JP6762218B2 - 流量算出システム及び流量算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば流体制御機器の校正に用いられる校正システムの流量算出システム及び校正方法の流量算出方法に関するものである。

従来、この種の校正システムとしては、例えば特許文献１に示すように、電子天秤に載せたボンベから流体制御機器へガスを流し、このときに流体制御機器から出力されるガス流量を、ボンベから流体制御機器へ流したガス流量と一致させるように、例えば流体制御機器に設けられた流体制御弁を校正するように構成されたものがある。

より詳細にこの校正システムは、ボンベ内のガスの消費に伴い電子天秤の計測値が変化することを利用して、この計測値の変化量に基づき、ボンベから流体制御機器へ流したガス流量を算出するように構成されている。

ところが、実際は、ガスの消費に伴いボンベ内の圧力が低下して、ボンベ内のガス温度やボンベそのものの温度が変化し、これにより、ボンベの周囲に対流が生じたり、ボンベの表面に水滴が付着したりする。

このことから、電子天秤の計測値は、上述した対流や水滴などの影響を含んだ値となり、この計測値の変化量に基づきボンベから流体制御機器へ流したガス流量を正確に求めることは難しく、流体制御機器を精度良く校正することができないという問題が生じる。

特開２００５−１３４１３８号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、流体制御機器を精度良く校正することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る流量算出システムは、ガスが封入される容器と、前記容器が載せられた重量測定部と、前記容器と流体制御機器とを接続して、前記ガスが流れるガスラインとを具備し、前記容器を前記重量測定部に載せた状態で、前記容器から前記流体制御機器に、又は、前記流体制御機器から前記容器に前記ガスを流し、前記重量測定部から出力される出力値に基づいて、前記流体制御機器に流れるガス流量を算出する流量算出システムであって、前記容器及び前記重量測定部が、減圧された減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とするものである。

このような流量算出システムであれば、容器が減圧チャンバ内に配置されているので、減圧チャンバ内を例えば真空にすることにより、ガスの消費に伴い容器内の圧力が低下しても、容器の周囲には対流が生じず、また、容器の表面に水滴が付着することもない。これにより、重量測定部の出力値に基づき、容器から流体制御機器に流したガス流量を正確に求めることができ、流体制御機器を精度良く校正することが可能になる。
また、容器が大気中に配置されている場合は、重量測定部の出力値に対して容器に加わる浮力の影響を考慮する必要があるが、本発明に係る流量算出システムであれば、容器が減圧チャンバ内に配置されているので、上述した浮力の影響を考慮する必要がなく、重量測定部の出力値に基づき、流体制御機器に流れる流量を正確に求めることができ、流体制御機器をより精度良く校正することが可能になる。
さらに、容器を重量測定部に載せたまま流体制御機器を校正することができるので、校正にかかる手間を少なくすることができる。
加えて、重量測定部に載せられた容器に封入ラインを介してガスを封入することができるので、容器にガスを封入する際に容器を減圧チャンバから取り出す必要がなく、減圧チャンバを一定の真空度に維持しながら流体制御機器を校正することができる。これにより、複数に亘る校正を略同一条件で行うことで、流体制御機器をより高精度に校正することができる。
また、減圧チャンバから容器を取り出してガスを封入する場合は、その度に減圧チャンバ内を真空引きする必要があるところ、上述した構成であれば、減圧チャンバ内を真空に保ったまま容器にガスを封入することができるので、手間をかけることなく流体制御機器を校正することができる。

前記ガスラインの一部が、前記減圧チャンバ内に位置するフレキシブルチューブにより形成されていることが好ましい。
これならば、例えばガスラインにガスが流れる際に生じる振動やガスラインから容器に伝わる張力をフレキシブルチューブが吸収するので、重量測定部の出力値に生じる誤差を極めて小さくすることができる。

前記封入ラインが、前記ガスラインに設けられた合流点で合流しており、前記ガスラインにおける前記合流点よりも前記容器側の一部が、前記減圧チャンバ内に位置するフレキシブルチューブにより形成されていることが好ましい。
これならば、封入時及び流出時に共通してガスが流れるガスラインの一部がフレキシブルチューブにより形成されているので、封入ラインを別のフレキシブルチューブで形成する必要がなく、コストを軽減することができる。
また、ガスライン及び封入ラインの一部を共通化することにより、各ラインを形成する配管などの部材を少なくすることができ、コストを削減することができる。

前記ガスライン及び前記封入ラインの少なくとも一部が、前記減圧チャンバ内において共通化されていることが好ましい。
これならば、配管等の接続が困難になりがちな真空チャンバ内におい、配管構造を簡易化することができ、システム全体の組み立てが容易である。

また、本発明に係る流量算出方法によれば、上述した流量算出システムと同様の作用効果を得ることができる。
すなわち本発明に係る流量算出方法は、ガスが封入される容器を重量測定部に載せた状態で、前記容器から流体制御機器に、又は、流体制御機器から前記容器に前記ガスを流し、前記重量測定部から出力される出力値に基づいて、前記流体制御機器に流れる前記ガスの流量を算出する流量算出方法であって、前記容器及び前記重量測定部が、減圧された減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とする方法である。

このように構成した本発明によれば、流体制御機器を精度良く校正することができる。

本実施形態の流量算出システムの全体構成を模式的に示す図。 変形実施形態の流量算出システムの全体構成を模式的に示す図。

以下に本発明に係る流量算出システム２００の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る流量算出システム２００は、例えば半導体製造に用いられる流体制御機器ＭＦＣを校正する校正システム１００の一部である。
この校正システム１００は、いわゆる動的重量法（秤量法）を用いて流体制御機器ＭＦＣを校正するものであり、具体的には図１に示すように、ガス（以下、校正用ガスともいう）が封入された容器１０と、容器１０が載せられた重量測定部である電子天秤２０と、容器１０内の校正用ガスを流体制御機器ＭＦＣに流すガスラインである流出ラインＬ１と、容器１０に校正用ガスを封入する封入ラインＬ２と、容器１０内の校正用ガスを排気して流出ラインＬ１内の圧力を調整する調圧ラインＬ３と、流体制御機器ＭＦＣを校正する情報処理装置３０とを具備するものである。なお、この校正システム１００には、校正の対象である流体制御機器ＭＦＣは含まれていない。
本実施形態の流量算出システム２００は、上述した校正システム１００における容器１０と、電子天秤２０と、流出ラインＬ１の少なくとも一部と、封入ラインＬ２の少なくとも一部と、情報処理装置３０とを具備し、電子天秤１０からの出力値に基づいて、流体制御機器ＭＦＣに流れる校正用ガスの流量を算出するものである。
なお、本実施形態の流体制御機器ＭＦＣは、熱式又は差圧式の流量センサ及び流量制御バルブを有するマスフローコントローラである。

容器１０は、断熱性を有する例えば炭素繊維からなるシリンダ等であり、例えば窒素ガス等の校正用ガスが封入されている。
本実施形態では、この容器１０は、図示しない固定台に載置された電子天秤２０に載せられている。

流出ラインＬ１は、容器１０内の校正用ガスを流体制御機器ＭＦＣに流すためのものであり、具体的には図１に示すように、一端が容器１０に接続されるとともに他端が吸引ポンプＰに接続されており、容器１０側（一端側）から、第１調圧器Ｖａ、第１開閉弁Ｖ１、第２調圧器Ｖｂ、第１圧力センサＰ１、流体制御機器ＭＦＣ及び第２開閉弁Ｖ２がこの順に直列配置されている。
なお、吸引ポンプＰは必ずしも設ける必要はなく、流出ラインＬ１の他端を大気開放するように構成しても良い。

封入ラインＬ２は、電子天秤２０に載せられた容器１０に校正用ガスを流して封入するためのものであり、具体的には図１に示すように、一端が図示しないガスボンベに接続されるとともに他端が容器１０に接続されており、校正用ガスの上流側（一端側）からフィルタ、第３開閉弁Ｖ３、第４開閉弁Ｖ４及び逆止弁Ｖｃがこの順に直列配置されている。

上述した構成により、容器１０内の校正用ガスは、第１調圧器Ｖａを流れて流体制御機器ＭＦＣに流出し、図示しないガスボンベ内の校正用ガスは、逆支弁Ｖｃを流れて容器１０内に封入される。

本実施形態では、前記流出ラインＬ１と前記封入ラインＬ２とが合流して一部共通かされている。より詳細には、流出ラインＬ１に設けられた合流点Ｘにおいて、該流出ラインＬ１に封入ラインＬ２が合流するように構成されている。なお、本実施形態の合流点Ｘは、流出ラインＬ１における第１調圧器Ｖａと第１開閉弁Ｖ１との間であって、流入ラインにおける逆止弁Ｖｃと第４開閉弁Ｖ４との間に設けられている。
上述した構成により、合流点Ｘより容器１０側に向かって、流出ラインＬ１と封入ラインＬ２とに共通した共通ラインＬ４が形成され、本実施形態では、この共通ラインＬ４に樹脂等の可撓性を有するフレキシブルチューブ５０が設けられている。

調圧ラインＬ３は、校正用ガスを外部に排気して流出ラインＬ１内の圧力を所定の圧力に調整するためのものであり、具体的には図１に示すように、封入ラインＬ２から分岐して、流出ラインＬ１に合流するように構成されている。
本実施形態の調圧ラインＬ３は、一端が封入ラインＬ２における第３開閉弁Ｖ３と第４開閉弁Ｖ４との間に接続されるとともに他端が流出ラインＬ１における吸引ポンプＰと第２開閉弁Ｖ２との間に接続されており、排気される校正用ガスの上流側（一端側）から第２圧力センサＰ２、第５開閉弁Ｖ５及びニードルバルブＶｄがこの順に直列配置されている。

しかして、本実施形態の流量算出システム２００は、上述した容器１０及び電子天秤２０が、内部を減圧された減圧チャンバ４０（以下、真空チャンバ４０ともいう）内に配置されている。

この真空チャンバ４０は、該真空チャンバ４０内の空気を吸引する図示しないポンプ等の減圧機構により、所定の真空度に維持されている。
この図示しない減圧機構は、少なくとも流体制御機器Ｍの校正時に真空チャンバ４０内を所定の真空度に維持するものであり、本実施形態では、校正システム１００を組み立てたあと、例えばメンテナンス時等以外は、真空チャンバ４０内の空気を吸引し続けるように構成されている。

本実施形態では、この真空チャンバ４０内に、上述した流出ラインＬ１に設けられた第１調圧器Ｖａと、封入ラインＬ２に設けられた逆止弁Ｖｃと、共通ラインＬ４に設けられた樹脂等の可撓性を有する管状のフレキシブルチューブ５０が配置されている。
なお、本実施形態では、上述した流出ラインＬ１と封入ラインＬ２との合流点Ｘは、真空チャンバ４０の外部に設けられている。

情報処理装置３０は、電子天秤２０からの出力値に基づき、流体制御機器ＭＦＣを校正するものであり、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ等を備えた汎用乃至専用のコンピュータである。

本実施形態の情報処理装置３０は、いわゆる動的重量法（秤量法）を用いて流体制御機器ＭＦＣを校正するものである。
具体的にこの情報処理装置３０は、電子天秤２０から出力される重量データと図示しないタイマから出力される時刻データとに基づき、容器１０から流体制御機器ＭＦＣに流れる単位時間当たりの実流量を算出し、この実流量と流体制御機器ＭＦＣに入力される設定流量との検量線を作成することにより、流体制御機器ＭＦＣを校正する。

次に、上述した校正システム１００を用いて、流体制御機器ＭＦＣを校正する手順を説明する。

まず始めに、減圧機構が、真空チャンバ４０内を空気を吸引して所定の真空度に維持する。

そして、各弁Ｖ１〜Ｖ５、Ｖａ〜Ｖｄが閉じている状態において、第３開閉弁Ｖ３及び第４開閉弁Ｖ４を開け、図示しないガスボンベから容器１０に校正用ガスを流して封入する。

次に、第３開閉弁Ｖ３を閉じ、第５開閉弁Ｖ５を開き、ニードルバルブＶｄを調整するとともに流出ラインＬ１内の校正用ガスを外部に排気して、流出ラインＬ１内を所定の圧力にする。
なお、本実施形態では、流出ラインＬ１内の圧力を６５０ｋＰａにするように設定されている。

続いて、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を閉じ、第１開閉弁Ｖ１及び第２開閉弁Ｖ２を開き、校正用ガスを容器１０から流体制御機器ＭＦＣに流す。
より詳細には、第１調圧器Ｖａ弁及び第２調圧器Ｖｂにより、流出ラインＬ１内を所定の圧力に維持しながら、校正用ガスを流体制御機器ＭＦＣに流す。

なお、本実施形態では、上述した各開閉弁Ｖ１〜Ｖ５は、図示しない開閉弁制御部からの信号を受け付けて開閉するように構成されている。なお、この開閉弁制御部は、情報処理装置３０に設けても良い。

そして、本実施形態では、情報処理装置３０が、上述した重量法により、前記実流量と前記設定流量との検量線を作成することにより流体制御機器ＭＦＣを校正する。

このように構成された本実施形態に係る校正システム１００によれば、容器１０及び電子天秤２０が、所定の真空度に維持された真空チャンバ４０内に配置されているので、校正用ガスの消費に伴い容器１０内の圧力が低下しても、容器１０の周囲には対流が生じず、また、容器１０の表面に水滴が付着することもない。
これにより、電子天秤２０及び図示しないタイマの出力値に基づき、容器１０から流体制御機器ＭＦＣに流れる校正用ガスの単位時間当たりの実流量を正確に求めることができ、この実流量と流体制御機器ＭＦＣの設定流量との検量線を精度よく作成することができる。

また、容器１０が所定の真空度に維持された真空チャンバ４０内に配置されているので、容器１０に加わる浮力は極めて小さく実質的に無視できる程度であり、上述した浮力の影響を考慮することなく、電子天秤２０及び図示しないタイマの出力値に基づいて実流量を正確に求めることができる。

さらに、容器１０が断熱性を有するので、容器１０内の校正用ガスの温度が変化しても、容器１０の温度が変化しにくく、容器１０の周囲における対流や容器１０の表面における水滴をより生じにくくすることができる。

また、容器１０を電子天秤２０に載せた状態のまま流体制御機器ＭＦＣを校正することができ、校正にかかる手間を少なくすることができる。

加えて、電子天秤２０に載せられた容器１０に校正用ガスを封入する封入ラインＬ２が設けられているので、容器１０を真空チャンバ４０から取り出すことなく校正用ガスを封入することができ、真空チャンバ４０を一定の真空度に維持しながら流体制御機器ＭＦＣを校正することができる。これにより、複数に亘る校正を略同一条件で行うことで、流体制御機器ＭＦＣをより高精度に校正することができる。

また、真空チャンバ４０内を真空に保ったまま校正用ガスを容器１０に封入することができるので、図示しない減圧手段により真空チャンバ４０内を所定の真空度に減圧する回数を減らすことができ、より手間をかけることなく流体制御機器ＭＦＣを校正することができる。

そのうえ、共通ラインＬ４にフレキシブルチューブ５０が設けられているので、例えば校正用ガスの流れにより生じる振動や流出ラインＬ１及び封入ラインＬ２から容器１０に伝わる張力をフレキシブルチューブに吸収されることができ、電子天秤２０の出力値に生じる誤差を極めて小さくすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、流出ラインＬ１に第１調圧器Ｖａ及び第２調圧器Ｖｂが直列配置されていたが、図２に示すように、第３調圧器Ｖｅをさらに直列配置させても良い。
これにより、第１調圧器Ｖａ及び第３調圧器Ｖｅを順次開くことにより、流出ラインＬ１内を所定の圧力にするとともに、校正用ガスを容器１０から流体制御機器Ｍに安定的に流すことができる。
なお、この実施形態では、流出ラインＬ１における第１開閉弁Ｖ１より上流側に第３圧力センサＰ３が設けられている。

また、上述したように大流量の校正用ガスを流体制御機器ＭＦＣに流す場合、図２に示すように、流出ラインＬ１に熱交換器６０を設ける構成が望ましい。
これにより、大流量で流れる校正用ガスを所定温度に調整して、流体制御機器ＭＦＣに流すことができる。

さらに、前記実施形態では、流出ラインＬ１及び封入ラインＬ２に共通する共通ラインＬ４の一部がフレキシブルチューブ５０により形成されていたが、図２に示すように、流出ラインＬ１及び封入ラインＬ２それぞれの一部がフレキシブルチューブ５０により形成されていても構わない。

加えて、前記実施形態の流量算出システムは、容器内の校正用ガスを流体制御機器に流し、電子天秤から出力される出力値に基づいて、流体制御機器に流れる校正用ガスの流量を算出するように構成されていたが、流体制御機器に流れるガスを容器内に流入させ、電子天秤から出力される出力値に基づいて、流体制御機器に流れる前記ガスの流量を算出するように構成しても良い。
ここで、流体制御機器として差圧式のマスフローコントローラを用いた場合、流体制御機器の二次側（下流側）の圧力を一次側（上流側）の圧力よりも低く保つ必要がある。ところが、この流体制御機器を上述した流量算出システムを用いて校正しようとすると、流体制御機器に流れるガスを容器内に流入させるに従い、二次側の圧力が増大してしまい、流体を精度良く制御することができなくなってしまう。
したがって、上述したように構成された流量算出システムを流体制御機器の校正に用いる場合、流体制御機器としては差圧式のマスフローコントローラよりも熱式のマスフローコントローラの方が好ましい。なお、センサよりも下流側に流量制御バルブ等の流量制御部を有するマスフローコントローラであれば、上述したように構成された流量算出システムを用いて校正する対象として適している。

そのうえ、前記実施形態では、流出ラインと封入ラインとが合流するように構成されていたが、流出ライン及び封入ラインが合流することなく容器に接続されるように構成しても良い。
また、前記実施形態では、合流点から容器に向かって、流出ライン及び封入ラインの一部が共通化されていたが、合流点から容器に到るまでのラインを共通にしても良い。この場合は、共通ラインに開閉弁や調圧器を設けておくことが好ましい。
より好ましくは、流出ライン及び封入ラインが、容器との接続部（より具体的には、容器に接続される接続端部から所定範囲）において共通化されている構成が良い。

加えて、前記実施形態では、封入ラインに逆支弁が設けられていたが、この逆支弁は必ずしも設ける必要はなく、例えば、流出ラインの第１調圧器を開状態にして、図示しないガスボンベ内の校正用ガスを流出ラインから容器内に封入させるようにしても良い。

さらに、前記実施形態のフレキシブルチューブは、樹脂製のものであったが、ＳＵＳ等の金属製のものであっても良い。
これならば、フレキシブルチューブが樹脂製のものに比べて変形しにくいので、真空チャンバ内を減圧する際にフレキシブルチューブが潰れにくく、該フレキシブルチューブの径寸法が変化しないので、流体制御機器にガスをより安定的に流すことができる。
ただし、金属製のフレキシブルチューブは、樹脂製のものに比べて曲率が大きくなってしまい、その分だけ真空チャンバを大きくする必要が生じる。このことから、真空チャンバ内を効率よく真空引きするためには、金属製のフレキシブルチューブよりも樹脂製のフレキシブルチューブの方が有利である。

また、前記実施形態の情報処理装置は、検量線を作成するものであったが、熱式又は差圧式の流量センサからの出力値と実流量との関係から流体制御機器を校正しても良いし、流量制御バルブの印加電圧と実流量との関係から流体制御機器を校正しても良い。

さらに、前記実施形態の流体制御機器は、熱式又は差圧式の流量センサ及び流量制御バルブを有するマスフローコントローラであったが、流体制御機器が熱式又は差圧式の流量センサそのものであっても良いし、圧力センサ等であっても良い。

その他、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・・・校正システム
２００・・・流量算出システム
１０ ・・・容器
２０ ・・・電子天秤
３０ ・・・情報処理装置
４０ ・・・真空チャンバ
５０ ・・・フレキシブルチューブ
ＭＦＣ・・・流体制御機器
Ｌ１ ・・・流出ライン
Ｌ２ ・・・封入ライン

Claims (5)

1. ガスが封入される容器と、
   前記容器が載せられた重量測定部と、
   前記容器と流体制御機器とを接続して、前記ガスが流れるガスラインと、
   前記重量測定部に載せられた前記容器に前記ガスを封入する封入ラインとを具備し、
   前記容器を前記重量測定部に載せた状態で、前記容器から前記流体制御機器に、又は、前記流体制御機器から前記容器に前記ガスを流し、前記重量測定部から出力される出力値に基づいて、前記流体制御機器に流れるガス流量を算出する流量算出システムであり、
   前記容器及び前記重量測定部が、減圧された減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とする流量算出システム。
2. 前記ガスラインの一部が、前記減圧チャンバ内に位置するフレキシブルチューブにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の流量算出システム。
3. 前記封入ラインが、前記ガスラインに設けられた合流点で合流しており、
   前記ガスラインにおける前記合流点よりも前記容器側の一部が前記フレキシブルチューブにより形成されていることを特徴とする請求項２記載の流量算出システム。
4. 前記ガスライン及び前記封入ラインの少なくとも一部が、前記減圧チャンバ内において共通化されていることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の流量算出システム。
5. ガスが封入される容器を重量測定部に載せた状態で当該容器に前記ガスを封入し、前記容器から流体制御機器に前記ガスを流し、前記重量測定部から出力される出力値に基づいて、前記流体制御機器に流れる前記ガスの流量を算出する流量算出方法であり、
   前記容器及び前記重量測定部が、減圧された減圧チャンバ内に配置されていることを特徴とする流量算出方法。