動しても、流量調整弁に与える初期駆動信号値が、それに対応するように変化するので、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときの流量を、周囲状況に寄らず、目標流量に素早く到達させ、なおかつ安定的に制御することができるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られない。例えばノーマルクローズタイプの流量調整弁の場合は、全閉印加電圧が０となるから、これに初期変化電圧を加えれば、初期印加電圧を算出できる。
また、前記実施形態では、初期印加電圧を定めるパラメータとして、流体種類、圧力、温度の全てを用いていたが、いずれか少なくとも１つでもよい。
初期駆動信号値を、流体の種類、圧力又は温度をパラメータとして予め定められた、初期駆動信号値を求めるための関数又は表から算出しても構わない。

初期変化電圧（初期駆動信号値）は、流体種類、圧力又は温度をパラメータとする予め定められた表や関数から算出するようにしてもよい。なお、それら表や関数は、出荷時試験やシミュレーションなどで求め、メモリに予め記憶させておけばよい。
流体の種類、圧力又は温度をパラメータとして定められる最適な初期駆動信号値は、機差があり、かつ、流量制御弁やその周辺機器の使用などによる経時変化によっても変化する場合がある。このような機差や経時変化等に対応するには、学習機能をもたせておくことが好ましい。

具体的には、前記制御回路において、全閉状態から流量調整弁が動き出したときの駆動信号の値である動き出し駆動信号値及びそのときの流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれか（以下、周囲条件とも言う）を対にして記憶する記憶部を設け、過去の動き出し駆動信号値を参照できるようにしておく。そして、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときには、制御回路は、そのときの流体種類、圧力又は温度を測定し、その測定されたパラメータ条件に一定以上近い周囲条件を前記記憶部から検索し、その周囲条件と対になっている駆動信号値を初期駆動信号値として設定する。また、前記測定されたパラメータ条件と前記周囲条件との偏差によって、駆動信号値を補正して初期駆動信号値を定めてもよい。

その他の学習機能の態様としては、前記制御回路が、全閉状態から流量調整弁が動き出した時点の駆動信号の値である動き出し駆動信号値と、その時点の流体の種類、圧力、温度の少なくともいずれかとを取得し、それらの関係から、前述した初期駆動信号値を求めるための関数又は表を更新するようにしたものを挙げることができる。

なお、前記動き出し駆動信号値は、前記流量測定手段によって全閉状態から最初に０を超える流量が測定された時点での駆動信号値をもってその値とすることが、専用のセンサーを不要化できるなどの観点から好ましい。

前記実施形態では、上流側の流体圧力が弁体を開成側に付勢する構造であり、弁体を動かすのに必要な力は該圧力が高いほど小さくなる、言い換えれば、圧力が低いほど大きくなるため、初期印加電圧と圧力との関係について、圧力が低いほど初期印加電圧を大きくして、初期時に弁を開けようとする力が大きくなるようにしている。しかし、上流側の流体圧力が弁体を閉止側に付勢する構造の場合は、初期印加電圧と圧力との関係は逆になる。

また、温度が上昇するほど、例えば、膨張して摩擦が増え弁体が動きにくくなるような構造であれば、流体の温度が高いほど、初期印加電圧を大きくする必要がある。

さらに、本発明は、流量制御のみならず、圧力制御にも応用できる。すなわち、駆動信号の値に応じて開度が変化し、流路を流れる流体の圧力を調整する圧力調整弁と、前記流路を流れる流体の圧力を測定するための圧力測定手段と、前記圧力測定手段によって得られた測定圧力が、与えられた目標圧力と等しくなるように、駆動信号を出力して前記圧力調整弁を制御する制御回路とを具備した圧力制御装置に適用できる。
この場合、前記制御回路が、全閉状態から測定圧力を目標圧力に等しくすべく圧力調整弁を制御し始めるときには、そのときの流体の種類、流量、温度の少なくともいずれかをパラメータとして初期駆動信号の値を設定するように構成しておけばよい。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・流体制御装置
１・・・制御回路
２・・・流量測定手段
５１・・・流路
７・・・流量調整弁

Claims (2)

1. 駆動信号の値に応じて開度が変化し、流路を流れる流体の流量を調整する流量調整弁と、前記流路を流れる流体の流量を測定するための流量測定手段と、前記流量測定手段によって得られた測定流量が、与えられた目標流量と等しくなるように、駆動信号を出力して前記流量調整弁を制御する制御回路とを具備したものであって、
   前記制御回路が、全閉状態から測定流量を目標流量に等しくすべく流量調整弁を制御し始めるときには、そのときの流体の圧力又は温度をパラメータとして初期駆動信号の値を設定するように構成されており、
   前記制御回路が、流体の圧力又は温度に応じて定まる電圧設定係数を予め定められた基準変化電圧にかけ合わせて初期変化電圧を算出し、予め定められた全閉印加電圧から前記初期変化電圧を差し引いて前記初期駆動信号の値を算出することを特徴とする流体制御装置。
2. 前記制御回路が、流体の圧力及び温度の両方をパラメータとする関数を用いて前記初期駆動信号の値を算出することを特徴とする請求項１記載の流体制御装置。