JP6799862B2 - 流量信号補正方法およびこれを用いた流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量信号補正方法およびこれを用いた流量制御装置に関し、特に、半導体や化学品、薬品、精密機械部品等の製造に用いられる圧力式流量制御装置に適用される流量信号補正方法に関する。

半導体製造装置や化学プラントにおいて、材料ガスやエッチングガス等の流量を制御するために、種々の流量計および流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、ピエゾ素子駆動型の圧力制御弁と絞り部（例えばオリフィスプレート）とを組み合せた簡単な機構によってガス等の各種流体の流量を高精度で制御することができるので利便性高く利用されている。

特許文献１には、絞り部の上流側に設けられた圧力センサを用いて流量を制御するように構成された圧力式流量制御装置が開示されている。特許文献１に記載の圧力式流量制御装置は、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（Ｐ１：絞り部上流側のガス圧力、Ｐ２：絞り部下流側のガス圧力）を満たすとき、絞り部を通過するガスの流速は音速に固定され、流量Ｑは上流側のガス圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行っている。この方式によれば、上流側のガス圧力Ｐ１を制御するだけで高精度に流量Ｑを制御することができる。

ここで、圧力式流量制御装置を用いた流量制御の具体例について説明する。まず、上流側に設けられた圧力センサによって圧力Ｐ１が測定され、その測定結果が通常はディジタル信号に変換されて演算処理装置に入力される。演算処理装置は、入力された測定結果に基づいて、絞り部を通過するガスの流量Ｑｃを演算によって求める。なお、流量Ｑｃはガス温度にも依存するので、実際には、圧力Ｐ１とガス温度Ｔ１とに基づいて流量Ｑｃが算出されることが多い。

次に、算出された流量Ｑｃとユーザが入力した設定流量Ｑｓとの差ΔＱが求められ、この差ΔＱに対応する制御信号が、圧力制御弁に設けられたピエゾ素子駆動部に入力される。これを受け、圧力制御弁は開閉動作を行い、上流のガス圧力Ｐ１を変化させる。その後、ガスの流量Ｑｃおよび差ΔＱが、再度、圧力センサ（および温度センサ）の出力に基づいて求められる。この動作は差ΔＱが０に達するまで繰り返し行われ、これによって、ユーザが指定した設定流量Ｑｓに流量Ｑｃを制御することができる。

特開２００４−２１２０９９号公報 特開平５−７９８７３号公報

上述の圧力式流量制御装置は、絞り部の上流側の圧力制御のみで流量を制御できるので、外乱の影響をほとんど受けず、また、応答性が非常に良好であるという利点を有している。しかし、応答性が高い反面、実際のガス流量が安定しているにもかかわらず、流量を示す出力信号が一定の値を示さない現象が観察される場合があった。これは、圧力センサの出力に基づいてディジタルの流量出力信号を生成するときに、量子化誤差などが影響して信号にふらつきが生じるためであると考えられる。

このため、圧力式流量制御装置において、特に流量安定時に、信号ふらつきが抑制された流量信号を出力することが求められていた。このような信号の揺れを抑制する技術としては、例えば、特許文献２に、電磁流量計におけるノイズ除去を行うための信号処理が記載されている。ただし、特許文献２は、電磁流量計の出力全体について予め設定した変動幅に収まるようにデータを加工することを記載するのみであり、この方法を圧力式流量制御装置に適用した場合には応答性が犠牲になるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、適切な流量出力信号を得るための流量信号補正方法およびこれを用いた流量制御装置を提供することをその目的とする。

本発明の実施形態による流量出力信号補正方法は、絞り部を有し前記絞り部の上流側の圧力を制御することによって流量を制御するように構成された圧力式流量制御装置に適用される流量信号補正方法であって、前記絞り部の上流側に設けられた圧力センサの出力に基づいて、流量を示す１次信号を生成するステップと、前記１次信号の現在値と前記１次信号の単数または複数の過去値の情報を含む値とを用いて所定の関係式により補正された現在値を導出するように、前記１次信号の補正信号としての２次信号を生成するステップとを包含し、流量安定期間において前記２次信号を流量信号として出力し、過渡変化期間において前記２次信号を流量信号として出力しない。

ある実施形態において、前記過渡変化期間に前記１次信号を流量信号として出力する。

ある実施形態において、前記１次信号の単数または複数の過去値の情報を含む値は、前記２次信号の前回値である。

ある実施形態において、前記２次信号の現在値は、前記１次信号の現在値と前記２次信号の前回値との差に基づいて算出された補正変化量を、前記２次信号の前回値に加算することによって導出される。

ある実施形態において、前記補正変化量は、前記１次信号の現在値と前記２次信号の前回値との差を１を超える除数で除算することによって求められる。

ある実施形態において、前記２次信号を生成するステップおよび前記２次信号を流量信号として出力するステップは、前記流量設定信号の変化が生じてから所定時間経過後の開始点から前記流量設定信号の次の変化が生じる終了点までの間、継続的に行われる。

ある実施形態において、前記圧力式制御装置は、前記絞り部および前記圧力センサの上流側に制御弁を有し、前記制御弁は、前記流量設定信号と前記圧力センサの出力とを用いてフィードバック制御されており、前記制御弁がフィードバック制御された結果得られた圧力センサの出力に基づいて前記１次信号が生成される。

本発明の実施形態による流量制御装置は、上記のいずれかの流量信号補正方法を用いて流量信号の出力を行う。

本発明の実施形態によれば、圧力式流量制御装置における流量出力信号を適切に補正することができ、応答性を損なうことなく流量安定時における流量出力信号の安定化を図ることができる。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置の構成を模式的に示す模式図である。 補正前の流量出力信号（１次信号）と、補正後の流量出力信号（２次信号）との関係を示すグラフである。 外部からの流量設定信号と、補正処理期間との関係を示すグラフである。 （ａ）は１次信号を示すグラフであり、（ｂ）は２次信号を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置１０の構成を模式的に示す図である。流量制御装置１０は、微細な貫通孔を有する絞り部（典型的にはオリフィスプレート）１２と、絞り部１２の上流側に設けられた圧力センサ１４および温度センサ１６と、圧力センサ１４の上流側に設けられた制御弁１８とを備えている。また、絞り部１２の下流側は、半導体製造装置で真空プロセスを行うための真空ポンプ（図示せず）に、電磁弁やＡＯＶ（ａｉｒ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｖａｌｖｅ）などの開閉弁を介して接続されている。

圧力センサ１４は上流側のガス圧力Ｐ１を測定し、その測定結果をＡ／Ｄコンバータ２０に出力する。Ａ／Ｄコンバータ２０は、入力された測定結果からガス圧力Ｐ１を示すディジタル信号Ｓｐを生成し、これを制御回路３０へと出力する。なお、流量制御装置１０では、温度センサ１６の出力もＡ／Ｄコンバータ２２によってディジタル信号に変換されて制御回路３０に出力される。

制御回路３０は、受け取ったディジタルの圧力信号Ｓｐと温度信号Ｓｔとから、流量Ｑｃを演算する。流量制御装置１０では、真空ポンプによって下流側が低圧に保たれるので、上流側圧力Ｐ１／下流側圧力Ｐ２≧約２（臨界膨張条件）を満たすものとして流量Ｑｃを算出する。臨界膨張条件を満たすとき、流量Ｑｃは、次の式によって与えられる。

Ｑｃ＝Ｓ・Ｃ・Ｐ１／Ｔ１^1/2
ここで、Ｓはオリフィス断面積、Ｃはガス物性によって決まる定数（フローファクタ）、Ｔ１は上流側ガス温度である。ガス温度Ｔ１およびフローファクタＣが一定であるとき、流量Ｑｃは、上流側圧力Ｐ１に比例するものとして求めることができる。つまり、流れるガスの種類が一定で温度も不変であると考えられる場合において、例えば、上流側圧力が２０Ｔｏｒｒのときに流量が１０ｓｃｃｍであることが判っているとき、制御弁１８を操作して上流側圧力を２００Ｔｏｒｒに設定することによって流量を１００ｓｃｃｍに制御することができる。このように、本実施形態の圧力式流量制御装置１０は、絞り部１２の上流側の圧力Ｐ１を制御することによって流量を制御することができるように構成されている。なお、上流側圧力と下流側圧力との差が小さく上記の臨界膨張条件を満足しない場合、絞り部の下流側に設けた圧力センサ（図示せず）によって下流側圧力Ｐ２を求め、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２とに基づいて、所定の計算式Ｑｃ＝ＫＰ２^m（Ｐ１−Ｐ２）ⁿ（但しＫ、ｍ、ｎは定数）を用いて流量Ｑｃを算出することもできる。

圧力式流量制御装置１０において、図示しない入力装置を介してユーザは設定流量Ｑｓを任意に設定することができる。このユーザ入力に基づいて流量設定信号Ｓｓが生成され、流量制御装置１０に入力される。これを受け、制御回路３０は流量設定信号Ｓｓにしたがって流量を制御するように制御弁１８の開閉動作を制御する。制御弁１８は例えば金属製ダイヤフラム弁体を備えており、これに接続されたピエゾ素子駆動部（圧電アクチュエータ）１９に制御信号を送ることによって弁の開閉動作を行うことができる。

なお、入力された流量設定信号Ｓｓに基づいて上流側圧力Ｐ１および流量Ｑｃを制御する動作は、公知の方法で行われてよい。例えば、上述したように、設定流量Ｑｓと演算により求められた流量Ｑｃとの差ΔＱが０または許容誤差範囲内になるまで制御弁１８の開度調整を繰り返すフィードバック制御を行うことによって、高い精度でガス流量を設定流量Ｑｓに設定することができる。また、このような上流側の圧力制御を行う圧力制御装置は、例えば、本出願人による特開２０１５−１０９０２２号公報に開示されている。参考のために、特開２０１５−１０９０２２号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。

上記の制御動作において、制御弁１８がフィードバック制御された結果得られた圧力センサ１４の出力が、Ａ／Ｄコンバータ２０においてディジタルの圧力信号Ｓｐに変換され、制御部３０は、入力された圧力信号Ｓｐに基づいて流量Ｑｃを示す出力信号としての流量信号Ｓｑを生成する。ただし、Ａ／Ｄコンバータ２０が出力するディジタルの圧力信号Ｓｐは量子化誤差を含んでいる。このため、圧力信号Ｓｐに基づいて算出された流量信号Ｓｑも量子化誤差を含むものとなる。その結果、絞り部１２を流れるガスの実際の流量が略一定であるにもかかわらず、外部に出力（表示）された流量信号Ｓｑが揺れを示す場合がある。

このような問題に対処するために、本実施形態の圧力式流量制御装置１０は、流量安定時において、流量信号に対して補正処理を施してから出力する。この補正処理は、後に詳述するように、流量が比較的大きく変動すると見なされる期間（過渡変化期間）を除く流量安定期間において選択的に行われる。補正処理の開始および終了を示すタイミング信号は、例えば、制御回路に設けられた解析部において外部入力された流量設定信号を解析し、その結果に基づいて生成することができる。以下、流量安定時に行われる補正処理の具体例を説明する。

図２は、実線および黒丸で示す補正前の流量出力信号Ｓ１（以下、１次信号と呼ぶ場合がある）と、破線および白丸で示す補正後の流量出力信号Ｓ２（以下、２次信号と呼ぶ場合がある）とを示すグラフである。１次信号Ｓ１はディジタル信号であり、圧力センサ１４の出力をＡ／Ｄコンバータ２０にて制御周期（サンプリング周期）ごとに標本化および量子化することによって得られた離散的な圧力信号Ｓｐに対応する流量出力信号である。制御周期は、例えば０．５ｍｓに設定される。

図２に示すように、補正処理が開始された最初のタイミングｔ０（グラフの一番左側の点）において、２次信号の現在値Ｖ２（ｔ０）は、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ０）と同じに設定される。そして、次の制御タイミングｔ１において１次信号の現在値Ｖ１（ｔ１）が与えられると、２次信号の現在値Ｖ２（ｔ１）は、２次信号の前回値Ｖ２（ｔ０）に補正変化量ΔＶ’を加算した値に設定される。ここで、補正変化量ΔＶ’は、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ１）と２次信号の前回値Ｖ２（ｔ０）との差ΔＶを、１を超える所定の除数で除算した値である。除数は、例えば、（変数＋１）で表され、変数を変更することによって、補正の度合いを任意に設定することができる。

上記の補正変化量ΔＶ’は、上記の差ΔＶを１超の除数で除算したもの（すなわち、差ΔＶに１未満の乗数をかけたもの）であるので、差ΔＶよりも必ず小さい値となる。言い換えると、２次信号の現在値Ｖ２（ｔ１）は、２次信号の前回値Ｖ２（ｔ０）と１次信号の現在値Ｖ１（ｔ１）との間の値を取るように決定される。このため、２次信号は、１次信号に比べて信号の揺れが低減されたものとなる。

また、上記の除数は、２次信号の現在値Ｖ２（ｔ１）を決定する際に、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ１）を２次信号の前回値Ｖ２（ｔ０）にどの程度反映させるかを表す指標に対応する。除数を大きくとればとるほど、２次信号の前回値から現在値への変化はより小さいものとなり、信号の揺れが抑制される。このため、上記の除数は、所望の信号安定度が達成される程度の大きさに適切に設定されればよい。

再び図２を参照して補正処理を説明する。上記のようにして制御タイミングｔ１での２次信号の現在値Ｖ２（ｔ１）が得られた後、次の制御タイミングｔ２で１次信号の現在値Ｖ１（ｔ２）が与えられると、上記と同様に、補正変化量ΔＶ’（すなわち、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ２）と２次信号の前回値Ｖ２（ｔ１）との差ΔＶを１超の所定の除数で割った値）を２次信号の前回値Ｖ２（ｔ１）に加算して、２次信号の現在値Ｖ２（ｔ２）を決定する。その後も同様であり、制御タイミングｔ３での２次信号の現在値Ｖ２（ｔ３）は、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ３）と２次信号の前回値Ｖ２（ｔ２）とから求められる補正変化量ΔＶ’を２次信号の前回値Ｖ２（ｔ２）に加えることによって算出され、制御タイミングｔ４での２次信号の現在値Ｖ２（ｔ４）は、１次信号の現在値Ｖ１（ｔ４）と２次信号の前回値Ｖ２（ｔ３）とから求められる補正変化量ΔＶ’を２次信号の前回値Ｖ２（ｔ３）に加えることによって算出される。

上記の態様において、現在の制御タイミングをｔｎとし、前回の制御タイミングをｔｎ−１とすると、二次信号の現在値Ｖ２（ｔｎ）は下記の一般式で表すことができ、これを２次信号の現在値Ｖ２（ｔｎ）を決定するための所定の関係式として用いることができる。下記式において、αは０＜α＜１を満たす係数である。
Ｖ２（ｔｎ）＝Ｖ２（ｔｎ−１）＋α（Ｖ１（ｔｎ）−Ｖ２（ｔｎ−１））＝αＶ１（ｔｎ）＋（１−α）Ｖ２（ｔｎ−１）

なお、上記に説明した補正処理では、１次信号の現在値と２次信号の前回値とを用いて２次信号の現在値を算出しているが、２次信号の前回値は、１次信号の前回値と２次信号の前々回値とから算出されている。そして、２次信号の前々回値は、１次信号の前々回値と、２次信号の前々々回値とから算出されている。つまり、元をたどると、上記の補正処理における２次信号の現在値は、現在および過去の全ての１次信号の値の情報を含むものとして算出されており、現在値に近い順に重みづけを大きくしたものに対応する。１次信号の現在値と２次信号の前回値とを用いる補正処理は、処理の容易さや、１次信号への適度な追従性の観点から好適な態様である。

ただし、これに限られず、２次信号の現在値を、１次信号の現在値と、１次信号における任意の単数または複数の過去値とから求める他の態様も考えられる。本発明の実施形態では、１次信号の現在値と、１次信号の過去値に関する情報を含む値とを用いて、所定の関係式により２次信号の現在値を決定するものである限り、種々の補正方法を採用することが可能である。

以上に説明した補正処理は、好適には流量安定期間において継続して行われる。以下、補正処理を行うタイミングについて説明する。

図３は、圧力式流量制御装置１０が外部から受け取る流量設定信号（流量設定指令）Ｓｓと、圧力式流量制御装置１０が補正処理を行う期間Ｄｃとの関係を示すグラフである。図３に示すように、流量設定信号Ｓｓは、典型的には、設定流量の時間変化を表す矩形波の態様で与えられる。図示する例では、流量を０にする第１の期間Ｄ１の後に、流量を目標流量Ｑ０とする第２の期間Ｄ２が設けられ、さらに第２の期間Ｄ２の後に、流量を再び０とする第３の期間Ｄ３が設けられている。

圧力式流量制御装置１０の内部では、流量設定信号Ｓｓに対応する内部流量設定信号Ｓｓ'が生成され、実際の圧力制御弁の制御は、内部流量設定信号Ｓｓ'に基づいて行われる。内部流量設定信号Ｓｓ'は、例えば、公知のランプ関数制御にしたがって生成されたものであり、目標値が時間とともに変化する設定信号であってよい。内部流量設定信号Ｓｓ'は、例えば、外部から受け取った流量設定信号において目標値Ｑ０への遷移が示されているときに、所定の時間をかけて目標値Ｑ０に達するような制御信号として生成される。

図からわかるように、時刻ｔにおいて流量を０から目標値Ｑ０に変化させる流量設定信号Ｓｓが与えられた場合、圧力式流量制御装置１０は、内部流量設定信号Ｓｓ'に従って、時刻ｔからの所定期間Δｔにおいて暫時的に制御弁１８を開く動作を行う。

上記の時刻ｔからの所定の期間（ｔ〜ｔ＋Δｔ）には、上流側圧力Ｐ１および流量Ｑｃが大きく変化する。このため、この期間において、上記の信号変動幅を抑制する補正処理を行うと、出力される流量信号が実際の流量と大きく異なる遅延値を示すおそれがあり、応答性の低下を招く。

そこで、本実施形態における補正処理は、上流側圧力および流量が大きく変化する過渡変化期間を避けた流量安定期間において選択的に行われ、過渡変化期間には行われない。過渡変化期間は、例えば、図３に示すように、内部流量設定信号Ｓｓ’が変化する時刻ｔからの所定の期間（ｔ〜ｔ＋Δｔ）に設定されてもよい。あるいは、内部流量設定信号に対する出力信号の遅れが大きい場合には、過渡変化期間は、出力信号と内部流量設定信号との差分が一定値以下になるまでの期間に設定されてもよい。

また、流量安定期間には２次信号Ｓ２が流量信号として出力される一方で、過渡変化期間には１次信号Ｓ１が流量信号として出力されてもよい。これによって、応答性の低下を招くことなく、流量安定時の信号ふらつきが抑制された流量信号を出力・表示することが可能になる。

なお、上記には、過渡変化期間において、補正されていない１次信号Ｓ１を流量信号として出力する態様を説明したが、これに限られず、他の信号を流量信号として出力してもよい。例えば、流量安定時の２次信号Ｓ２よりも補正の程度を大幅に緩和した信号を出力してもよい。このためには、例えば、過渡変化期間に、上記の補正処理において１に近い除数で割った値を前回値に加算して現在値を求めた別の２次信号（例えば、上記補正処理において除数を決定する変数の値を０または０に近い数に設定することによって得られる、別の関係式に基づいて生成された２次信号）を出力するようにしてもよい。

図４（ａ）は、補正処理を行わなかった場合の流量設定信号Ｓｓおよび流量出力信号Ｓｑを示し、図４（ｂ）は、補正処理を行った場合の流量設定信号および流量出力信号Ｓｑを示す。なお図４（ｂ）に示すグラフは、上述した補正処理において、除数を（２００＋１）に設定した場合を示している。

図４（ａ）からわかるように、補正処理を行わない場合、流量安定時にもかかわらず、流量出力信号は、量子化誤差などの影響によって、幅ｄの範囲で比較的大きく揺らいでいる。これに対して、図４（ｂ）に示すように、補正処理を行った場合には、揺らぎの幅が幅ｄから大幅に低減し、略一定の値を取ることがわかる。補正処理後の揺らぎの幅は、例えば、量子化誤差以下に設定されることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能であることは言うまでもない。例えば、補正処理を行う期間をユーザが入力により指定する態様であってもよい。また、流量目標値によって、補正の程度を変更する態様であってもよい。

本発明の実施形態による流量信号補正方法は、絞り部の上流側の圧力を制御することによって流量を制御するように構成された圧力式流量制御装置において好適に用いられる。

１０ 圧力式流量制御装置
１２ 絞り部
１４ 圧力センサ
１６ 温度センサ
１８ 制御弁
１９ ピエゾ素子駆動部
２０、２２ Ａ／Ｄコンバータ
３０ 制御回路
Ｓ１ １次信号
Ｓ２ ２次信号 （補正信号）
Ｓｓ 流量設定信号
Ｓｑ 流量出力信号
Ｐ１ 上流側圧力
Ｐ２ 下流側圧力

Claims (6)

1. 絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた圧力センサと、前記圧力センサの上流側に設けられた制御弁とを有し、前記制御弁を用いて前記絞り部の上流側の圧力を制御することによって流量を制御するように構成された圧力式流量制御装置に適用され、前記制御弁に対しては流量安定期間および過渡変化期間のいずれにおいても前記圧力センサの出力に基づく同じフィードバック制御を行う一方で、外部に表示される流量出力信号を流量安定期間と過渡変化期間とで異ならせる流量信号補正方法であって、
   前記制御弁がフィードバック制御されているときの前記圧力センサの出力に基づいて、量子化誤差の影響を受けたデジタルの１次信号としての流量出力信号を生成するステップと、
   前記１次信号の現在値と前記１次信号の単数または複数の過去値の情報を含む値とを用いて所定の関係式により補正された現在値を導出するようにして、前記１次信号の補正信号としての量子化誤差の影響が抑制された２次信号を生成するステップと
   を包含し、
   前記流量安定期間において前記２次信号を前記流量出力信号として出力し、前記過渡変化期間において前記２次信号を前記流量出力信号として出力せず、流量設定信号に基づいてランプ関数制御によって生成された、時間をかけて目標値に達する制御信号を前記流量出力信号として出力する、流量信号補正方法。
2. 前記１次信号の単数または複数の過去値の情報を含む値は、前記２次信号の前回値である、請求項１に記載の流量信号補正方法。
3. 前記２次信号の現在値は、前記１次信号の現在値と前記２次信号の前回値との差に基づいて算出された補正変化量を、前記２次信号の前回値に加算することによって導出される、請求項２に記載の流量信号補正方法。
4. 前記補正変化量は、前記１次信号の現在値と前記２次信号の前回値との差を、１を超える除数で除算することによって求められる、請求項３に記載の流量信号補正方法。
5. 前記流量安定期間において前記２次信号を生成するステップおよび前記２次信号を流量出力信号として出力するステップは、流量設定信号の変化が生じてから所定時間経過後の開始点から前記流量設定信号の次の変化が生じる終了点までの間、継続的に行われる、請求項１から４のいずれかに記載の流量信号補正方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の流量信号補正方法を用いて流量出力信号の出力を行う流量制御装置。
   

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