WO2015030097A1 - 流量制御装置及び流量制御プログラム - Google Patents

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WO2015030097A1
WO2015030097A1 PCT/JP2014/072540 JP2014072540W WO2015030097A1 WO 2015030097 A1 WO2015030097 A1 WO 2015030097A1 JP 2014072540 W JP2014072540 W JP 2014072540W WO 2015030097 A1 WO2015030097 A1 WO 2015030097A1
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flow rate
value
flow
valve
sensor
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PCT/JP2014/072540
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French (fr)
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興太郎 瀧尻
圭太 清水
Original Assignee
株式会社堀場エステック
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers

Definitions

  • the present invention relates to a flow rate control device and a flow rate control program for controlling the flow rate of a fluid.
  • the flow control device used in the semiconductor manufacturing process is required to make the actual flow rate value follow the flow rate setting value set by the user in a short time.
  • a flow rate control device disclosed in Patent Document 1 includes a flow rate sensor, a valve, and a flow rate control unit that controls a flow rate by the valve, and the flow rate control unit includes the flow rate sensor.
  • the degree of opening of the valve is controlled by two-degree-of-freedom control that combines feedback control based on a flow rate measurement value output from and feed-forward control based on a set flow rate setting value.
  • this flow control device is intended to cause the actual flow rate value to follow the flow rate set value at high speed by feedforward control while compensating for overshoot and the like by feedback control.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and reduces the influence of the time delay of the flow rate measurement value output from the flow sensor on the flow rate control, and sets the actual flow rate value relative to the flow rate set value. It aims at providing the flow control device made to follow at high speed.
  • the flow control device of the present invention includes a flow sensor that measures the flow rate of the fluid flowing in the flow path, a valve provided in the flow path, a flow rate measurement value that is measured by the flow sensor, and a flow rate setting value.
  • a flow rate control unit that controls the flow rate by the valve based on the flow rate control unit, wherein the flow rate control unit stores a sensor model that simulates a response characteristic of the flow rate sensor, a flow rate setting value, and the sensor
  • a flow rate simulation value output unit that outputs a flow rate simulation value that is a flow rate value calculated based on the model, a feedback control unit that outputs a flow rate feedback value based on a deviation between the flow rate measurement value and the flow rate simulation value, and a flow rate setting
  • a valve control unit that controls the valve based on a flow rate feedforward value and a flow rate feedback value calculated from the values, and Simulated value output unit, characterized in that it is configured to output a flow rate simulated value including a predetermined time delay.
  • the flow rate feedback control unit calculates the flow rate feedback value based on the deviation between the flow rate measurement value including the time delay and the flow rate simulation value at which the time delay is reproduced by the flow rate simulation value output unit. Since it is configured to output, the output flow rate feedback value can reflect the time delay of the flow rate sensor.
  • the flow rate feedback value is not output from the flow rate feedback control unit, and the valve control unit applies a voltage suitable for the flow rate set value specified by the flow rate feedforward value to the valve. It is possible to increase the actual flow rate rise speed by applying the voltage and fixing the opening degree.
  • the flow rate simulation value output unit includes a flow rate measured by the flow sensor. What is necessary is just to be comprised so that the output of a flow simulation value may be started based on the said sensor model and flow volume setting value after a measured value becomes more than a predetermined threshold value. If this is the case, the time delay can be accurately reproduced at the start timing of the flow rate simulation value output, so that the flow rate simulation value output from the flow rate simulation value output unit is actually simply described by simple modeling.
  • the flow rate measurement value output from the flow rate sensor can be approximated, and the response characteristics of the two-degree-of-freedom type flow rate control can be improved.
  • the valve control unit has a relationship between the valve applied voltage and the flow rate of the fluid flowing through the flow path when the valve applied voltage is applied to the valve.
  • the valve application voltage corresponding to the flow rate input value that is the sum of the flow rate feedforward value and the flow rate feedback value is calculated.
  • a voltage output unit that outputs a valve applied voltage to the valve, and a QV characteristic stored in the QV characteristic storage unit based on a flow rate feedback value.
  • the QV characteristic correction unit includes: When the integral value of the flow rate feedback value within a predetermined time from the start of the flow rate control is positive, the QV characteristic is corrected by offset in the positive direction of the V-axis, and when the integral value is negative, the Q ⁇ What is necessary is just to be comprised so that V characteristic may be offset and offset in a V-axis negative direction.
  • the QV characteristic correction unit determines an offset amount of the QV characteristic in the V-axis direction based on an absolute value of an integral value of the flow rate feedback value within a predetermined time from the start of the flow rate control. If configured, it is possible to correct the difference between the stored QV characteristics and the current QV characteristics.
  • step input is required as the flow setting value.
  • a sensor model identification unit that identifies the sensor model based on an open loop response characteristic that is input after the flow rate measurement value output from the flow rate sensor exceeds the threshold value.
  • the valve is a piezo valve. And a reference capacitor connected in series with the piezo valve and having one end grounded, wherein the valve control unit is configured to maintain the voltage applied to the piezo valve at the valve applied voltage. Just do it.
  • the time delay of the flow rate measurement value output from the flow rate sensor is large, and the flow rate sensor by the flow rate control device of the present invention is particularly likely to exhibit the effect of flow rate control, in which the flow rate sensor is a thermal flow rate sensor. .
  • a flow sensor that measures the flow rate of the fluid flowing in the flow path in order to realize the flow control performance equivalent to that of the flow control device of the present invention by overwriting the flow control program for the existing flow control device.
  • a flow rate control program storage medium storing a flow rate control program used in a flow rate control device including the valve provided in the flow path, wherein the flow rate control program is measured by the flow rate sensor.
  • a function of a flow rate control unit that controls the flow rate by the valve based on a measured value and a flow rate set value is exhibited, and the flow rate control unit stores a sensor model that simulates a response characteristic of the flow rate sensor.
  • a sensor model storage unit that outputs a flow rate simulation value that is a flow rate value calculated based on a flow rate setting value and the sensor model.
  • a control unit that outputs a flow rate feedback value based on a deviation between the flow rate measurement value and the flow rate simulation value, and controls the valve based on a flow rate feedforward value and a flow rate feedback value calculated from the flow rate setting value.
  • a flow rate storage program storing a flow rate control program, wherein the flow rate simulation value output portion is configured to output a flow rate simulation value including a predetermined time delay.
  • a control program storage medium may be used. Further, such a flow rate control program may be recorded on a storage medium such as a CD, DVD, HDD, flash memory, etc., and used for installation or the like.
  • the feedback control unit is output based on the sensor model, a flow rate simulation value reflecting a time delay, a flow rate measurement value measured by the flow rate sensor, Since the flow rate feedback value is output on the basis of the deviation of the flow rate, the flow rate feedback reflecting the time delay of the flow rate sensor is possible. Therefore, the flow rate feedback value at the start of the flow rate control is substantially zero, and the opening degree of the valve is controlled only by the flow rate feedforward value, so that the response of the actual flow rate value can be speeded up without causing overshoot or the like. it can.
  • the time delay is reproduced by starting the output of the flow simulation value based on the sensor model and the flow rate setting value after the flow rate measurement value exceeds a predetermined threshold value, a simple sensor The model can accurately reproduce the time delay, and the response characteristics can be improved.
  • the schematic diagram which shows the flow control apparatus which concerns on one Embodiment of this invention The typical block diagram which shows the detail of the flow control part in the same embodiment, and a control system.
  • 6 is a schematic graph showing a second step response after the QV characteristic is corrected based on the first step response in the same embodiment and the control amount thereof.
  • Flow control device of this embodiment the mass flow to be used for introducing a chamber which is subjected to the vapor deposition of a gas containing material to be deposited on the substrate at a predetermined flow rate set value Q r in, for example, a semiconductor manufacturing process Controller 100.
  • the mass flow controller 100 has an inlet and an outlet attached to a channel connected to a chamber during a semiconductor manufacturing process, and controls the flow rate of gas flowing through the channel. is there. More specifically, the mass flow controller 100 includes an internal flow path FC, a valve 1 provided on the internal flow path FC, a flow rate sensor 2 that measures the flow rate of fluid flowing through the internal flow path FC, And a calculation mechanism COM that controls the valve 1 and performs various calculations, and each of these units is housed in a single casing and modularized.
  • the valve is a piezo valve 1 whose opening is controlled not by voltage control but by charge control as will be described later.
  • the flow rate sensor 2 is a thermal flow rate sensor 2 that measures the flow rate based on the temperature of the fluid, and includes a laminar flow element 21 (fluid resistance) provided on an internal flow path FC, and the laminar flow element 21. And a constant temperature control circuit that has two heat generating resistors 23 wound around the outside of the thin tube 22 and keeps the temperature constant in each heat generating resistor 23.
  • the function is realized by the arithmetic mechanism COM, and is constituted by a flow rate measurement value calculation unit 24 that calculates a flow rate based on a voltage applied to each heating resistor 23.
  • this thermal type flow rate sensor 2 has an output flow rate measurement value Q M between the actual flow rate value Q real of the fluid actually flowing in the internal flow path FC. There is a big time delay.
  • the calculation mechanism COM is a so-called computer having a CPU, a memory, an A / D, a D / A converter, various input / output devices, etc., and a flow control program stored in the memory in cooperation with each device.
  • the function as the flow rate control unit 3 that controls the flow rate of the fluid by at least the flow rate measurement value calculation unit 24 and the piezo valve 1 described above is exhibited.
  • the flow control unit 3 controls the opening of the piezo valve 1 based on the flow rate measurement value Q M measured by the thermal flow sensor 2 and the flow rate setting value Q r set by the user, The flow rate is controlled.
  • the flow rate control unit 3 is configured to control the opening degree of the piezo valve 1 by two-degree-of-freedom control combining feedback control (FB control) and feedforward control (FF control). Then, the flow rate control unit 3 delivers flow control in consideration of the time delay with respect to the actual flow rate value of the flow measurement Q M outputted from the thermal flow rate sensor 2, to obtain an ideal transient response and steady-state characteristics It is supposed to be.
  • the flow rate control unit 3 is based on a flow rate set value Q r set by a user and a flow rate measured value Q M measured by the thermal flow sensor 2.
  • a feedback control system FBS that generates a flow rate feedback value Q FB
  • a feed forward control system FFS that generates a flow rate feed forward value Q FF based on the flow rate setting value Q r , a flow rate feedback value Q FB, and a flow rate feed forward value
  • the valve control unit VC controls the valve application voltage V SET applied to the piezo valve 1 based on Q FF and controls the opening degree of the piezo valve 1.
  • the feedback control system FBS includes a sensor model unit SM that outputs a flow rate simulation value Q SIM that simulates a flow rate measurement value Q M that is currently output from the thermal flow rate sensor 2 based on a flow rate setting value Q r ;
  • a feedback control unit 33 for outputting a flow rate feedback value Q FB based on a flow rate simulation value Q SIM output from the sensor model unit SM and a flow rate measurement value Q M actually measured by the thermal flow rate sensor 2; It is composed of
  • the sensor model unit SM is input flow rate setpoint Q r, a sensor model storage unit 31 for storing the sensor model to simulate the response characteristics of the thermal flow rate sensor 2 in the case where the output flow rate measurement Q M, are constituted from the flow simulated value output unit 32 for outputting the flow rate simulated value Q SIM is a flow rate value the sensor model outputs if you enter the flow setpoint Q r.
  • the sensor model stored in the sensor model storage unit 31 simulates at least the step response characteristic of the thermal flow sensor 2, and the sensor model storage unit 31 stores a transfer function representing the response characteristic. is doing.
  • the sensor model is a model of the thermal flow sensor 2, and the piezo valve 1 and the valve control unit VC are not objects of modeling. That is, since the piezo valve 1 whose response characteristics change with the passage of time and usage conditions is not included in the model, it is easy to model, and a large modeling error can be prevented.
  • the sensor model stored in the sensor model storage unit 31 is identified based on the flow rate measurement value Q M measured when the sensor model identification unit 34 performs open-loop control of the mass flow controller 100 of the present embodiment. It is. More specifically, the sensor model identification unit 34 operates only when the mass flow controller 100 is set to the model identification mode instead of the flow rate control mode. In the model identification mode, the sensor model identification unit 34 receives a step input as the flow rate set value Q r as shown in FIG. 3A and the flow rate measurement value Q M output from the thermal flow rate sensor 2. The open loop response characteristic after the value exceeds a predetermined threshold TH is acquired. Next, the sensor model identification unit 34 is a hatched area in FIG.
  • step response characteristics in which the dead time indicated by the bold line is substantially omitted are shown in FIG. 3B.
  • the sensor model is identified from the step response characteristic after the parallel movement by translating to the zero point as a step response that does not include the dead time.
  • the flow rate simulation value output unit 32 shown in FIG. 2 sets the sensor model and the flow rate setting value Q r after the flow rate measurement value Q M measured by the thermal flow rate sensor 2 becomes equal to or higher than a predetermined threshold value TH. Based on this, the output of the flow rate simulation value Q SIM is started. More specifically, the flow rate simulated value output unit 32 begins to enter the flow setpoint Q r, the flow rate measurement value Q M to be the flow rate control is started is measured by the thermal flow rate sensor 2 and the threshold value TH Until this time, zero is continuously output as the flow rate simulation value QSIM .
  • the flow rate simulation value QSIM is calculated.
  • the feedback control unit 33 shown in FIG. 2 is configured to calculate a flow rate feedback value Q FB by performing PID calculation on the deviation between the flow rate simulation value Q SIM and the flow rate measurement value Q M. That is, the provided valve control unit VC and the piezo valve 1 operates ideally, in the case of zero no deviation between the flow rate simulated value Q SIM and flow measurements Q M, the valve control unit VC is the piezo valve 1 is to be controlled only by the flow rate feedforward value Q FF.
  • a degree of opening of the piezo valve 1 only in a flow rate feedforward value Q FF is controlled, the flow feedback if the flow measurement Q M has become a value different from the flow rate simulated value Q SIM by the effect of disturbance such as The value Q FB will have some value. Therefore, only when the flow rate measurement value Q M is not output as expected, the flow rate feedforward value Q FF is corrected by the flow rate feedback value Q FB so that the opening degree of the piezo valve 1 is corrected. Yes.
  • the feedforward control system FFS is, and are configured to output a flow rate set value Q r accepted in the present embodiment to the valve control unit VC directly as flow feedforward value Q FF.
  • the block diagram of FIG. 2 not described block at the relevant location, if strictly described, with 1 times the input flow setpoint Q r, and outputs it as a flow rate feedforward value Q FF It is represented as a feedforward control unit (not shown).
  • the valve control unit VC the valve in which the sum of the flow rate feedforward value Q FF and flow rate feedback value Q FB is input as the flow rate input value Q IN, corresponding to the opening degree of the piezo valve 1 realizing the flow rate input value Q IN
  • An applied voltage V SET is applied to the piezo valve 1. More specifically, the valve control unit VC stores a QV characteristic that is a relationship between the valve applied voltage V SET and the flow rate of the fluid flowing through the flow path when the valve applied voltage V SET is applied.
  • the valve applied voltage V SET corresponding to the flow rate input value Q IN that is the sum of the flow rate feedforward value Q FF and the flow rate feedback value Q FB is calculated on the basis of the QV characteristic storage unit 35 and the QV characteristic.
  • the voltage output unit 36 outputs the calculated valve application voltage V SET to the piezo valve 1.
  • the opening degree of the piezo valve 1 is controlled by charge control in order to further increase the flow rate control accuracy. That is, as shown in FIG. 4, one end of a reference capacitor 11 whose capacitance is unlikely to change due to the influence of a disturbance such as a temperature change is connected in series to the piezo valve 1, and the other end is grounded.
  • the controller VC is configured to keep the voltage applied to the piezo valve 1 at the valve applied voltage V SET .
  • the operational amplifier 12 constitutes a feedback circuit so that the applied voltage is maintained at both ends of the capacitance of the piezo valve 1.
  • the present embodiment further includes a QV characteristic correction unit 37 for correcting the QV characteristic stored in the QV characteristic storage unit 35 based on the flow rate feedback value QFB.
  • a QV characteristic correction unit 37 for correcting the QV characteristic stored in the QV characteristic storage unit 35 based on the flow rate feedback value QFB.
  • the QV characteristic correction unit 37 sets the QV characteristic in the positive direction of the V-axis when the integral value of the flow rate feedback value QFB within a predetermined time from the start of flow rate control is positive. Correction is performed by offsetting, and when the integral value is negative, the QV characteristic is corrected by offsetting in the negative direction of the V-axis.
  • the actual flow rate value Q real when step input is input as the flow rate setting value Q r, the flow rate simulated value Q SIM, there is shown a response flow measurement Q M.
  • the actual flow rate value Qreal can be obtained by passing the output of the thermal flow sensor 2 through the reciprocal of the transfer function of the sensor model.
  • the flow measurement is output from the thermal flow rate sensor 2 Q M is the actual flow rate value Q because real have a time delay relative to the flow rate measurement value as shown in FIG. 5 (a)
  • Q M is the actual flow rate value from the rising point of Q real it would rise after a predetermined time has elapsed.
  • the sensor model unit SM flow rate simulated value since state flow measurements Q M does not exceed the threshold value TH It continues to output zero as Q SIM . Therefore, outputs zero as the flow rate simulated value Q SIM and the feedback control unit 33 as from the deviation of the flow rate measurement value Q M is zero shown in FIG.
  • the flow rate feedback value Q FB is constant at the time when the deviation between the flow rate simulation value Q SIM and the flow rate measurement value Q M finally disappears, and the actual flow rate value Q real is also stabilized as the flow rate setting value Q r. become.
  • the valve control unit VC refers to the current QV characteristic by the sum of the flow rate feedforward value QFF and the flow rate feedback value QFB and applies it.
  • the voltage V SET2 is acquired as the power supply voltage V SET to be applied, and the voltage V SET2 is applied.
  • the current QV characteristic stored in the QV characteristic storage unit 35 is indicated by a bold line as shown in FIG. This is because the actual QV characteristic is shown by an imaginary line, and a value smaller than the valve applied voltage V SET to be actually applied is referred to. .
  • the Q-V characteristic correcting unit 37 corrects the Q-V characteristics as the valve applied voltage V SET to be actually applied only at a flow rate feedforward value Q FF is obtained from the Q-V characteristic wherein Q It operates so as to be stored in the ⁇ V characteristic storage unit 35.
  • the QV characteristic correction unit 37 corrects the current QV characteristic to a QV characteristic obtained by parallel translation in the positive direction of the V-axis. For translation amount at this time is set so that the voltage V SET2 which was referenced in the stable state of the second section is referenced by the current flow feedforward value Q FF.
  • the QV characteristic correction unit 37 When the actual flow rate value Q real is stabilized at a value larger than the flow rate setting value Q r and the integrated value of the flow rate feedback value Q FB becomes negative, the QV characteristic correction unit 37 The current QV characteristic is corrected to a QV characteristic that is translated in the negative direction of the V-axis.
  • the sensor model unit SM is ideal when FF control is normally realized in a form in which a time delay is generated using the flow rate measurement value Q M as a trigger. Since the flow rate simulation value Q SIM can be output, the flow rate measurement value Q M output from the thermal flow sensor 2 can be combined with the time delay. Therefore, when the flow control starts, the time lag between the flow simulation value Q SIM and the flow measurement value Q M does not match, so a large deviation occurs. Overshooting occurs due to excessive FB control, or the control is unstable. Can be prevented.
  • the sensor model identifying part 34 does not need to be identified as a transfer function of the form including the sensor model to time lag, the modeling accuracy Can be increased. This can reduce the modeling error and increase the stability of the flow control.
  • the QV characteristic correction unit 37 appropriately corrects the QV characteristic based on the flow rate feedback value Q FB so that an appropriate valve application voltage V SET is applied only by the flow rate feed forward value Q FF. Since it is configured so that a high-speed response can be achieved almost always.
  • the mass flow controller 100 is between Q-V characteristic is normal to control the flow only by FF control by the substantially flow feedforward value Q FF, but to achieve high-speed response, by any chance, the Q-V characteristic When it changes due to the influence of disturbance, etc., the FB control is activated, and the flow rate set value Qr is surely realized although a slight delay occurs.
  • the QV characteristic correction unit 37 when there is such a change in the QV characteristic and the FB control is performed, the QV characteristic correction unit 37 also displays the QV characteristic in an actual state. Since the correction is performed, it becomes possible to realize a high-speed response with only the FF control for the step response after the next time.
  • a piezo valve is used as a valve and a thermal flow sensor is used as a flow sensor, but other valves may be used. More specifically, a solenoid valve or the like may be used as the valve, and a pressure type flow sensor may be used as the flow sensor. Further, the order in which the valves and the flow sensors are arranged on the internal flow path is not limited to the illustrated order, and may be various orders.
  • the mass flow controller may be configured such that the sensor model identification unit and the QV characteristic correction unit are omitted. That is, the two-degree-of-freedom type flow rate control device shown in the above embodiment may be configured so that the sensor model and QV characteristics are maintained at the factory shipment.
  • the flow rate simulation value output unit only needs to be configured to output a flow rate simulation value including a predetermined time delay, and the flow rate simulation value is output using the flow rate measurement value shown in the embodiment as a trigger. It is not limited to starting. For example, if the sensor model of the flow rate sensor stored in the sensor model storage unit is not identified including a time delay element, the flow rate simulation value output unit starts to input the flow rate setting value and the flow rate control is performed.
  • It may be configured to start outputting the flow rate simulation value based on the flow rate set value and the sensor model after a predetermined time has elapsed since the start.
  • the flow rate simulation value output unit inputs the flow rate setting value.
  • calculation and output of the flow rate simulation value may be started based on the flow rate setting value and the sensor model.
  • the flow rate feedforward value is the same as the flow rate setting value.
  • a value after filtering such as S-shaped interpolation of a portion where the time change rate is too large from the flow rate setting value is used as the flow rate feedforward value. It may be used.
  • the QV characteristic correction unit determines the correction direction of the QV characteristic based on the integral value of the flow rate feedback value. However, the correction amount may be determined based on the integral value.
  • the QV characteristic is corrected by translating the QV characteristic in the V-axis direction. For example, a predetermined coefficient based on the flow rate feedback value that is translated in the Q-axis direction is used. May be corrected by various methods, such as multiplying by QV characteristics.
  • the QV characteristic correction unit is configured to correct the entire QV characteristic by parallel movement. However, the QV characteristic correction unit is a part of the QV characteristic. It may be configured to correct only. For example, only the valve applied voltage corresponding to the flow rate set as the flow rate set value may be corrected in the Q-axis or V-axis direction.
  • valve control unit of the above embodiment is configured to control the opening of the valve by charge control, other control modes may be used.
  • an opening sensor 38 that directly measures the opening of the valve is used to form a valve controller VC that forms a minor loop for controlling the valve opening separately from the feedback loop of the flow rate measurement value. May be.
  • the valve control unit VC shown in FIG. 7, the opening degree calculated based on the flow rate input value Q IN calculated by the feedforward control system FFS and feedback control system FBS, calculates the opening degree be set Part 40 is provided.
  • the opening degree calculation unit 40, the flow rate of the piezo valve 1 - with reference to the Q-C characteristic storage unit 39 for storing a Q-C characteristic is a relationship between the opening degree (conductance), corresponding to the flow rate input value Q IN Calculate the opening setting value.
  • the voltage output unit 36 constituting the minor loop is different in configuration from the embodiment, and includes a current opening degree measured value of the piezo valve 1 measured by the opening degree sensor 38 and the opening degree set value.
  • An applied voltage V SET to be applied to the piezo valve 1 is determined based on the deviation, and is output to the piezo valve 1.
  • the opening degree of the piezo valve 1 is directly monitored and feedback control is performed by a minor loop so that the opening degree becomes a set value of the opening degree, hysteresis between the valve voltage and the opening degree is achieved.
  • the position of a valve body may be measured directly, an opening degree may be calculated
  • the valve control unit as described above is not limited to controlling the opening degree of the valve by charge control or opening degree control, but also by a voltage control for controlling a voltage applied to the valve or a current control for controlling a current. You may comprise so that an opening degree or a flow volume may be obtained.
  • the voltage output from the voltage output unit to the valve is determined based on the flow rate input value QIN and the QV characteristics and QC characteristics of the valve.
  • the valve control unit may be configured such that the opening corresponding to the realized flow rate is realized by the valve. More specifically, in the embodiment and the like, two-dimensional QV characteristics and QC characteristics are stored in the storage unit as the valve characteristics, but a three-dimensional map further including a pressure axis is provided.
  • a valve control unit may be configured.
  • the QV characteristic correction unit of the embodiment includes a QVP characteristic correction unit that corrects the QVP characteristic and the QCP characteristic based on the flow rate feedback value, and the QCP characteristic correction unit. You may comprise as a characteristic correction
  • the flow rate control device is configured to control the flow rate Q by feeding back the position or opening degree T of the valve body measured by a displacement sensor or the like, the QV characteristic memory of the above embodiment is stored.
  • the QT characteristic storage unit and the QV characteristic correction unit may be configured as a QT characteristic correction unit that corrects the QT characteristic based on the flow rate feedback value. Further, as described above, when the control is performed in consideration of the pressure on the upstream side of the valve, the QT characteristic storage unit stores a QTP characteristic that stores a three-dimensional flow characteristic including the pressure axis. You may comprise as a memory
  • the two-degree-of-freedom control system of the above embodiment is used for flow rate control, but may be used for pressure control, for example.
  • the flow sensor is a pressure sensor
  • the sensor model of the sensor model unit may be one that simulates the output characteristics of the pressure sensor.
  • the flow rate control device of the present invention is used, for example, it is possible to accurately introduce a component gas into a chamber at a predetermined flow rate in a semiconductor manufacturing process.

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Abstract

　流量制御部が、センサモデル記憶部と、流量設定値を入力した場合に前記センサモデルが出力する流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブに印加するバルブ印加電圧を制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が流量設定値に対して所定の時間遅れを有した状態で流量模擬値を出力するように構成した。

Description

流量制御装置及び流量制御プログラム
　本発明は、流体の流量を制御するための流量制御装置及び流量制御プログラムに関するものである。
　半導体製造プロセスで用いられる流量制御装置は、実流量値を、ユーザによって設定される流量設定値に対して短時間で追従させられる事が求められている。
　このような要求に答えるために、例えば特許文献１に示される流量制御装置は、流量センサと、バルブと、前記バルブにより流量を制御する流量制御部を備え、前記流量制御部が、前記流量センサから出力される流量測定値によるフィードバック制御と設定される流量設定値によるフィードフォワード制御を組み合わせた２自由度制御によって前記バルブの開度を制御するよう構成されている。
　すなわち、この流量制御装置はフィードバック制御によってオーバーシュート等を補償しつつ、フィードフォワード制御によって流量設定値に対して実流量値を高速で追従させることを意図している。
　しかしながら、特許文献１に記載された２自由度型の流量制御装置であっても、過渡応答時における実流量値の応答特性を理想的なものに整形するのは難しい。
　具体的に流量設定値としてステップ入力が入力されている場合の実流量値の応答について考えてみる。前記流量センサから出力される流量測定値は、流路に流れている流体の実流量値に対して時間遅れを有しているため、単純に流量設定値と流量測定値の偏差をフィードバックすると、過渡応答初期においては大きな偏差が発生することになる。したがって、過渡応答初期にはフィードフォワード制御により指定される本来必要な固定開度よりも大きな開度でバルブが制御されることになり、オーバーシュートが発生することになる。その後、このオーバーシュートが無くなるようにフィードバック制御によりバルブの開度が小さくなるように制御されることになる。
　このように、前記流量センサで測定される流量測定値に時間遅れが存在すると、オーバーシュートが発生したり、ゲインを高くした場合に制御が不安定になったりする等、実流量値を流量設定値に追従するのが難しくなる。このような時間遅れによって生じる制御の問題は、流量センサが熱式流量センサの場合に特に顕著となる。
　すなわち、２自由度型の流量制御を行う場合に適切な条件においてのみフィードバック制御が行われるようにすることは現状ではできていない。
米国公開特許公報ＵＳ２０１１／００５４７０２号
　本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、流量センサから出力される流量測定値の時間遅れが流量制御に与える影響を小さくし、流量設定値に対して実流量値を高速で追従させられる流量制御装置を提供することを目的とする。
　すなわち、本発明の流量制御装置は、流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部と、を備え、前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値の出力するように構成されていることを特徴とする。
　このようなものであれば、前記流量フィードバック制御部が、時間遅れを含む流量測定値と、前記流量模擬値出力部によって時間遅れが再現される流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するように構成されているので、出力される流量フィードバック値を流量センサの時間遅れを反映したものにできる。
　したがって、過渡応答初期において流量センサの時間遅れに起因して過剰な流量フィードバック値がフィードバックされて前記バルブの開度が変更されることによるオーバーシュート等の問題を防ぐことができる。より具体的には、過渡応答初期においては前記流量フィードバック制御部からは流量フィードバック値は出力されず、前記バルブ制御部は流量フィードフォワード値で指定される流量設定値に適した電圧を前記バルブに印加し、その開度を固定させて実流量値の立ち上がり速度を高速にすることができる。
　さらに、前記センサモデルについて時間遅れを含まずに簡易で正確なモデルとしつつ、時間遅れについても正確に再現できるようにするには、前記流量模擬値出力部は、前記流量センサで測定される流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成されていればよい。このようなものであれば、時間遅れについては流量模擬値の出力の開始タイミングで正確に再現できるので、前記流量模擬値出力部から出力される流量模擬値を簡易なモデル化だけで実際に前記流量センサから出力される流量測定値に近づけることができ、２自由度型の流量制御の応答特性を改善することができる。
　外部温度の変化等の影響により前記バルブのＱ－Ｖ特性が変化した場合でも、常に流量フィードフォワード値に基づいた流量制御によって流量制御開始時から必要な開度で維持されるようにし、高速応答が実現されるようにするには、前記バルブ制御部が、前記バルブ印加電圧と、前記バルブ印加電圧が前記バルブに印加された場合に前記流路に流れる流体の流量との関係であるＱ－Ｖ特性を記憶するＱ－Ｖ特性記憶部と、前記Ｑ－Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値の和である流量入力値に対応するバルブ印加電圧を算出し、算出されたバルブ印加電圧を前記バルブに出力する電圧出力部と、から構成されており、流量フィードバック値に基づいて、前記Ｑ－Ｖ特性記憶部に記憶されているＱ－Ｖ特性を補正するＱ－Ｖ特性補正部をさらに備えたものであればよい。
　オーバーシュート量等が低減され、過渡応答終了時に実流量値が略流量設定値と同じ値となるようにＱ－Ｖ特性が補正されるようにするには、前記Ｑ－Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値が正の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成されていればよい。また、前記Ｑ－Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値の絶対値に基づいて、前記Ｑ－Ｖ特性のＶ軸方向のオフセット量を決定するように構成すれば、記憶されているＱ－Ｖ特性と現在のＱ－Ｖ特性との乖離度を反映させて補正する事が可能となる。
　簡易なモデルでありながらも流量センサの応答特性を精度よく同定でき、モデル化誤差をできる限り小さくして、流量制御の精度を高めることができるようにするには、流量設定値としてステップ入力が入力され、前記流量センサから出力される流量測定値が前記閾値を超えた以降の開ループ応答特性に基づいて前記センサモデルを同定するセンサモデル同定部をさらに備えたものであればよい。
　通常の電圧制御を行った場合に前記バルブのＱ－Ｖ特性にヒステリシスが表れるようなものについて、ヒステリシスが表れにくくし、流量制御の応答特性を改善できるようにするには、前記バルブが、ピエゾバルブであり、前記ピエゾバルブと直列に接続されており、一端が接地された基準コンデンサをさらに備え、前記バルブ制御部が、前記ピエゾバルブに印加されている電圧を前記バルブ印加電圧で保つように構成されていればよい。
　前記流量センサから出力される流量測定値の時間遅れが大きく、特に本発明の流量制御装置による流量制御の効果が表れやすいものとしては、前記流量センサが、熱式流量センサであるものが挙げられる。
　既存の流量制御装置について、流量制御プログラムを上書きする等して、本発明の流量制御装置と同等の流量制御性能を実現できるようにするには、流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御プログラムを記憶した流量制御プログラム記憶媒体であって、前記流量制御プログラムが、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部としての機能を発揮させるものであり、前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する前記流量模擬値出力部と、流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御プログラムを記憶した流量制御プログラム記憶媒体を用いればよい。また、このような流量制御プログラムは、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等の記憶媒体に記録しておき、イントール等の際に用いても構わない。
　このように本発明の流量制御装置によれば、前記フィードバック制御部が、前記センサモデルに基づいて出力され、時間遅れが反映された流量模擬値と、前記流量センサで測定される流量測定値との偏差に基づいて流量フィードバック値を出力するように構成されているので、前記流量センサの時間遅れを反映させた流量フィードバックが可能となる。したがって、流量制御開始時における流量フィードバック値は略ゼロとなり、流量フィードフォワード値のみで前記バルブの開度が制御されるので、オーバーシュート等を起こすことなく実流量値の応答を高速化することができる。さらに、時間遅れについては流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始することで再現するようにしているので、簡便なセンサモデルで時間遅れを精度よく再現することができ、応答特性を改善することができる。
本発明の一実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。 同実施形態における流量制御部の詳細及び制御系を示す模式的ブロック線図。 同実施形態におけるセンサモデルの同定に使われる測定データについて示す模式的グラフ。 同実施形態における電圧出力部及びピエゾバルブの構成について示す回路図。 同実施形態におけるＦＦ制御及びＦＢ制御が行わる場合の１回目のステップ応答及びその各制御量ついて示す模式的グラフ。 同実施形態における１回目のステップ応答に基づいてＱ－Ｖ特性が補正された後の２回目のステップ応答及びその制御量ついて示す模式的グラフ。 本発明の別の実施形態における流量制御装置を示す模式図。
１００・・・マスフローコントローラ（流量制御装置）
１　　・・・ピエゾバルブ（バルブ）
１１　・・・基準コンデンサ
１２　・・・オペアンプ
２　　・・・熱式流量センサ（流量センサ）
２１　・・・層流素子（流体抵抗）
２２　・・・細管
２３　・・・発熱抵抗
２４　・・・流量測定値算出部
３　　・・・流量制御部
ＳＭ　・・・センサモデル部
３１　・・・センサモデル記憶部
３２　・・・流量模擬値出力部
３３　・・・フィードバック制御部
３４　・・・センサモデル同定部
ＶＣ　・・・バルブ制御部
３５　・・・Ｑ－Ｖ特性記憶部
３６　・・・電圧出力部
３７　・・・Ｑ－Ｖ特性補正部
　＜本実施形態の構成＞
　本発明の一実施形態に係る流量制御装置について各図を参照しながら説明する。
　本実施形態の流量制御装置は、例えば半導体製造プロセスにおいて基板に対して蒸着される物質を含んだガスを予め定められた流量設定値Ｑｒで蒸着の行われるチャンバーを導入するために用いられるマスフローコントローラ１００である。
　このマスフローコントローラ１００は、図１に示されるように半導体製造プロセス中においてチャンバーへと連なる流路に対して流入口及び流出口が取り付けられて、その流路を流れるガスの流量を制御するものである。より具体的には前記マスフローコントローラ１００は、内部流路ＦＣと、前記内部流路ＦＣ上に設けられたバルブ１と、前記内部流路ＦＣを流れる流体の流量を測定する流量センサ２と、前記バルブ１の制御や各種演算を行う演算機構ＣＯＭと、を備え、これらの各部が１つの筐体内に収容されてモジュール化されたものである。
　各部について説明する。
　前記バルブは、ピエゾバルブ１であって後述するように電圧制御ではなく、電荷制御によってその開度が制御されるものである。
　前記流量センサ２は、流体の温度に基づいてその流量を測定する熱式流量センサ２であって、内部流路ＦＣ上に設けられた層流素子２１（流体抵抗）と、前記層流素子２１の前後をバイパスする金属製の細管２２と、前記細管２２の外側に巻き付けられた２つの発熱抵抗２３を有し、各発熱抵抗２３において温度が一定になるように保たれる定温度制御回路と、前記演算機構ＣＯＭによりその機能が実現されるものであり、各発熱抵抗２３に印加される電圧に基づいて流量を算出する流量測定値算出部２４と、から構成してある。この熱式流量センサ２は、圧力式流量センサと比較して、出力される流量測定値ＱＭと、実際に内部流路ＦＣ内を流れている流体の実流量値Ｑｒｅａｌとの間には大きな時間遅れが存在している。
　前記演算機構ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器等を備えたいわゆるコンピュータであって、各機器が協業して前記メモリに格納されている流量制御プログラムを実行することにより、少なくとも前述した流量測定値算出部２４及び前記ピエゾバルブ１によって流体の流量を制御する流量制御部３としての機能を発揮するものである。
　前記流量制御部３は、前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値ＱＭと、ユーザにより設定される流量設定値Ｑｒとに基づいて前記ピエゾバルブ１の開度を制御し、流体の流量を制御するものである。本実施形態では、フィードバック制御（ＦＢ制御）、フィードフォワード制御（ＦＦ制御）を組み合わせた２自由度制御によって前記流量制御部３は前記ピエゾバルブ１の開度を制御するように構成してある。そして、この流量制御部３は前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値ＱＭの実流量値に対する時間遅れを考慮した流量制御を実現し、理想的な過渡応答特性及び定常特性を得られるようにしてある。
　より具体的には図２の制御ブロック図に示すように前記流量制御部３は、ユーザにより設定される流量設定値Ｑｒと前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値ＱＭに基づいて流量フィードバック値ＱＦＢを生成するフィードバック制御系ＦＢＳと、流量設定値Ｑｒに基づいて流量フィードフォワード値ＱＦＦを生成するフィードフォワード制御系ＦＦＳと、流量フィードバック値ＱＦＢと、流量フィードフォワード値ＱＦＦに基づいて前記ピエゾバルブ１に印加するバルブ印加電圧ＶＳＥＴを制御して、当該ピエゾバルブ１の開度を制御するバルブ制御部ＶＣと、から構成してある。
　前記フィードバック制御系ＦＢＳは、流量設定値Ｑｒに基づいて前記熱式流量センサ２から現在出力されている流量測定値ＱＭを模擬する流量模擬値ＱＳＩＭを出力するセンサモデル部ＳＭと、前記センサモデル部ＳＭで出力される流量模擬値ＱＳＩＭと、前記熱式流量センサ２で実際に測定されている流量測定値ＱＭに基づいて流量フィードバック値ＱＦＢを出力するフィードバック制御部３３と、から構成してある。
　前記センサモデル部ＳＭは、流量設定値Ｑｒを入力、流量測定値ＱＭを出力とした場合の前記熱式流量センサ２の応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部３１と、流量設定値Ｑｒを入力した場合に前記センサモデルが出力する流量値である流量模擬値ＱＳＩＭを出力する流量模擬値出力部３２とから構成してある。
　前記センサモデル記憶部３１に記憶されているセンサモデルは、前記熱式流量センサ２の少なくともステップ応答特性を模擬するものであり、当該センサモデル記憶部３１は、その応答特性を表す伝達関数を記憶している。ここで注意すべきは、前記センサモデルは前記熱式流量センサ２をモデル化したものであって、前記ピエゾバルブ１及び前記バルブ制御部ＶＣはモデル化の対象となっていない点である。すなわち、時間経過や使用状態によってその応答特性が変化してしまうピエゾバルブ１をモデル内に含んでいないのでモデル化しやすく、しかも、大きなモデル化誤差を生まないようにできる。
　前記センサモデル記憶部３１で記憶されているセンサモデルは、センサモデル同定部３４によって本実施形態のマスフローコントローラ１００を開ループ制御した場合に測定される流量測定値ＱＭに基づいて同定されるものである。より具体的には、前記センサモデル同定部３４は前記マスフローコントローラ１００が流量制御モードではなくモデル同定モードに設定された場合にのみ動作するものである。そして、モデル同定モードにおいて前記センサモデル同定部３４は、図３（ａ）に示すように流量設定値Ｑｒとしてステップ入力が入力され、前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値ＱＭが所定の閾値ＴＨを超えた以降の開ループ応答特性を取得する。次に前記センサモデル同定部３４は、図３（ａ）において斜線によるハッチングが施してある領域であり、太線で示している無駄時間を略省いたステップ応答特性を、図３（ｂ）に示すように無駄時間を含まない形のステップ応答としてゼロ点へ平行移動させて、この平行移動後のステップ応答特性からセンサモデルの同定を行うように構成してある。
　図２に示される前記流量模擬値出力部３２は、前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値ＱＭが所定の閾値ＴＨ以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値Ｑｒに基づいて流量模擬値ＱＳＩＭの出力を開始するように構成してある。より具体的には、前記流量模擬値出力部３２は流量設定値Ｑｒの入力が始まり、流量制御が開始されても前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値ＱＭが閾値ＴＨとなるまでの間は流量模擬値ＱＳＩＭとしてゼロを出力し続ける。前記熱式流量センサ２で測定される流量測定値ＱＭが閾値ＴＨを超えた場合には、流量模擬値出力部３２は、流量測定値ＱＭが閾値ＴＨとなった時刻をゼロ点として前記センサモデル及び流量設定値Ｑｒに基づいて流量模擬値ＱＳＩＭを算出するようにしてある。
　図２に示される前記フィードバック制御部３３は、流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭの偏差に対してＰＩＤ演算を行い、流量フィードバック値ＱＦＢを算出するように構成してある。すなわち、前記バルブ制御部ＶＣ及び前記ピエゾバルブ１が理想的に動作しており、流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭとの間に偏差がなくゼロの場合には、前記バルブ制御部ＶＣは流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで前記ピエゾバルブ１が制御されることになる。一方、流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで前記ピエゾバルブ１の開度が制御されており、外乱等の影響により流量測定値ＱＭが流量模擬値ＱＳＩＭとは異なる値となった場合には流量フィードバック値ＱＦＢが何らかの値を持つことになる。したがって、想定通りに流量測定値ＱＭが出力されていない場合のみ流量フィードフォワード値ＱＦＦが流量フィードバック値ＱＦＢによって修正されて前記ピエゾバルブ１の開度が修正される条件付フィードバック構造となっている。
　前記フィードフォワード制御系ＦＦＳは、本実施形態では受け付けられた流量設定値Ｑｒをそのまま流量フィードフォワード値ＱＦＦとして前記バルブ制御部ＶＣへと出力するように構成してある。図２のブロック線図では該当箇所にブロックを記載していないが、厳密に記載するならば、入力された流量設定値Ｑｒに対して１倍して、流量フィードフォワード値ＱＦＦとして出力するフィードフォワード制御部（図示しない）として表される。
　前記バルブ制御部ＶＣは、流量フィードフォワード値ＱＦＦと流量フィードバック値ＱＦＢの和が流量入力値ＱＩＮとして入力され、その流量入力値ＱＩＮを実現する前記ピエゾバルブ１の開度に対応するバルブ印加電圧ＶＳＥＴを前記ピエゾバルブ１へ印加するように構成してある。より具体的には前記バルブ制御部ＶＣは、前記バルブ印加電圧ＶＳＥＴと、前記バルブ印加電圧ＶＳＥＴが印加された場合に流路に流れる流体の流量との関係であるＱ－Ｖ特性を記憶するＱ－Ｖ特性記憶部３５と、前記Ｑ－Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値ＱＦＦ及び流量フィードバック値ＱＦＢの和である流量入力値ＱＩＮに対応するバルブ印加電圧ＶＳＥＴを算出し、算出されたバルブ印加電圧ＶＳＥＴを前記ピエゾバルブ１に出力する電圧出力部３６と、から構成してある。
　ところで、前記ピエゾバルブ１は電圧制御した場合、そのＱ－Ｖ特性にはヒステリシスが発生する事が知られている。本実施形態ではこのヒステリシスを表れにくくし、流量制御精度をより高めるために電荷制御により前記ピエゾバルブ１の開度を制御するようにしてある。すなわち、図４に示すように静電容量が温度変化等の外乱影響によって変化しにくい基準コンデンサ１１の一端を前記ピエゾバルブ１に対して直列に接続するとともに、他端を接地しておき、前記バルブ制御部ＶＣが、前記ピエゾバルブ１に印加されている電圧を前記バルブ印加電圧ＶＳＥＴで保つように構成してある。すなわち、前記ピエゾバルブ１の静電容量の両端において印加電圧で保たれるようにオペアンプ１２によりフィードバック回路が構成してある。このように構成することで、前記ピエゾバルブ１中の静電容量が変化したとしても同じ印加電圧が印加された場合には常に同じ電荷となるため、Ｑ－Ｖ特性のヒステリシスを略無くすことができる。以下の説明に用いられるＱ－Ｖ特性を示した図においてヒステリシスが示されていないのはこのような構成を前提としているためである。
　さらに図２に示すように、本実施形態では流量フィードバック値ＱＦＢに基づいて、前記Ｑ－Ｖ特性記憶部３５に記憶されているＱ－Ｖ特性を補正するＱ－Ｖ特性補正部３７をさらに備えている。このＱ－Ｖ特性補正部３７は、流量フィードバック値ＱＦＢが略ゼロで維持されており、流量フィードフォワード値ＱＦＦによる流量制御のみで所望の応答特性を実現できている場合には、前記Ｑ－Ｖ特性を補正しない。一方、流量フィードバック値ＱＦＢがゼロ以外の値が出ている場合には、この流量フィードバック値ＱＦＢの積分値により前記Ｑ－Ｖ特性記憶部３５に記憶されているＱ－Ｖ特性について所定方向に平行移動させて補正し、次回のステップ応答時には流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで所望の応答特性が得られるようにする。
　より具体的には、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７は、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値ＱＦＢの積分値が正の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成してある。
　＜本実施形態の動作＞
　以下に本実施形態のマスフローコントローラ１００の制御動作、及び、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７の補正動作について具体的な流量制御例を用いながら説明する。
　まず、１回のステップ応答において流量フィードフォワード値ＱＦＦだけでは理想的な応答特性が得られなかった場合について図５を参照しながら説明する。
　図５（ａ）には、流量設定値Ｑｒとしてステップ入力が入力されている場合の実流量値Ｑｒｅａｌ、流量模擬値ＱＳＩＭ、流量測定値ＱＭの応答が示してある。なお、実流量値Ｑｒｅａｌは前記熱式流量センサ２の出力を前記センサモデルの伝達関数の逆数に通すことで得ることができる。
　図５においては、何らかの原因で前記ピエゾバルブ１のＱ－Ｖ特性が初期設定から変化しているため、実流量値ＱｒｅａｌはまずＦＦ制御によって実現される流量設定値Ｑｒよりも小さい流量で一度安定し、その後ＦＢ制御によって偏差が修正されて流量設定値Ｑｒ通りに安定している。
　このような流量制御となる理由は概略以下の通りである。
　前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値ＱＭは実流量値Ｑｒｅａｌに対して時間遅れを有しているので図５（ａ）に示すように流量測定値ＱＭは実流量値Ｑｒｅａｌの立ち上がり点から所定時間経過後に立ち上がることになる。この実流量値Ｑｒｅａｌの立ち上がり点から流量測定値ＱＭの立ち上がり点までの区間ある第１区間では、流量測定値ＱＭが閾値ＴＨを超えていない状態なので前記センサモデル部ＳＭは流量模擬値ＱＳＩＭとしてゼロを出力し続けている。したがって、この第１区間においては流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭの偏差はゼロであるから図５（ｂ）に示すように前記フィードバック制御部３３も流量フィードバック値ＱＦＢとしてゼロを出力し続けている。すなわち、第１区間においてはＦＦ制御のみが行われているため流量設定値Ｑｒと実流量値Ｑｒｅａｌに偏差が生じていてもその偏差は修正されない。また、図５（ｃ）に示すように、この第１区間において前記バルブ制御部ＶＣは流量フィードフォワード値ＱＦＦのみによって現在のＱ－Ｖ特性から参照し、印加すべきバルブ印加電圧ＶＳＥＴとして電圧ＶＳＥＴ１を取得して、その電圧ＶＳＥＴ１を前記ピエゾバルブ１に対して印加し続けている。
　次に流量測定値ＱＭの立ち上がり点以降の区間である第２区間では、流量測定値ＱＭが閾値ＴＨを超えた時点から前記センサモデル部ＳＭはセンサモデルに基づいた流量模擬値ＱＳＩＭの出力を開始する。すると第２区間においては図５（ａ）のハッチング部分に示すように流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭとの間にゼロ以外の偏差が生じるので、図５（ｂ）に示すように前記フィードバック制御部３３はゼロ以外の流量フィードバック値ＱＦＢを出力してＦＢ制御を開始する。流量フィードバック値ＱＦＢは最終的に流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭの偏差が無くなった時点での値で一定となり、実流量値Ｑｒｅａｌも流量設定値Ｑｒの通りに安定することになる。また、図５（ｃ）に示すようにこの第２区間において前記バルブ制御部ＶＣは、流量フィードフォワード値ＱＦＦと流量フィードバック値ＱＦＢの和によって現在のＱ－Ｖ特性を参照し、印加すべきバルブ印加電圧ＶＳＥＴとして電圧ＶＳＥＴ２を取得して、その電圧ＶＳＥＴ２を印加する。
　このようにＦＦ制御だけでなくＦＢ制御も加えられることになるのは、前記Ｑ－Ｖ特性記憶部３５に記憶されている現在のＱ－Ｖ特性が図５（ｃ）に示すように太線で示すようなものであるのに対して、実際のＱ－Ｖ特性が想像線で示すような態様であり実際に印加されるべきバルブ印加電圧ＶＳＥＴよりも小さい値が参照されているからである。
　そこで、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７は流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで実際に印加されるべきバルブ印加電圧ＶＳＥＴがＱ－Ｖ特性から取得されるようにＱ－Ｖ特性を補正し前記Ｑ－Ｖ特性記憶部３５に記憶させるよう動作する。
　具体的には、図５（ｂ）のハッチング部分に示すように流量フィードバック値ＱＦＢが出力されており、所定期間内の積分値が正であった場合には、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７は、現在のＱ－Ｖ特性をＶ軸正方向へ平行移動させたＱ－Ｖ特性に補正する。この際の平行移動量については第２区間の安定状態で参照されていた電圧ＶＳＥＴ２が現在の流量フィードフォワード値ＱＦＦで参照されるように設定する。
　逆に流量設定値Ｑｒによりも大きな値で実流量値Ｑｒｅａｌが安定してしまい、流量フィードバック値ＱＦＢの積分値が負になるような場合には、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７は現在のＱ－Ｖ特性をＶ軸負方向へ平行移動させたＱ－Ｖ特性に補正する。
　このように前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７によってＱ－Ｖ特性が補正された後の２回目のステップ応答について図６を参照しながら説明する。
　図６（ａ）の第１区間においては図５と同様に流量フィードフォワード値ＱＦＦのみが出力されるが、１回目のステップ応答により前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７がＱ－Ｖ特性を補正しているので、図６（ｃ）に示すように流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで前記バルブ制御部ＶＣが取得するバルブ印加電圧ＶＳＥＴは電圧ＶＳＥＴ２に変化する。このため、流量フィードフォワード値ＱＦＦのみでも目標である流量設定値Ｑｒを略達成できるので、図６（ａ）、図６（ｂ）に示されるように流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭの偏差は略発生せず、ＦＢ制御もほとんど行われない。すなわち、ＦＦ制御のみで実質的に流量設定値Ｑｒの通りに流量制御が実現される。
　＜実施形態の効果＞
　以上のように本実施形態のマスフローコントローラ１００によれば、前記センサモデル部ＳＭは流量測定値ＱＭの値をトリガとして時間遅れを発生させた形でＦＦ制御が正常に実現した場合の理想的な流量模擬値ＱＳＩＭを出力できるように構成してあるので、前記熱式流量センサ２から出力される流量測定値ＱＭの時間遅れと合わせたものにできる。したがって、流量制御開始時に流量模擬値ＱＳＩＭと流量測定値ＱＭの時間遅れが一致していないために大きな偏差が発生し、ＦＢ制御がかかり過ぎることでオーバーシュートが起こったり、制御が不安定になったりすることを防ぐことができる。
　また、流量測定値ＱＭの値をトリガとして時間遅れを実装しているので、前記センサモデル同定部３４はセンサモデルを時間遅れまで含んだ形の伝達関数として同定する必要がなく、モデル化精度を高めることができる。このことによってモデル化誤差を小さくして流量制御の安定性を高めることができる。
　さらに、前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７が、流量フィードバック値ＱＦＢに基づいてＱ－Ｖ特性を流量フィードフォワード値ＱＦＦのみで適正なバルブ印加電圧ＶＳＥＴが印加されるように適宜補正していくように構成してあるので、略常に高速な応答を実現することができる。言い換えると、このマスフローコントローラ１００はＱ－Ｖ特性が正常な間は略流量フィードフォワード値ＱＦＦによるＦＦ制御のみで流量を制御し、高速応答を実現しているが、万が一、Ｑ－V特性が外乱影響等により変化した場合にはＦＢ制御が働き、多少の遅れは発生するものの流量設定値Ｑｒは確実に実現される。さらに、このようなＱ－Ｖ特性の変化があり、ＦＢ制御が行われた場合には、併せて前記Ｑ－Ｖ特性補正部３７がＱ－Ｖ特性を実際の状態を表すものとなるように補正するので、次回以降のステップ応答については再びＦＦ制御のみで高速応答を実現できるようになる。
　その他の実施形態について説明する。
　前記実施形態では、バルブとしてピエゾバルブ、流量センサとして熱式流量センサを用いていたが、その他のものを用いても構わない。より具体的には、バルブとしてソレノイドバルブ等を用いてもよいし、流量センサとして圧力式流量センサを用いても構わない。また、バルブ、流量センサが内部流路上において並んでいる順番は図示されたものに限られず、様々な順番であってもよい。
　例えば、前記センサモデル同定部、前記Ｑ－Ｖ特性補正部を省略した形でマスフローコントローラを構成してもよい。すなわち前記実施形態で示した２自由度型の流量制御装置を構成し、センサモデル、Ｑ－Ｖ特性については工場出荷時の状態を維持するようにしても構わない。また、前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていればよく、前記実施形態に示した流量測定値をトリガ－として流量模擬値の出力を開始するものに限られない。
　例えば、前記センサモデル記憶部に記憶されている流量センサのセンサモデルが時間遅れ要素を含んで同定されていないものの場合、前記流量模擬値出力部が流量設定値の入力が開始されて流量制御が開始されてから、所定時間経過後に流量設定値及びセンサモデルに基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成してもよい。あるいいは、前記センサモデル記憶部が実流量値に対する流量測定値の時間遅れを含めてモデル化されたセンサモデルを記憶している場合には、前記流量模擬値出力部は流量設定値の入力と同時に当該流量設定値とセンサモデルに基づいて流量模擬値の算出及び出力を開始するようにしてもよい。
　前記実施形態では流量フィードフォワード値は、流量設定値と同じにしていたが、例えば流量設定値から時間変化率が大きすぎる部分等をＳ字補間する等したフィルタ後の値を流量フィードフォワード値として用いてもよい。
　前記Ｑ－Ｖ特性補正部は、流量フィードバック値の積分値に基づいてＱ－Ｖ特性の補正する方向を定めていたが、その積分値に基づいて補正量まで決めても構わない。また、前記実施形態ではＱ－Ｖ特性をＶ軸方向に平行移動させることでＱ－Ｖ特性の補正を行っていたが、例えばＱ軸方向に平行移動させる、流量フィードバック値に基づいた所定の係数をＱ－Ｖ特性に掛ける、等様々な方法で補正しても構わない。
　また、前記実施形態では平行移動によってＱ－Ｖ特性の全体について補正を行うように前記Ｑ－Ｖ特性補正部は構成されていたが、前記Ｑ－Ｖ特性補正部は、Ｑ－Ｖ特性の一部分のみを補正するように構成されたものであってもよい。例えば、流量設定値として設定されている流量に対応する部分のバルブ印加電圧のみをＱ軸又はＶ軸方向に補正してもよい。
　前記実施形態のバルブ制御部は、電荷制御によりバルブの開度を制御するように構成してあったが、その他の制御態様であっても構わない。例えば、図７に示すようにバルブの開度を直接測定する開度センサ３８を用いて、流量測定値のフィードバックループとは別にバルブ開度制御用のマイナーループを形成したバルブ制御部ＶＣを構成してもよい。
　より具体的には、図７に示すバルブ制御部ＶＣは、フィードフォワード制御系ＦＦＳとフィードバック制御系ＦＢＳにより算出される流量入力値ＱＩＮに基づいて、設定すべき開度を算出する開度算出部４０を備えている。前記開度算出部４０は、前記ピエゾバルブ１の流量－開度（コンダクタンス）との関係であるＱ－Ｃ特性を記憶するＱ－Ｃ特性記憶部３９を参照し、流量入力値ＱＩＮに対応する開度設定値を算出する。前記マイナーループを構成する前記電圧出力部３６は、前記実施形態とその構成が異なっており、前記開度センサ３８により測定されたピエゾバルブ１の現在の開度測定値と、前記開度設定値の偏差に基づいてピエゾバルブ１に印加する印加電圧ＶＳＥＴを決定し、前記ピエゾバルブ１へ出力するように構成してある。このようなものであれば、前記ピエゾバルブ１の開度を直接モニタリングし、その開度が開度設定値となるようにマイナーループによるフィードバック制御が行われるので、バルブの電圧－開度間におけるヒステリシスを低減し、精度の良い流量制御を実現することができる。なお、開度については弁体の位置を直接測定し、その位置から開度を求めてもよいし、その他の手段で間接的に開度を算出しても構わない。また、弁体の位置そのものをフィードバックして、流量制御を行うように構成して構わない。
　上述したような前記バルブ制御部は、電荷制御又は開度制御でバルブの開度を制御するものだけでなく、バルブに印加する電圧を制御する電圧制御や、電流を制御する電流制御によって所望の開度又は流量を得られるように構成してもよい。
　また、流量入力値ＱＩＮと、バルブのＱ－Ｖ特性やＱ－Ｃ特性に基づいて前記電圧出力部からバルブへ出力される電圧が決定していたが、さらに、バルブの上流側の圧力を考慮して、実現した流量に対応する開度がバルブで実現されるようにバルブ制御部を構成してもよい。より具体的には、前記実施形態等ではバルブの特性として２次元的なＱ－Ｖ特性やＱ－Ｃ特性を記憶部に記憶させていたが、さらに圧力軸を加えた３次元的なマップとなるＱ－Ｖ－Ｐ特性やＱ－Ｃ－Ｐ特性を記憶しておき、入力された流量入力値ＱＩＮと現在のバルブ上流側の圧力に対応する電圧Ｖや開度Ｃが出力されるようにバルブ制御部を構成してもよい。また、前記実施形態のＱ－Ｖ特性補正部は、流量フィードバック値に基づいてＱ－Ｖ－Ｐ特性、Ｑ－Ｃ－Ｐ特性を補正するＱ－Ｖ－Ｐ特性補正部、Ｑ－Ｃ－Ｐ特性補正部として構成してもよい。加えて、変位センサ等で測定された弁体の位置又は開度Ｔをフィードバックして流量Ｑを制御するように流量制御装置を構成している場合には、前記実施形態のＱ－Ｖ特性記憶部をＱ－Ｔ特性記憶部とするとともに、Ｑ－Ｖ特性補正部を流量フィードバック値に基づいてＱ－Ｔ特性を補正するＱ－Ｔ特性補正部として構成すればよい。さらに、前述したように前記バルブの上流側の圧力まで考慮して制御する場合には、前記Ｑ－Ｔ特性記憶部は圧力軸を含めた３次元の流量特性を記憶するＱ－Ｔ－Ｐ特性記憶部として構成してもよい。さらに、前記Ｑ－Ｔ特性補正部は、流量製フィードバック値に基づいてＱ－Ｔ－Ｐ特性を補正するＱ－Ｔ－Ｐ特性補正部として構成してもよい。
　前記実施形態の２自由度型の制御系は、流量制御のために用いていたが例えば圧力制御のために用いても構わない。この場合、前記流量センサが圧力センサとなり、センサモデル部のセンサモデルは前記圧力センサの出力特性を模擬するものにすればよい。
　また、前記実施形態に記載した流量制御部を構成するためのプログラムを既存の流量制御装置にインストールすれば同様の流量制御効果を得られるようにしてもよい。
　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。
　本発明の流量制御装置を用いれば、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバー内に成分ガスを所定の流量で精度よく導入する事が可能となる。

Claims (9)

  1. 　流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、
    　前記流路に設けられたバルブと、
    　前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部と、を備え、
    　前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、
    　流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、
    　流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、
    　流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、
    　前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
  2. 　前記流量模擬値出力部が、前記流量センサで測定される流量測定値が所定の閾値以上となってから、前記センサモデル及び流量設定値に基づいて流量模擬値の出力を開始するように構成されている請求項１記載の流量制御装置。
  3. 　前記バルブ制御部が、前記バルブ印加電圧と、前記バルブ印加電圧が前記バルブに印加された場合に前記流路に流れる流体の流量との関係であるＱ－Ｖ特性を記憶するＱ－Ｖ特性記憶部と、
    　前記Ｑ－Ｖ特性に基づいて、流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値の和である流量入力値に対応するバルブ印加電圧を算出し、算出されたバルブ印加電圧を前記バルブに出力する電圧出力部と、から構成されており、
    　流量フィードバック値に基づいて、前記Ｑ－Ｖ特性記憶部に記憶されているＱ－Ｖ特性を補正するＱ－Ｖ特性補正部をさらに備えた請求項１記載の流量制御装置。
  4. 　前記Ｑ－Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値が正の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸正方向にオフセットさせて補正し、前記積分値が負の場合には前記Ｑ－Ｖ特性をＶ軸負方向にオフセットさせて補正するように構成されている請求項３記載の流量制御装置。
  5. 　前記Ｑ－Ｖ特性補正部が、流量制御開始時から所定時間以内における流量フィードバック値の積分値の絶対値に基づいて、前記Ｑ－Ｖ特性のＶ軸方向のオフセット量を決定するように構成されている請求項４記載の流量制御装置。
  6. 　流量設定値としてステップ入力が入力され、前記流量センサから出力される流量測定値が前記閾値を超えた以降の開ループ応答特性に基づいて前記センサモデルを同定するセンサモデル同定部をさらに備えた請求項１に記載の流量制御装置。
  7. 　前記バルブが、ピエゾバルブであり、
    　前記ピエゾバルブと直列に接続されており、一端が接地された基準コンデンサをさらに備え、
    　前記バルブ制御部が、前記ピエゾバルブに印加されている電圧を前記バルブ印加電圧で保つように構成されている請求項１に記載の流量制御装置。
  8. 　前記流量センサが、熱式流量センサである請求項１に記載の流量制御装置。
  9. 　流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流路に設けられたバルブと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御プログラムであって、
    　前記流量制御プログラムが、前記流量センサで測定される流量測定値と、流量設定値とに基づいて前記バルブにより流量を制御する流量制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
    　前記流量制御部が、前記流量センサの応答特性を模擬するセンサモデルを記憶するセンサモデル記憶部と、
    　流量設定値及び前記センサモデルに基づいて算出される流量値である流量模擬値を出力する流量模擬値出力部と、
    　流量測定値及び流量模擬値の偏差に基づいて、流量フィードバック値を出力するフィードバック制御部と、
    　流量設定値から算出される流量フィードフォワード値及び流量フィードバック値に基づいて、前記バルブを制御するバルブ制御部と、から構成されており、
    　前記流量模擬値出力部が、所定の時間遅れを含む流量模擬値を出力するように構成されていることを特徴とする流量制御プログラム。
     
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