JP6903946B2 - 質量流量制御装置及び質量流量制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、質量流量制御装置及び質量流量制御方法に関する発明であり、特に、流体の圧力に基づいて質量流量を制御する質量流量制御装置及び質量流量制御方法に関する。

質量流量制御装置（マスフローコントローラ）は、少なくとも、流体の流量を測定する流量計、流体の流量を制御する流量制御弁、これらを制御する制御回路を含む部品によって構成された制御機器である。質量流量制御装置は、例えば、半導体の製造プロセスにおいてチャンバー内に供給されるガスの質量流量を制御する用途などに広く使用されている。

質量流量制御装置に用いられる流量計にはさまざまな形式のものがある。半導体の製造プロセスにおいてガスの質量流量を制御する用途に使用される質量流量制御装置においては、主に熱式流量計又は圧力式流量計が用いられている。いずれの形式の流量計においても、ガスの流量の測定値は、流量計を通過するガスの圧力の影響を受けやすい。例えば、流量計を通過するガスの圧力が急激に変化した場合などには、流量を正確に測定することが困難となる。このため、流量を正確に測定して制御することを目的として、流量計を通過するガスの圧力を一定に保持するための機構を備えた質量流量制御装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、流量計と、流量計の上流側に隣接して配置される機械式調圧弁と、流量計の下流側に配置される流量制御弁と、を備える質量流量制御装置の発明が記載されている。機械式調圧弁は、電気的な手段を用いることなく機械的な動作のみによって圧力の調整を行うことができる調圧弁又は圧力レギュレータである。

機械式調圧弁は、上流側における流体の圧力が想定された範囲内において変動しても、下流側における流体の圧力を常に予め設定された一定の値に維持する作用を有する。このため、特許文献１に記載された質量流量制御装置においては、機械式調圧弁の有する調圧作用により、流量計に到達するガスの圧力が変動した場合であっても、これを元の圧力に瞬時に回復させることができる。これにより、流量計を通過するガスの圧力が一定に保持されるので、流量計によって測定される流量の測定精度を高めることができる。

国際公開第２０１６／０３５５５８号

流量計は、どのような形式のものであっても、測定される流量（以下「測定流量」という場合がある。）と、実際に流れている流量（以下「実流量」という場合がある。）との間に時間的な乖離があることが知られている。一般に、実流量が変動した場合に、測定流量の変動は実流量の変動に比べて遅れて現れる。

質量流量制御装置のユーザーによって設定された流量（以下「設定流量」という場合がある。）と、流量計によって測定される流量との偏差に基づいていわゆるフィードバック制御により流体の流量を制御しようとする場合、測定流量の実流量からの時間的な乖離は、制御動作の不安定化をもたらす要因となる。具体的には、流量が設定流量を超えて増加するオーバーシュート及び／又は測定流量が安定せずに振動するハンチングなどの現象が起こりやすくなる。

圧力式流量計においては、圧力差発生手段としての層流素子等の周辺に主流路や圧力計への導管などの一定の体積を有する空間が存在する。この空間に存在する流体は、流体の流量や圧力などか変動したときに、その変動を時間的に遅らせる作用をもたらし、測定流量の実流量からの時間的な乖離の原因となる。このため、圧力式流量計を備えた質量流量制御装置において測定流量をそのまま用いて流量の制御を行うと、熱式流量計を備えた質量流量制御装置に比べて制御動作が不安定になったり、流量が設定流量に到達するまでの応答時間が長くなったりする場合があるという課題があった。

また、機械式調圧弁は、さまざまな原因によって、調圧作用が働かずに流体が機械式調圧弁の上流側から下流側に向かって漏れ出る場合があることが知られている。特許文献１に記載された機械式調圧弁を備えた質量流量制御装置においてこのような現象が起こると、機械式調圧弁と流量制御弁との間の空間に、機械式調圧弁が正常に動作した場合よりも高い圧力の流体が滞留する。そうすると、質量流量制御装置が次に制御動作を開始したときに、流体の圧力が正常な値に戻るまで滞留した流体を下流側に排出しなければならない。このため、機械式調圧弁を備えた質量流量制御装置において機械式調圧弁の漏れが発生すると、測定流量の実流量からの時間的な乖離がより顕著になるという課題があった。

本発明は、従来技術に係る質量流量制御装置が有する上記の諸課題に鑑みてなされたものであり、圧力式流量計を備えた質量流量制御装置において、流量計によって測定された流量が実際に流れている流量と時間的に乖離している場合であっても、安定かつ迅速な制御動作を実現することを目的としている。

本発明に係る質量流量制御装置は、流量計と、流量制御弁と、を備え、流量計は、圧力差発生手段と、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１及び下流側における流体の圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の圧力値を測定する圧力値測定手段と、を備え、流量計は、圧力値測定手段によって測定された圧力値の時間変化を加速する加速手段をさらに備え、加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて流量を計算し、流量制御弁は、流量計によって計算された流量に基づいて流体の流量を制御することを特徴としている。なお、本明細書において、「時間変化」とは、「時間の経過に伴う変化」を意味するものとする。

この発明の構成において、流量計によって計算される流量は、加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて計算された流量であり、質量流量制御装置を実際に流れている流量の時間変化に近い速度にて時間的に変化する。このため、加速手段を用いない場合に比べて短い応答時間で流体の流量を設定値に安定に到達させることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２とを含んでもよい。また、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と下流側における流体の圧力Ｐ２との差圧ΔＰを含んでもよく、この場合に、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１又は圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２のいずれかをさらに含んでもよい。

本発明の好ましい実施の形態において、加速手段は、圧力値測定手段によって測定された２以上の圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速する。この発明の構成において、質量流量制御装置は、より安定で迅速な制御を行うことができる。なお、本発明は、本発明に係る質量流量制御装置において実行される上述した方法によって実現される質量流量制御方法にも関する。

本発明に係る質量流量制御装置及び質量流量制御方法によれば、圧力差発生手段と圧力値測定手段とを備えた圧力式流量計を用いた場合であっても、従来技術に係る質量流量制御装置に比べて測定流量と実流量との時間的な乖離を少なくすることができ、安定かつ迅速な流量制御を実現することができる。

本発明に係る質量流量制御装置の構成の例を示す模式図である。 質量流量制御装置における圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化の一般的な例を示すグラフである。 測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きい場合の質量流量制御装置における圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化の典型的な例を示すグラフである。 本発明に係る質量流量制御装置において、加速手段によって時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’並びに流量Ｑ’の時間変化の例を示すグラフである。 機械式調圧弁の構造の例を示す断面図である。 機械式調圧弁に漏れが発生した場合の従来技術に係る質量流量制御装置において、直前に行われた運転を停止してからの時間と、運転再開後の圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の時間変化との関係を示すグラフである。 機械式調圧弁に漏れが発生している状態において測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きい場合の従来技術に係る質量流量制御装置における圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化と、機械式調圧弁に漏れが発生している状態において測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きい場合の本発明に係る質量流量制御装置において加速手段によって時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’並びに流量Ｑ’の時間変化と、を比較するグラフである。 従来技術に係る質量流量制御方法における処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係る質量流量制御方法における処理手順を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施の形態に係る質量流量制御方法における処理手順を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、ここで説明する実施の形態は本発明の実施の形態を例示するものにすぎず、本発明の実施の形態はここに例示する形態に限られない。

図１は、本発明に係る質量流量装置の構成の例を示す模式図である。流体（液体又はガス）は、図の左側から質量流量制御装置１に流入し、右側から流出する。本発明に係る質量流量制御装置１は、流量計２と、流量制御弁４と、を備える。流量制御弁４は、弁４ｂ及び弁４ｂを開閉するためのアクチュエータ４ａを備える。アクチュエータ４ａは、圧電素子又はソレノイドコイルによって構成することができる。

流量計２は、圧力差発生手段２ａと、圧力差発生手段２ａの上流側における流体の圧力Ｐ１（以下「圧力Ｐ１」という。）及び下流側における流体の圧力Ｐ２（以下「圧力Ｐ２」という。）から導かれる１又は２以上の圧力値を測定する圧力値測定手段と、を備える。圧力差発生手段２ａは、ノズル、オリフィス、及び層流素子などの流体抵抗を有する部材によって構成することができる。圧力測定手段は、公知の圧力センサ又は差圧センサによって構成することができる。

流量計２は、圧力値測定手段によって測定された圧力値を用いて流体の流量を計測するものである。圧力値は、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の値である。例えば、圧力値測定手段は、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２のそれぞれについて測定することができる別個の圧力センサによって構成してもよいし、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧を測定することができる１個の差圧センサによって構成してもよい。前者の場合の圧力値は圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の２つの値そのものを含むことができ、後者の場合の圧力値は圧力Ｐ１と圧力Ｐ２から導かれる両者の差圧ΔＰという１つの値を含むことができる。

図１に例示された流量計２は、圧力差発生手段２ａとして層流素子を備え、層流素子の上流側の圧力Ｐ１及び下流側の圧力Ｐ２をそれぞれ別個の圧力値測定手段としての圧力センサ２ｂ及び２ｃで測定するように構成されている。流量計２によって計測される流量は体積流量であるので、例えば、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の平均値などを用いてこれを質量流量に換算することができる。圧力センサ２ｂ及び２ｃの代わりに１個の差圧センサを用いて差圧ΔＰを測定する場合には、差圧センサとは別に圧力センサを設けて圧力式流量計の位置での流体の圧力を測定することにより、体積流量を質量流量に換算することができる。

図２は、質量流量制御装置における圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化の一般的な例を示すグラフである。なお、当該質量流量制御装置は、図１に示した質量流量制御装置１と同様の構成を有するものとする。したがって、このグラフに関する以下の説明においては、図１に示した質量流量制御装置１の各構成要素に付した符号を使用する。このグラフにおいて、圧力Ｐ１は常に一定の値に保たれる。流量制御弁４が閉じていて流体が流れていないときは、圧力Ｐ２は圧力Ｐ１と等しい。

時刻Ｏ（Ｏｐｅｎ）において質量流量制御装置１に流体を流す命令信号が伝えられると、流量制御弁４が開き、流体の流量Ｑが増加する。また、圧力差発生手段２ａに流体が流れ始めるので、圧力Ｐ２は圧力Ｐ１よりも低くなる。質量流量制御装置１は、流量計２によって測定される流量Ｑが予め設定された設定流量ＱＳと等しくなるように、公知の制御方法を用いて流量制御弁４の開きを制御する。この結果、流量Ｑは時刻Ｏの後、短い応答時間を経て設定流量ＱＳに到達する。また、圧力Ｐ２も同じ応答時間を経て圧力Ｐ１よりも低い一定の値に到達する（破線によって描かれたグラフを参照。）。

次に、時刻Ｃ（Ｃｌｏｓｅ）において質量流量制御装置１に流体の供給を停止する命令信号が伝えられると、流量制御弁４が閉じる。流量制御弁４は、流量制御弁４が閉じられると、流量計２が計測する流体の流量Ｑは直ちにゼロとなる。また、これに伴い、圧力Ｐ２も直ちに増加し、圧力Ｐ１と等しくなる。

ところが、前述したように、流量計は、どのような形式のものであっても、測定される流量（測定流量）と実際に流れている流量（実流量）との間に時間的な乖離（一般的には遅れ）があることが知られている。ユーザーによって設定された流量（設定流量）と測定流量との偏差に基づくフィードバック制御により流体の流量を制御しようとする場合、測定流量の実流量からの時間的な乖離は、制御動作の不安定化をもたらす要因となり得る。具体的には、測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きいほど、流量が設定流量を超えて増加するオーバーシュート及び／又は測定流量が安定せずに振動するハンチングなどの現象が起こりやすくなる。

図３は、測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きい場合の質量流量制御装置１における圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化の典型的な例を示すグラフである。比較のため、図２に示した圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化も図３に併記されている（点線）。ここに例示されたグラフにおいて、質量流量制御装置１に流体を流す命令信号が伝えられた時刻Ｏ以降の圧力Ｐ２の値（破線）は、図２のグラフに示された圧力Ｐ２の値（点線）の変化に比べて緩やかに減少している。これは、圧力差発生手段２ａの内部及び周辺の空間に存在する流体の影響により、圧力Ｐ２が減少するのに一定の時間が必要であるためである。

このように、時刻Ｏ以降において流量制御弁４が開いて実際には流体が流れているにもかかわらず、圧力Ｐ２の減少は緩慢であるため、流量計２によって測定される流量Ｑは、実際に流れている流量よりも遅れて増加する。したがって、流量計２によって測定される流量Ｑと設定流量ＱＳとの偏差に基づいて流量制御弁４の開きを制御すると、流量制御弁４の操作量が過剰となるので、測定される流量Ｑは図３の実線のグラフに示すように設定流量ＱＳを超えてオーバーシュートしたり、あるいはハンチングしたりする。その結果、測定される流量Ｑが設定流量ＱＳに安定するまでの応答時間Ｔは、図２の場合（点線）に比べて長くなる。

そこで、本発明に係る質量流量制御装置１においては、圧力値測定手段によって測定された圧力値の時間変化を加速する加速手段をさらに備えることにより、圧力値の時間変化を速めて、短い時間で安定値に到達させる。図４は、本発明に係る質量流量制御装置１において加速手段によって時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’並びに流量Ｑ’の時間変化の例を示すグラフである。比較のため、図３に示した圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２並びに流量Ｑの時間変化も図４に併記されている（点線）。本発明において「圧力値の時間変化を加速する」とは、例えば図４の記号Ｐ２’が付されたグラフの時刻Ｏ以降の部分に示されるように、圧力値の時間変化を速めて、時間軸の方向に圧縮する変換を行うことをいう（白抜きの矢印）。なお、本発明において、記号「’」は、加速手段によって加速された値及びその値に基づいて計算された値を表す記号である。

本発明に係る質量流量制御装置１において、流量計２は、加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて流量を計算する。図４の記号Ｑ’が付されたグラフは、加速手段によって時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’に基づいて計算された流量Ｑ’の時間変化を示す。流量Ｑ’は、時間変化が加速された圧力Ｐ２’に基づいて計算されているため、実際に流れている流量の時間変化に近い時間変化を示す。なお、図４に示した例において圧力Ｐ１は一定の値であるため、加速手段によって時間変化を加速しても、その値は変わらない。

本発明に係る質量流量制御装置１において、流量制御弁４は、流量計２によって計算された流量に基づいて流体の流量を制御する。図４に示された流量Ｑ’はこのような流量であり、流量Ｑに比べて急速に増加し、オーバーシュートすることなく、応答時間Ｔよりも短い応答時間Ｔ’にて設定値ＱＳに到達する。これは、流量Ｑ’が実際に流れている流量の時間変化に近い時間変化を示しているので、流量制御弁４の操作量が過剰にならず、適切な値に制御されるためである。

本発明において、流量Ｑ’の時間変化が、実際に流れている流量の時間変化に近い挙動を示しているかどうかは、例えば、質量流量制御装置１の下流側に応答速度の極めて速い他の流量計を設置する方法や、質量流量制御装置１に設定流量ＱＳを与えたときの応答の安定性を調べる方法などの方法により、確認することができる。

本発明における加速手段は、圧力値の時間変化を加速することができるものであれば、公知のどのような手段を用いてもよい。具体的には、加速手段は、アナログ値としての圧力値の時間変化を加速することができる電気的なアナログフィルタ回路等によって構成することができる。この場合、アナログフィルタ回路の時定数を好ましい値に設定することにより、本発明における加速手段を構成することができる。

本発明の好ましい実施の形態において、加速手段は、圧力値測定手段によって測定された圧力値をアナログデジタル変換する変換手段と、変換手段によってアナログデジタル変換された圧力値の時間変化をデジタルフィルタによるフィルタリング処理によって加速するフィルタリング手段とを含む。この発明の構成において、質量流量制御装置１は、加速手段としてアナログフィルタ回路等を用いた場合に比べてより安定な制御を行うことができる。

変換手段によって圧力値をアナログデジタル変換する際のサンプリング周期は、ＣＰＵのクロック周期等に応じて適宜定めることができる。具体的には、サンプリング周期は例えば２ｍｓ（ミリ秒）とすることができる。また、圧力値をサンプリングした値をそのまま使ってアナログデジタル変換すると、ノイズの影響により圧力値の変動が大きくなる場合がある。そのようなときは、例えば、過去の複数回（例えば、５０回）分のサンプルの移動平均値を用いることにより、ノイズの影響を軽減することができる。

数式１は、デジタルフィルタによるフィルタリング処理を行う場合の離散周波数領域において表された変換式の例である。ここで、Ｐ（ｚ）は、連続時間ｔの関数である圧力Ｐ（ｔ）をｚ変換したときの関数を表し、Ｐ（ｚ）は加速手段によって時間変化が加速される前の圧力値を表し、Ｐ’（ｚ）は加速手段によって時間変化が加速された後の圧力値を表す。また、ａ_１、ａ_０、ｂ_１及びｂ_０は、それぞれ適宜定めることができる定数である。

数式２は、デジタルフィルタによるフィルタリング処理を行う場合の離散時間領域において表された変換式であり、漸化式の形式にて表されている。ここで、ｋは離散的な時刻を表し、ｋ−１は、それよりもひとつ前の離散的な時刻を表す。また、ａ_０、ｂ_１及びｂ_０は、それぞれ適宜定めることができる定数である。数式１と数式２とは表現に用いられた領域が異なるものの、同一の内容を表している。

表１は、数式２の漸化式によって表された変換式による計算の手順を説明するものである。加速された圧力Ｐ’［ｋ］は、表１の太枠によって囲まれた加速前の圧力値Ｐ［ｋ−１］及びＰ［ｋ］と、加速後の圧力値Ｐ’［ｋ−１］とを用いて算出される。それぞれの圧力値には、数式２において示された定数を乗じる。

本発明において、加速手段を変換手段とフィルタリング手段とによって構成する場合、変換手段はアナログデジタルコンバータによって構成することができ、フィルタリング手段は、質量流量制御装置１の内部に実装されるコンピュータ、又は質量流量制御装置１の外部に接続されたコンピュータなどのハードウエア資源によって実現されるソフトウエアによって構成することができる。

本発明において、加速手段を変換手段とフィルタリング手段とによって構成する場合、数式１及び数式２に含まれる各定数は、実際の質量流量制御装置１を用いて流体の流量制御を行いながら試行錯誤により決定することができる。あるいは、実際の質量流量制御装置１の動作をシミュレーションすることができるソフトウエアを用いて決定することもできる。この場合において、各定数は、流量Ｑ’の時間変化が実際に流れている流量の時間変化にできるだけ一致するように定めることが好ましい。

本発明の好ましい実施の形態において、加速手段は、圧力値測定手段によって測定された２以上の圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速する。２以上の圧力値の具体例としては、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２とを含むことができ、あるいは圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧ΔＰと、圧力Ｐ１又は圧力Ｐ２のいずれかとを含むことができる。

この実施の形態において、「２以上の圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速する」とは、２以上の圧力値に基づいて計算された流量について時間変化を加速したり、２以上の圧力値について数式１又は数式２における各定数を共通にして時間変化を加速したりするのではなく、２以上の圧力値のそれぞれについて個別の定数を用いて時間変化を加速することをいう。このように圧力値を個別に加速することにより、流量Ｑ’を実際に流れている流量により近づけることができるので、流量の制御動作をさらに安定かつ迅速にすることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、質量流量制御装置１は、流量計２の上流側に配置される機械式調圧弁３をさらに備える。機械式調圧弁は、上流側における流体の圧力が想定された範囲内で変動しても、下流側における流体の圧力を常に一定の値に維持する作用を有する。このため、流量計２の上流側に機械式調圧弁３を配置すると、流量計を通過するガスの圧力が一定に保持されるので、流量計によって測定される流量の測定精度を高めることができる。

図５は、機械式調圧弁３の構造の例を示す断面図である。機械式調圧弁３において、弁スプリング３ｂが弁体３ｃを弁座３ｄの側へ押し下げる弾性力と、調圧スプリング３ｉがダイアフラム押え３ｈ及びダイアフラム３ｇを調圧室３ｆの側へ突き上げる弾性力とが、ステム３ｅを介して拮抗している。

調圧室３ｆの圧力Ｐ１が設定圧力ＰＳよりも低いときは、流体がダイアフラム３ｇを押し下げる力が弱いので、弁体３ｃが突き上げられて、弁体３ｃと弁座３ｄの間に隙間ができる。このため、流体は流体入口３ａから入って調圧室３ｆを経て流体出口３ｋから流出する。

一方、調圧室３ｆの圧力Ｐ１が設定圧力ＰＳよりも高いときは、流体がダイアフラム３ｇを押し下げる力が働き、弁体３ｃが弁座３ｄの側へ変位して弁体３ｃと弁座３ｄとの間の隙間が閉じる。このため、流体の流動が遮断される。

このように、弁体３ｃと弁座３ｄとの間の隙間の開閉動作が正常に行われている間は、圧力Ｐ１は設定圧力ＰＳに等しくなるまで調整される。なお、設定圧力ＰＳは、調整ねじ３ｊの位置によって変更することができる。

ところが、例えば、弁座３ｄと弁体３ｃとの間の隙間がわずかに開いた状態において何らかの原因によりステム３ｅの上下の動きが妨げられた場合及び弁座３ｄと弁体３ｃとの間の隙間に異物が挟まったような場合などにおいては、機械式調圧弁３の下流側の圧力が上昇しても弁座３ｄと弁体３ｃとの間の隙間を閉じることが困難になり、機械式調圧弁３において流体の漏れが発生する。そうすると、この隙間を通って機械式調圧弁３と閉じている流量制御弁４との間の空間に流体が漏れ出して、この空間における流体の圧力が徐々に上昇する。

図６は、機械式調圧弁３に漏れが発生した場合の質量流量制御装置において、直前に行われた運転を停止してからの時間と、運転再開後の圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の時間変化との関係を示すグラフである。なお、当該質量流量制御装置も、図１に示した質量流量制御装置１と同様の構成を有するものとする。したがって、このグラフに関する以下の説明においても、図１に示した質量流量制御装置１の各構成要素に付した符号を使用する。時刻ゼロから時刻Ｏまでの間は、流量制御弁４が閉じており流体が流れない状態である。また、この間は機械式調圧弁３も完全に閉じており、漏れは発生していないものとする。したがって、この間は、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２には変化が見られない。次に、時刻Ｏにおいて流量制御弁４が開き、流量の制御が開始されると、応答時間Ｔ_０が経過した後に流量Ｑは安定し、圧力Ｐ２も一定の値に保持される。このときの時刻Ｏにおける圧力Ｐ２と時刻Ｃにおける圧力Ｐ２との差はΔＰ_０である。

次に、時刻Ｃおいて流量制御弁４が閉じられると、流量Ｑは直ちにゼロとなるが、機械式調圧弁３に漏れが発生しているため、圧力Ｐ１は増加し、圧力Ｐ２もこれに追随して増加する。この漏れに伴って、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２は、時刻Ｃからの時間の経過と共に最初は急激に、その後は緩やかに増加する。圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の増加は、最終的に圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２が機械式調圧弁３よりも上流側の供給ラインの流体の圧力Ｐ０に到達するまで続く。

その後、時刻Ｏ_１において再び流量制御弁４が開かれると、応答時間Ｔ_１が経過した後に圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２は安定し、流量Ｑも安定する。このときの時刻Ｏ_１における圧力Ｐ２と安定した後の圧力Ｐ２との差ΔＰ_１はΔＰ_０よりも大きい。これに対応して、応答時間Ｔ_１は応答時間Ｔ_０よりも長くなる。このように、機械式調圧弁３に漏れが発生すると、漏れが発生していない場合と比べて質量流量制御装置１の応答時間が長くなる。これは、圧力差発生手段２ａの内部及び周辺の空間に漏れ出た流体の影響により、圧力差発生手段２ａの上流側の圧力Ｐ１及び下流側の圧力Ｐ２が減少するのに一定の時間が必要であるためである。

図６において、流量制御弁４が開かれる時刻がＯ_１よりも後のＯ_２である場合は、応答時間Ｔ_２が経過した後に圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２が安定し、流量Ｑも安定する。このときの時刻Ｏ_２における圧力Ｐ２と安定した後の圧力Ｐ２との差ΔＰ_２はΔＰ_１よりも大きい。これに対応して、応答時間Ｔ_２は応答時間Ｔ_１よりも長くなる。このように、機械式調圧弁３に漏れが発生すると、直前に行われた運転を停止してから運転を再開するまでの時間の長さに応じて、質量流量制御装置１の応答時間が長くなったり短くなったりする。

上記のように機械式調圧弁３に漏れが発生している状態において閉じられていた流量制御弁４が再び開かれた場合においても、測定流量と実流量との間の時間的な乖離は、設定流量と測定流量との偏差に基づく流量Ｑのフィードバック制御における制御動作の不安定化をもたらす要因となり得る。

図７は、機械式調圧弁に漏れが発生している状態において測定流量の実流量からの時間的な乖離が大きい場合の質量流量制御装置１において、流体を流す命令信号が伝えられた時刻Ｏ以降の圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の値並びに流量Ｑの時間変化の例を示すグラフである。従来技術に係る質量流量制御装置１においては圧力値の時間変化が加速されないため、時刻Ｏ以降において流量制御弁４が開いて実際には流体が流れているにもかかわらず、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の減少は緩慢である。その結果、流量計２によって測定される流量Ｑは、実際に流れている流量よりも遅れて増加する。したがって、流量計２によって測定される流量Ｑと設定流量ＱＳとの偏差に基づいて流量制御弁４の開きを制御すると、流量制御弁４の操作量が過剰となるので、測定される流量Ｑは図７に示すように設定流量ＱＳを超えてオーバーシュートしたり、あるいはハンチングしたりする。その結果、測定される流量Ｑが設定流量ＱＳに安定するまでの応答時間が長くなる。

そこで、本発明に係る質量流量制御装置１においては、流量計２が、圧力値測定手段によって測定された圧力値の時間変化を加速する加速手段をさらに備え、加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて流量を計算する。そして、流量制御弁４が、流量計によって計算された流量に基づいて流体の流量を制御する。これにより、圧力値の時間変化を速めて、短い時間で安定値に到達させる。図７の記号Ｑ’が付されたグラフは、上記のように加速手段によって時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’に基づいて計算された流量Ｑ’の時間変化を示す。流量Ｑ’は、時間変化が加速された圧力Ｐ１’及び圧力Ｐ２’に基づいて計算されているため、実際に流れている流量の時間変化に近い時間変化を示す。

本発明に係る質量流量制御装置１において、流量制御弁４は、流量計２によって計算された流量に基づいて流体の流量を制御する。図７に示された流量Ｑ’はこのような流量であり、流量Ｑに比べて急速に増加し、オーバーシュートすることなく、応答時間Ｔ_１及びＴ_２よりも短い応答時間で設定値ＱＳに到達する。これは、流量Ｑ’が実際に流れている流量の時間変化に近い時間変化を示しているので、流量制御弁４の操作量が過剰にならず、適切な値に制御されるためである。

このように、本発明に係る質量流量制御装置１においては、流量計２によって測定される流量（測定流量）と実際に流れている流量（実流量）との乖離がほとんど無視することができる程度となるように圧力値の時間変化の加速の程度を調整することができる。この結果、機械式調圧弁３に漏れが発生したあと、図６に示したように圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の値が時間の経過とともに増加しているような場合であっても、流量制御を再開する時刻にかかわらず一定の応答時間にて安定な流量制御を実現することができる。

本発明の好ましい実施の形態において、機械式調圧弁３は、流量計２の上流側に隣接して配置され、流量制御弁４は、流量計２の下流側に配置される。ここで、「隣接して配置される」とは、機械式調整弁３と流量計２との間に他の構成部品が存在せず、両者が互いに配管部材によって直接接合されていることをいう。機械式調整弁３と流量計２とを接合する配管部材はできるだけ短くすることが好ましい。

機械式調圧弁３を流量計２の上流側に隣接して配置することにより、両者の間の流体抵抗及び流体の体積が小さくなるので、機械式調圧弁３の調圧室３ｆの圧力を設定圧力ＰＳと等しくなるように調整した結果が流量計２の内部の圧力により迅速に反映される。それにより、流量計２の内部の圧力が常に設定圧力ＰＳと等しくなるように維持されるので、流量計２による流量測定の精度が高まる。

また、流量制御弁４を流量計２の下流側に配置することにより、質量流量制御装置１に流体の供給を停止する命令信号が伝えられて流量制御弁４が閉じると、流量を直ちにゼロにすることができる。本発明に係る質量流量制御装置１においては、流量制御弁４によって流路が遮断された後に機械式調圧弁３に漏れが発生しても、応答時間を一定に保つことができる。このため、例えば、流体を短い周期で断続的に流したいような場合であっても、精度のよい流体の供給が可能となる。

ところで、前述したように、本発明は、本発明に係る質量流量制御装置において実行される上述した方法によって実現される質量流量制御方法にも関する。本発明に係る質量流量制御方法は、圧力式流量計において、ユーザーによって設定された流量である設定流量に流体の流量を近付ける方法である。この点においては、本発明に係る質量流量制御方法は、従来技術に係る質量流量制御方法と同様である。

従来技術に係る質量流量制御方法においては、例えば図８のフローチャートに示すような処理手順に従って、流体の流量が制御される。先ず、ステップＳ８１０において、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１及び圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の圧力値が圧力値測定手段によって測定される。次に、ステップＳ８２０において、圧力値測定手段によって測定された上記圧力値に基づき、その時点における測定流量が流量計によって計算される。続いて、ステップＳ８３０において、流量計によって計算された上記測定流量とユーザーによって設定された設定流量との偏差に基づくフィードバック制御により流量制御弁の開きが制御され、測定流量が設定流量に近付けられる。

ところが、前述したように、流量計は、どのような形式のものであっても、測定（計算）される流量（測定流量）と実際に流れている流量（実流量）との間には時間的な乖離（一般的には遅れ）がある。したがって、上記のように設定流量と測定流量との偏差に基づくフィードバック制御により流体の流量を制御しようとすると、測定流量の実流量からの時間的な乖離は、制御動作の不安定化をもたらす要因となり、流量のオーバーシュート及び／又は測定流量のハンチングなどの問題に繋がるおそれがある。

一方、本発明に係る質量流量制御方法は、圧力差発生手段及び圧力値測定手段を備える流量計と流量制御弁とに加えて加速手段をさらに備える本発明に係る質量流量制御装置において、例えば図９のフローチャートに示すような処理手順に従って、以下に列挙する各ステップを実行することを含む。

ステップＳ９１０：圧力値測定手段により、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１及び圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の圧力値を測定する。
ステップＳ９２０：加速手段により、圧力値測定手段によって測定された圧力値の時間変化を加速する。
ステップＳ９３０：流量計により、加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて流体の流量を計算する。
ステップＳ９４０：流量制御弁により、流量計によって計算された上記流量に基づいて流体の流量を制御して、質量流量制御装置のユーザーによって設定された流量である設定流量に流体の流量を近付ける。

上記のような各ステップを実行する本発明に係る質量流量制御方法によれば、圧力差発生手段と圧力値測定手段とを備えた圧力式流量計を用いた場合であっても、従来技術に係る質量流量制御装置に比べて測定流量と実流量との時間的な乖離を少なくすることができ、安定かつ迅速な流量制御を実現することができる。

なお、上述したように、本発明における加速手段は、圧力値の時間変化を加速することができるものであれば、公知のどのような手段を用いてもよい。具体的には、加速手段は、アナログ値としての圧力値の時間変化を加速することができる電気的なアナログフィルタ回路等によって構成することができる。この場合、アナログフィルタ回路の時定数を好ましい値に設定することにより、本発明における加速手段を構成することができる。

本発明の好ましい実施の形態において、加速手段は、圧力値測定手段によって測定された圧力値をアナログデジタル変換する変換手段と、変換手段によってアナログデジタル変換された圧力値の時間変化をデジタルフィルタによるフィルタリング処理によって加速するフィルタリング手段とを含む。この発明の構成において、質量流量制御装置は、加速手段としてアナログフィルタ回路等を用いた場合に比べてより安定な制御を行うことができ、本発明に係る質量流量制御方法においても、このような加速手段を用いて、圧力値の時間変化を加速することができる。

この場合、本発明に係る質量流量制御方法が適用される質量流量制御装置が備える加速手段は、アナログデジタル変換を実行する変換手段と、デジタルフィルタによるフィルタリング処理を実行するフィルタリング手段と、を含む。そして、本発明に係る質量流量制御方法に含まれるステップＳ９２０は、例えば図１０のフローチャートに示すように、以下に列挙する各ステップを実行することを含む。

ステップＳ９２１：変換手段により、圧力値測定手段によって測定された圧力値をアナログデジタル変換する。
ステップＳ９２２：フィルタリング手段により、変換手段によってアナログデジタル変換された圧力値の時間変化をフィルタリング処理によって加速する。

なお、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２とを含むことができる。あるいは、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２との差圧ΔＰを含むことができる。後者の場合、圧力値は、圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１又は圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２のいずれかをさらに含むことができる。

さらに、加速手段により、圧力値測定手段によって測定された２以上の圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速するようにしてもよい。

加えて、本発明に係る質量流量制御方法は、上述したように流量計の上流側に配置される機械式調圧弁をさらに備える質量流量制御装置にも適用され得る。この場合、機械式調圧弁は流量計に隣接して配置されることが好ましく、流量制御弁は流量計の下流側に配置されることが好ましい。

なお、本発明に係る質量流量制御方法が適用される質量流量制御装置の構成及び圧力値測定手段によって測定された圧力値の時間変化を加速手段によって加速する処理等の詳細については、上述した各種実施の形態を始めとする本発明に係る質量流量制御装置に関する説明において既に説明した。従って、これらの事項についての詳細な説明は、ここでは繰り返さない。

１ 質量流量制御装置
２ 流量計
２ａ 圧力差発生手段（層流素子）
２ｂ 圧力値測定手段（圧力センサ）
２ｃ 圧力値測定手段（圧力センサ）
３ 機械式調圧弁
３ａ 流体入口
３ｂ 弁スプリング
３ｃ 弁体
３ｄ 弁座
３ｅ ステム
３ｆ 調圧室
３ｇ ダイアフラム
３ｈ ダイアフラム押さえ
３ｉ 調圧スプリング
３ｊ 調整ねじ
３ｋ 流体出口
４ 流量制御弁
４ａ アクチュエータ
４ｂ 弁
５ 圧力センサ
６ 温度センサ

Claims (12)

1. 流量計と、流量制御弁と、を備え、
   前記流量計は、圧力差発生手段と、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１及び前記圧力差発生手段の下流側における前記流体の圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の圧力値を測定する圧力値測定手段と、を備える質量流量制御装置において、
   前記流量計は、前記圧力値測定手段によって測定された２以上の圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速する加速手段をさらに備え、前記加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて前記流体の流量を計算し、
   前記流量制御弁は、前記流量計によって計算された前記流量に基づいて前記流体の流量を制御する
   ことを特徴とする質量流量制御装置。
2. 前記加速手段は、前記圧力値測定手段によって測定された圧力値をアナログデジタル変換する変換手段と、前記変換手段によってアナログデジタル変換された圧力値の時間変化をデジタルフィルタによるフィルタリング処理によって加速するフィルタリング手段とを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の質量流量制御装置。
3. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２とを含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の質量流量制御装置。
4. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２との差圧ΔＰを含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の質量流量制御装置。
5. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１又は前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２のいずれかをさらに含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の質量流量制御装置。
6. 前記流量計の上流側に配置される機械式調圧弁をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の質量流量制御装置。
7. 前記機械式調圧弁は、前記流量計に隣接して配置され、
   前記流量制御弁は、前記流量計の下流側に配置される
   ことを特徴とする請求項６に記載の質量流量制御装置。
8. 圧力差発生手段及び圧力値測定手段を備える流量計と、流量制御弁と、を備える質量流量制御装置において、
   前記圧力値測定手段により、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１及び前記圧力差発生手段の下流側における前記流体の圧力Ｐ２から導かれる１又は２以上の圧力値を測定すること、及び
   前記流量制御弁により、前記圧力値測定手段によって測定された前記圧力値から導かれる前記流体の流量に基づいて、前記質量流量制御装置のユーザーによって設定された流量である設定流量に前記流体の流量を近付けること、
   を含む質量流量制御方法であって、
   前記流量計は、加速手段をさらに備え、
   前記加速手段により、前記圧力値測定手段によって測定された２以上の前記圧力値のそれぞれについて時間変化を個別に加速すること、
   前記流量計により、前記加速手段によって時間変化が加速された圧力値に基づいて前記流体の流量を計算すること、及び
   前記流量制御弁により、前記流量計によって計算された前記流量に基づいて前記流体の流量を制御すること、
   を含む質量流量制御方法。
9. 前記加速手段は、アナログデジタル変換を実行する変換手段と、デジタルフィルタによるフィルタリング処理を実行するフィルタリング手段と、を含み、
   前記変換手段により、前記圧力値測定手段によって測定された前記圧力値をアナログデジタル変換すること、及び
   前記フィルタリング手段により、前記変換手段によってアナログデジタル変換された前記圧力値の時間変化を前記フィルタリング処理によって加速すること、
   を含む請求項８に記載の質量流量制御方法。
10. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２とを含む
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の質量流量制御方法。
11. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１と、前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２との差圧ΔＰを含む
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の質量流量制御方法。
12. 前記圧力値が、前記圧力差発生手段の上流側における流体の圧力Ｐ１又は前記圧力差発生手段の下流側における流体の圧力Ｐ２のいずれかをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１１に記載の質量流量制御方法。

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