(57)【要約】  流量計によって計測されるガスの計測流量が設定流量と一致するように流量制御弁に制御信号を出力して弁開度を制御する流量制御を実行する制御手段は、温度計によって計測されるガスの計測温度が基準温度よりも高いほど弁開度の変更量の絶対値が大きくなるように制御信号の強度を調整し、計測温度が基準温度よりも低いほど弁開度の変更量の絶対値が小さくなるように制御信号の強度を調整する。これにより、ガスの計測温度が基準温度と異なることに起因する流量制御弁の弁開度の変更における応答時間の変化を低減することができる。
2017043648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁開度を変更可能に構成された流量制御弁と、
前記流量制御弁を通過するガスの流量を計測するように構成された流量計と、
前記流量制御弁に制御信号を出力して前記弁開度を制御するように構成された制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記流量計によって計測される前記ガスの質量流量である計測流量が前記ガスの質量流量の目標値として設定される設定流量と一致するように前記流量制御弁に前記制御信号を出力して前記弁開度を制御する流量制御を実行するように構成されている、
質量流量制御装置であって、
前記ガスの温度を計測するように構成された温度計をさらに有し、
前記制御手段は、前記温度計によって計測される前記ガスの温度である計測温度が所定の基準温度よりも高い場合は、前記計測温度から前記基準温度を減算して得られる差である温度差の絶対値が大きいほど前記流量制御における前記弁開度の変更量の絶対値が大きくなり、前記計測温度が前記基準温度よりも低い場合は、前記温度差の絶対値が大きいほど前記流量制御における前記弁開度の変更量の絶対値が小さくなるように調整された制御信号である補正制御信号を出力する信号補正処理を実行するように構成されている、
質量流量制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量流量制御装置において、
前記流量制御弁は、前記制御信号の強度が大きいほど前記弁開度が大きくなるように構成されており、
前記制御手段は、前記信号補正処理において、前記補正制御信号の強度の値として、前記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号の強度の値に加算して得られる値を設定するように構成されている、
質量流量制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の質量流量制御装置において、
前記流量制御弁は、前記制御信号の強度が小さいほど前記弁開度が大きくなるように構成されており、
前記制御手段は、前記信号補正処理において、前記補正制御信号の強度の値として、前記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号の強度の値から減算して得られる値を設定するように構成されている、
質量流量制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の質量流量制御装置において、
前記制御手段は、前記設定流量から前記計測流量を減算して得られる差である流量差の絶対値が所定の閾値以上である場合に前記制御信号の強度を変更することにより前記流量差をゼロに近付けるフィードバック制御により前記流量制御を実行するように構成されている、
質量流量制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の質量流量制御装置において、
前記流量制御における前記制御信号の強度が前記設定流量及び前記計測温度に基づいて定められる初期値と前記流量差に基づいて定められる補償値との和として構成されており、
前記制御手段は、前記流量制御において、前記初期値についてのみ前記信号補正処理を実行し、前記補償値については前記信号補正処理を実行しないように構成されている、
質量流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置などに好適に用いることができる質量流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量流量制御装置（マスフローコントローラ）は、例えば、半導体製造装置に供給されるガスの流量を制御したり、ガスの供給を開始又は停止したりすることなどを目的として広く使用されている。質量流量制御装置は、流量制御弁、流量計及び制御手段を備えている。【０００３】
流量制御弁は、制御手段が出力する制御信号に従って、その弁開度が変更（増減）される。ここで「弁開度」とは、流量制御弁の内部をガスが通過する経路のうち最も狭い部分の断面積に対応する値をいう。流量制御弁の弁開度は、上記断面積の最小値に対応する最小値（例えばゼロ）から上記断面積の最大値に対応する最大値までの間の任意の値となるように制御される。弁開度が最小値（例えばゼロ）であるとき、ガスは流れない。弁開度が最大であるとき、質量流量制御装置が供給するガスの流量は最大となる。【０００４】
流量計は、流量制御弁を通過するガスの流量を計測する。流量計の較正（キャリブレーション）は、一般に、ある基準温度（例えば２２℃）において基準ガス（例えば窒素ガス）を用いて行われる。基準ガスと異なる種類のガスの流量を制御する場合は、ガスの物性値（例えば比熱など）が基準ガスの物性値と異なるために、流量計によって計測されるガスの流量に誤差が生じる。この場合、ガスの種類ごとに予め求められた換算係数（コンバージョンファクタ：ＣＦ）を用いて誤差を補正することができる（例えば特許文献１を参照）。また、ガスの温度が基準温度と異なる場合は、流量計によって計測されるガスの流量をガスの温度に基づいて補正することができる（例えば特許文献２を参照）。【０００５】
制御手段は、流量計によって計測されたガスの流量が設定流量と一致するように流量制御弁に制御信号を出力して弁開度を制御する。いわゆるノーマルクローズ型の流量制御弁の場合、制御信号の強度（電圧強度又は電流強度）が最小（ゼロ）のときは弁開度が最小（ゼロ）となってガスの流量もゼロとなり、制御信号の強度が最大のときは弁開度が最大となってガスの流量も最大となる。一方、いわゆるノーマルオープン型の流量制御弁の場合、制御信号の強度（電圧強度又は電流強度）が最小のときは弁開度が最大となってガスの流量も最大となり、制御信号の強度が最大のときは弁開度が最小（例えばゼロ）となってガスの流量も最小（例えばゼロ）となる。このように、制御信号の強度に応じて、流量制御弁の弁開度が変更され、流量制御弁を通過するガスの流量も変化する。制御手段は、ガスの流量を制御する方法として、流量計によって計測されるガスの流量を制御量（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｖａｒｉａｂｌｅ）とするフィードバック制御を実行することができる。【０００６】
例えば、圧電素子を用いてノーマルクローズ型の流量制御弁の弁開度を変更する場合、弁開度は圧電素子に印加される電圧強度に比例する。例えば、弁開度が最大のときの圧電素子に印加される電圧強度が最大値の５０Ｖで、そのときのガスの流量が１ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）である場合、圧電素子に印加される電圧強度を２５Ｖ（最大値の５０％）にすれば、弁開度は最大のときの５０％となり、ガスの流量は０．５ｓｌｍとなる。一方、圧電素子を用いてノーマルオープン型の流量制御弁の弁開度を変更する場合、圧電素子に印加される電圧強度がゼロであるときに弁開度は最大となり、圧電素子に印加される電圧強度が高まるにつれて弁開度は小さくなる。例えば、弁開度をゼロとするために圧電素子に印加される最小の電圧強度が５０Ｖである場合、圧電素子に印加される電圧強度を２５Ｖにすると、弁開度は最大のときの５０％となり、ガスの流量は０．５ｓｌｍとなる。尚、上記説明において示した圧電素子に印加される電圧強度（制御信号の強度）と弁開度との対応関係はあくまでも一例であり、それらの具体的な数値によっては本発明の範囲は限定されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−５４２６８号公報
【特許文献２】特開２００４−９３１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の通り、従来技術によれば、流量計に関しては、質量流量制御装置を通過するガスの温度が流量計を較正したときの基準温度と異なる場合であっても、流量計によって計測されるガスの流量をガスの温度に基づいて補正することによってガスの正確な流量を求めることが可能である。しかしながら、流量制御弁の弁開度に関しては、ガスの温度変化に対する特段の配慮はなされていない。その結果、弁開度が一定であっても、ガスの温度が上昇するとガスの密度が減少するために流量制御弁を通過するガスの質量流量は減少し、ガスの温度が低下するとガスの密度が増加するために流量制御弁を通過するガスの質量流量は増加する。【０００９】
上記のようにガスの温度変化によって流量制御弁を通過するガスの密度及び質量流量に変化が生じた場合であっても、流量計によって計測されるガスの質量流量がガスの温度に基づいて正しく補正されている限り、フィードバック制御によってガスの質量流量を設定流量と一致するように制御することは可能である。しかし、ガスの温度が変化すると、例えば、設定流量がゼロからゼロでない値に変化したときのガスの流量の立ち上がりに要する時間（応答時間）が変化する。この場合、例えば、ガスの温度が基準温度よりも高いときの応答時間は、ガスの温度が基準温度であるときの応答時間と比べて長くなる。逆に、ガスの温度が基準温度よりも低いときの応答時間は、ガスの温度が基準温度であるときの応答時間と比べて短くなる。このため、半導体製造装置にガスが実際に供給されるタイミングがガスの温度によって変化するので、例えば品質管理上の問題などにつながり得る。【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ガスの温度が基準温度と異なる場合であっても、流量制御弁の弁開度の変更における応答時間の変化を低減することができる質量流量制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る質量流量制御装置は、弁開度を変更可能に構成された流量制御弁と、流量制御弁を通過するガスの流量を計測するように構成された流量計と、流量制御弁に制御信号を出力して弁開度を制御するように構成された制御手段と、を有する。制御手段は、流量計によって計測されるガスの質量流量である計測流量がガスの質量流量の目標値として設定される設定流量と一致するように流量制御弁に制御信号を出力して弁開度を制御する流量制御を実行するように構成されている。【００１２】
さらに、本発明に係る質量流量制御装置は、ガスの温度を計測するように構成された温度計をさらに有する。加えて、制御手段は、上述した流量制御において、信号補正処理を実行するように構成されている。信号補正処理において、制御手段は、温度計によって計測されるガスの温度である計測温度が所定の基準温度よりも高い場合は、計測温度から基準温度を減算して得られる差である温度差の絶対値が大きいほど、上述した流量制御における弁開度の変更量の絶対値が大きくなるように制御信号を調整する。一方、計測温度が基準温度よりも低い場合、制御手段は、上記温度差の絶対値が大きいほど、上述した流量制御における弁開度の変更量の絶対値が小さくなるように制御信号を調整する。このように調整された制御信号は、以降「補正制御信号」と称される場合がある。【００１３】
上記構成を有する本発明に係る質量流量制御装置によれば、調整された制御信号（補正制御信号）が流量制御弁に出力されるので、計測温度と基準温度との差に起因するガスの流量の差がなくなるように流量制御弁の弁開度が調整される。その結果、流量制御の開始直後より流量制御弁がより適切な弁開度に制御された状態においてガスが流れるので、ガスの温度によって応答時間が変化するという課題が軽減される。【００１４】
本発明の好ましい実施の態様において、流量制御弁は、制御信号の強度が大きいほど弁開度が大きくなるように構成される。この場合、制御手段は、上述した信号補正処理において、補正制御信号の強度の値として、上記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号の強度の値に加算して得られる値を設定するように構成される。或いは、流量制御弁は、制御信号の強度が小さいほど弁開度が大きくなるように構成される。この場合、制御手段は、上述した信号補正処理において、補正制御信号の強度の値として、上記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号の強度の値から減算して得られる値を設定するように構成される。このような構成により、簡単な手順によって制御信号の強度の調整（信号補正処理）を行うことができる。【００１５】
本発明のもう１つの好ましい実施の態様において、制御手段は、いわゆるフィードバック制御により上記流量制御を実行するように構成されている。具体的には、制御手段は、上述した流量制御において、設定流量から計測流量を減算して得られる差である流量差の絶対値が所定の閾値以上である場合に制御信号の強度を変更することにより上記流量差をゼロに近付けるように構成されている。【００１６】
さらに、上記実施の態様において、上述した流量制御における制御信号の強度は、設定流量及び計測温度に基づいて定められる初期値と上記流量差に基づいて定められる補償値との和として構成され得る。この場合、制御手段は、上記流量制御において、上記初期値についてのみ上述した信号補正処理を実行し、上記補償値については上述した信号補正処理を実行しないように構成され得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガスの温度が基準温度と異なる場合であっても、流量制御弁の弁開度をガスの密度の温度変化に配慮した値に制御することができるので、ガスの温度による応答時間の変化が低減される。即ち、本発明によれば、流量制御弁の弁開度の変更における応答速度のガスの温度による変化が低減された質量流量制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る質量流量制御装置の構成例を示す概念図である。
【図２】実施例１における質量流量制御装置の応答波形の例を示すグラフである。
【図３】実施例２における質量流量制御装置の応答波形の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態につき、図を参照しながら詳細に説明する。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。
【００２０】
図１は、本発明に係る質量流量制御装置の構成例を示す図である。図１は、本発明に係る質量流量制御装置を構成する部材間の論理的な関係を示す概念図であり、各部材の物理的な位置関係を表すものではない。図１に示すように、本発明に係る質量流量制御装置１は、流量制御弁２と、流量計３と、制御手段４とを有している。ガスは、質量流量制御装置１に設けられた流路７を通って図１の左側から右側に向かって流れる（図１に示した白抜きの矢印を参照）。
【００２１】
流量制御弁２は、弁開閉手段２ａによって弁２ｂを駆動することにより弁開度を変更（増減）することができるように構成されている。弁２ｂはガスの流路７に設けられ、上記の通り、弁２ｂの弁開度に応じて流路７を流れるガスの流量が制御される。
【００２２】
弁２ｂは、弁の開閉によりガスの流量を制御できるものであればどのような構造のものを用いてもよいが、質量流量制御装置においては一般にダイアフラム弁が用いられる。ダイアフラム弁の場合、ガスはダイアフラムと弁座との隙間を通って上流側から下流側へと流れる。ダイアフラムと弁座との隙間の断面積に対応する値（例えば最大断面積に対する断面積の比率など）が弁開度となる。弁開閉手段２ａは、弁２ｂを駆動して弁開度を変更（増減）する手段であり、具体的には、例えば圧電素子及びソレノイドコイルなどが挙げられる。
【００２３】
流量計３は、流量制御弁２を通過するガスの質量流量を計測するように構成されている。流量計３は流路７に設けられる。図１においては、流量計３は流量制御弁２の上流側に設けられているが、流量計３は流路を流れるガスの質量流量を計測することができる場所であれば、流路７のどの位置に設けられてもよい。流量計３としては、例えば熱式流量計及び圧力式流量計などの公知の構造を有する質量流量計を用いることができる。
【００２４】
制御手段４は、流量計３によって計測されるガスの質量流量が設定流量と一致するように流量制御弁２に出力される制御信号６の強度を変更することにより弁開度を制御するように構成されている。ここで「設定流量」とは、流量制御弁２を通過するガスの質量流量の目標値であり、例えば質量流量制御装置１の使用者が図示しない入力手段によって制御手段４に入力することができる。制御手段４は、流量計３によって計測されるガスの質量流量を入力信号として受け付ける（図１に示した一点鎖線の矢印を参照）。制御手段４は、流量計３から入力信号として受け取ったガスの質量流量が設定流量と一致するように、流量制御弁２に対して制御信号６を出力する（図１に示した実線の矢印を参照）。
【００２５】
例えば、ガスの質量流量が設定流量よりも少なければ、制御手段４は弁開度を増加させるような制御信号６を出力し、ガスの質量流量が設定流量よりも多ければ、制御手段４は弁開度を減少させるような制御信号６を出力する。例えば、弁開閉手段２ａとして圧電素子を用いた場合には制御信号６は具体的には電圧信号であり、弁開閉手段２ａとしてソレノイドコイルを用いた場合には制御信号６は具体的には電流信号である。
【００２６】
制御手段４は、公知のハードウェア及びソフトウェアによって構成することができる。例えば、制御手段４は、質量流量制御装置１の内部に設けられた制御回路基板上の中央演算素子（ＣＰＵ）及びメモリなどによって構成してもよいし、質量流量制御装置１と電気的に接続された外部のコンピュータによって構成してもよい。
【００２７】
ガスの流量が目標値である設定流量と一致するように制御信号６をどのようにして決定するかについては、公知の制御技術を用いることができる。このような公知の制御技術の具体例としては、例えば、ガスの計測流量と設定流量との差に基づいて制御信号６を修正するフィードバック制御（ＰＩＤ動作を含む）及び流量計３によって計測されるガスの流量に基づかずに設定流量のみに基づく制御信号６を出力するいわゆるフィードフォワード制御などを挙げることができる。
【００２８】
本発明に係る質量流量制御装置１は、温度計５をさらに有する。温度計５は、ガスの温度を計測するように構成されている。温度計５は、ガスの温度を計測できるものであればどのような構造のものを用いてもよいが、流路７を流れるガスの温度の変化を遅滞なく検知できるものであることが好ましい。温度計５は流路７のいずれの位置に設けられてもよい。ただし、質量流量制御装置１の流路７における部位によってガスの温度に無視することができない差がある場合は、本発明の目的に照らして弁２ｂにできるだけ近い位置に温度計５を設けることが好ましい。
【００２９】
本発明において、制御手段４はさらに、ガスの計測温度が基準温度と異なるときに、計測温度におけるガスの密度と基準温度におけるガスの密度との差に起因して流量制御弁２を通過するガスの流量に生じる差をなくすように調整された制御信号６を出力することを特徴とする。ここで「計測温度」とは、温度計５によって計測されるガスの温度をいう。温度計５は、計測温度を出力信号として制御手段４に出力する（図１に示した破線の矢印を参照）。
【００３０】
具体的には、制御手段４は、温度計５から出力された計測温度を入力信号として受け付け、計測温度を基準温度と比較する。ここで「基準温度」とは、基準ガス（例えば窒素ガス）を用いて流量計３の較正（キャリブレーション）を行ったときのガスの温度をいう。基準温度は例えば２２℃である。この比較の結果、計測温度が基準温度と異なる場合、制御手段４は制御信号６の強度を調整する。
【００３１】
制御手段４が行う制御信号６の強度の調整は、計測温度におけるガスの密度と基準温度におけるガスの密度との差に起因して流量制御弁２を通過するガスの流量に生じる差をなくすように行われる。前述したように、流量制御弁を通過するガスの圧力及び弁開度が一定であっても、ガスの密度は温度によって変化する。このため、ガスの計測温度が基準温度と異なる場合には、単位時間当たりに流量制御弁を通過するガスの質量流量は、弁開度が一定であっても、ガスの温度が基準温度である場合の質量流量とは異なる値となる。
【００３２】
そこで、制御手段４は、温度の違いによるガスの密度の違いに起因する質量流量の変化を打ち消すように制御信号６の強度を調整する。例えば、計測温度が基準温度よりも高い場合には、ガスの密度が基準温度における密度よりも低くなるので、制御手段４は弁開度を基準温度における弁開度よりも大きくなるように強度が調整された制御信号６を出力する。逆に、計測温度が基準温度よりも低い場合には、ガスの密度が基準温度における密度よりも高くなるので、制御手段４は弁開度を基準温度における弁開度よりも小さくなるように強度が調整された制御信号６を出力する。
【００３３】
より詳しくは、制御手段４は、計測温度が基準温度と異なるとき、上述した流量制御において信号補正処理を実行するように構成されている。「信号補正処理」とは、上述した流量制御において、計測温度が基準温度よりも高いほど弁開度の変更量の絶対値が大きくなるように制御信号６の強度を調整し、計測温度が基準温度よりも低いほど弁開度の変更量の絶対値が小さくなるように制御信号６の強度を調整し、このように調整された制御信号６を補正制御信号として出力する処理をいう。
【００３４】
このように、本発明に係る質量流量制御装置においては、ガスの計測温度に応じて調整された制御信号６（補正制御信号）が流量制御弁２に出力されるため、ガスの温度が基準温度と異なる場合においても、応答時間の変化を有効に低減することができる。したがって、外的な要因によってガス又は質量流量制御装置の温度が変化しても、半導体製造装置などへのガスの供給タイミング（応答時間）の変化を有効に低減することができる。
【００３５】
本発明において、制御信号６の強度の調整は、温度計５によって計測されるガスの計測温度の違いによるガスの密度の違いに基づいて行われ、流量計３によって計測されるガスの流量の値とは無関係に行われる。したがって、本発明の効果が得られるのは、制御手段４が実行する制御がフィードバック制御である場合に限らず、フィードフォワード制御である場合にも同様の効果を得ることができる。
【００３６】
本発明の好ましい実施の形態において、流量制御弁２は、制御信号６の強度が大きいほど弁開度が大きくなるように構成される。この場合、制御手段４は、上述した信号補正処理において、補正制御信号の強度の値として、上記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号６の値に加算して得られる値を設定するように構成される。或いは、流量制御弁２は、制御信号６の強度が小さいほど弁開度が大きくなるように構成される。この場合、制御手段４は、上述した信号補正処理において、補正制御信号の強度の値として、上記温度差の値に温度補正係数を乗算して得られる値を調整前の制御信号６の強度の値から減算して得られる値を設定するように構成される。
【００３７】
ここで「温度補正係数」とは、ガスの計測温度の違いによるガスの密度の違いに起因する質量流量の変化を打ち消すように定められた一定の係数をいう。制御信号６の強度をこのように調整することにより、計算が簡単となり、ガスの密度が温度の一次関数によって近似することができる場合に特に有効である。
【００３８】
温度補正係数は、理論的に求めることができる。例えば、圧力が一定の理想気体の体積膨張率は１℃あたり１／２７３＝０．３７％となるので、温度補正係数としてこの値を用いることができる。また、温度補正係数は、実験的に求めることもできる。例えば、設定流量の異なる水準ごとに、ガスの温度が基準温度である場合と、ガスの温度が基準温度とは異なる計測温度である場合とで、流量が安定したときの制御信号６の実測値がどのくらい変化するかを実験的に求めて、それらの値の平均値を温度補正係数として用いることができる。
【００３９】
発明者らの検討によれば、後述する実施例１において実験的に求められた温度補正係数の最小値は０．３０％／℃、最大値は０．９０％／℃であり、その平均値は０．６１％／℃であった。ただし、温度補正係数の具体的な数値は質量流量制御装置の設計・仕様によって変化し得る。したがって、本発明のより好ましい実施の形態の実施に際しては、使用される質量流量制御装置そのもの又は使用される質量流量制御装置と同一の設計・仕様を有する質量流量制御装置において、温度補正係数を特定する実験を行うことが好ましい。
【００４０】
本発明のもう１つの好ましい実施の形態において、制御手段４は、いわゆるフィードバック制御により上述した流量制御を実行するように構成されている。ここでいう「フィードバック制御」とは、設定流量から計測流量を減算して得られる差である流量差の絶対値が所定の閾値以上である場合に制御信号６の強度を変更することにより上記流量差をゼロに近付ける制御をいう。
【００４１】
上記によれば、ガスの計測温度が基準温度と異なる場合においても、応答時間の変化を有効に低減しつつ、フィードバック制御によってガスの質量流量を設定流量に確実に近付けることができる。
【００４２】
上記実施の形態において、上述した流量制御における制御信号６の強度は設定流量及び計測温度に基づいて定められる初期値と流量差（設定流量から計測流量を減算して得られる差）に基づいて定められる補償値との和として構成され得る。この場合、制御手段４は、上述した流量制御において、上記初期値についてのみ信号補正処理を実行し、上記補償値については信号補正処理を実行しないように構成され得る。
【００４３】
具体的には、例えば、制御手段４が実行する流量制御がいわゆるＰＩＤ制御であり、制御信号６が初期値とＰＩＤ補償値との和として構成される場合、計測温度に基づく制御信号６の強度の調整（信号補正処理）は初期値についてのみ行い、ＰＩＤ補償値については行わない。ここで制御信号６の「初期値」とは、設定流量及び計測温度によって定まる定数であって、設定流量が（例えばゼロからゼロではない値に）変更された後に流量制御弁２に最初に出力される制御信号をいう。また、「ＰＩＤ補償値」とは、流量制御弁に初期値が出力された後のガスの計測流量と設定流量との差に基づいて行われるＰＩＤ制御を実行するための制御信号をいう。
【００４４】
上記のようなフィードバック制御（ＰＩＤ制御）が実行されている間は、流量制御弁２には初期値とＰＩＤ補償値の和として構成される制御信号６が出力される。このように本発明の特徴である計測温度に基づく制御信号６の強度の調整（信号補正処理）を初期値についてのみ行っても、本発明の効果を十分に得ることができるので、ＰＩＤ補償値については信号補正処理を省略して制御動作全体を単純化することにより、制御手段４における演算負荷を軽減しつつ、制御手段４による制御動作を安定に実行することができる。
【実施例１】
【００４５】
圧電素子及びダイアフラム弁を備えるノーマルクローズ型の流量制御弁と、熱式質量流量計と、制御手段を構成する制御回路基板と、温度計とを有し、最大流量を０．１、５及び５０ｓｌｍの３水準に設定した本発明に係る３種類の質量流量制御装置を用意した。これらの質量流量制御装置を用いて、窒素ガスの一次圧力を１５０、２５０、３５０及び４５０ｋＰａの４水準に設定し、設定流量を最大流量の２、５、１０、２５、５０、７５及び１００％の７水準に設定したときの圧電素子に出力される制御信号（電圧）を、窒素ガスの温度が２５℃のときと６０℃のときの２水準についてそれぞれ測定した。【００４６】
いずれの条件においても、圧電素子に出力される制御信号（電圧）の値は、窒素ガスの温度が２５℃のときに比べて６０℃のときの方が高かった。即ち、同一の質量流量を達成し得る弁開度は、窒素ガスの温度が２５℃のときに比べて６０℃のときの方が大きかった。制御信号（電圧）の１℃当たりの変化量は設定流量や窒素ガスの一次圧力によって多少のバラツキがあったが、その平均値は０．６１％／℃であった。よって、この予備実験の結果に基づいて、（最大流量が０．１、５及び５０ｓｌｍである）３種類の質量流量制御装置の温度補正係数の値を０．６０％／℃に設定することにした。【００４７】
次に、最大流量が５ｓｌｍの質量流量制御装置を用いて、窒素ガスの一次圧力を１５０ｋＰａに設定し、設定流量を最大値の１００％及び５０％の２水準に設定したときに流量計が示す窒素ガスの流量の時間変化（応答波形）を、窒素ガスの温度が２５℃のときと６０℃のときの２水準についてそれぞれ測定した。図２に、設定流量が１００％のときの応答波形を示す。【００４８】
図２の横軸は、設定流量１００％を制御手段４に入力したときを起点（ゼロ）とする時間［ｓ］を示す。また、縦軸は、設定流量［％］及び流量計によって計測された窒素ガスの計測流量［％］を示す。実線の矩形によって表されたグラフは、設定流量の値の変化を表している。設定流量は、時間がゼロのときに０から１００％に変化し、その後１００％を維持している。【００４９】
設定流量に最も近い実線の曲線は、本発明の実施例に係る質量流量制御装置において窒素ガスの温度が２５℃であるときの応答曲線を表している。これに対し、破線の曲線は、本発明の実施例に係る質量流量制御装置において窒素ガスの温度が６０℃であるときの応答曲線を表している。これら二つの応答曲線はほとんど重なっていることから、本発明に係る質量流量制御装置においてはガスの温度が２５℃から６０℃に上昇しても応答時間にほとんど変化が見られないことが判る。【００５０】
一方、図２において設定流量から最も遠い一点鎖線の曲線は、本発明の実施例に係る最大流量が５ｓｌｍに設定された質量流量制御装置と同一仕様の質量流量制御装置であって、ガスの温度の違いによる制御信号の強度の調整（信号補正処理）を行わない比較例に係る質量流量制御装置を用いて測定した、窒素ガスの温度が６０℃のときの応答曲線を表している。この比較例の応答曲線は、他の応答曲線に比べて応答時間が長くなっていることが判る。【００５１】
次に、上記の方法によって測定された種々の水準についての応答曲線から、それぞれの応答時間を求めた。ここで「応答時間」とは、設定流量を変化させたときから計測流量が設定流量の９８％に到達するまでの時間をいう。設定流量が１００％及び５０％であり且つ窒素ガスの温度が２５℃及び６０℃のときのそれぞれの応答時間及び両者の差を表１に示す。また、比較例として、ガスの温度の違いによる制御信号の強度の調整（信号補正処理）を行わない質量流量制御装置を用いて測定した応答時間もまた同じく表１に示す。【００５２】
【表１】
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【００５３】
表１が示す通り、本発明の実施例に係る質量流量制御装置においては、２５℃から６０℃までの温度変化による応答時間の差はたかだか０．０５ｓ以下であり、応答時間の差は少なかった。これに対し、比較例の応答時間の差は設定流量が１００％である場合は０．３５ｓと大きく、設定流量が５０％である場合の応答時間の差は０．７０ｓとさらに大きくなった。これらの検討結果から、本発明に係る質量流量制御装置においては、ガスの温度に応じて制御信号が調整される結果、従来技術に係る質量流量制御装置に比べて、ガスの温度の違いに起因する応答時間の変化が大幅に低減されることが判る。
【実施例２】
【００５４】
上述した実施例１においては、流量制御における信号補正処理を実行する本発明に係る質量流量制御装置によれば、流量制御における信号補正処理を実行しない従来技術に係る質量流量制御装置に比べて、ガスの計測温度の基準温度からの上昇に伴う応答時間の遅れが大幅に低減されることが確認された。【００５５】
本実施例においては、実施例１と同様の構成を有する質量流量制御装置を用いて、流量レンジをＢｉｎ６（３００１〜１００００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ））及びＢｉｎ８（１０００１〜３００００ｓｃｃｍ）の２水準に設定した。即ち、本実施例においては、最大流量を１００００ｓｃｃｍ及び３００００ｓｃｃｍの２水準に設定した。また、設定流量については、それぞれの最大流量の１０％、５０％及び１００％の３水準に設定した。さらに、これらの質量流量制御装置の較正（キャリブレーション）は、５００ｋＰａの一次圧力及び２２℃の基準温度において窒素ガスを用いて行った。【００５６】
加えて、流量レンジをＢｉｎ６（最大流量＝１００００ｓｃｃｍ）に設定した質量流量制御装置については、窒素ガスの一次圧力を３００ｋＰａ及び５００ｋＰａの２水準に設定した。一方、流量レンジをＢｉｎ８（最大流量＝３００００ｓｃｃｍ）に設定した質量流量制御装置については、窒素ガスの一次圧力を３５０ｋＰａ及び５００ｋＰａの２水準に設定した。なお、いずれの質量流量制御装置についても、窒素ガスの計測温度は５０℃とした。【００５７】
上記１２水準（最大流量２水準、設定流量３水準及び一次圧力２水準の組み合わせ）の質量流量制御装置のそれぞれについて、流量制御における信号補正処理を実行する場合（本発明の実施例）及び信号補正処理を実行しない場合（比較例）の２水準を設定し、流量計が示す窒素ガスの流量の時間変化（応答波形）をそれぞれ測定した。一例として、流量レンジがＢｉｎ８であり、設定流量が５０％であり、窒素ガスの一次圧力が３５０ｋＰａであるときの応答波形を図３に示す。図３の（ａ）は信号補正処理を実行しない比較例に係る質量流量制御装置における応答波形であり、図３の（ｂ）は信号補正処理を実行する本発明の実施例に係る質量流量制御装置における応答波形である。【００５８】
図３の横軸は、設定流量５０％を制御手段４に入力したときを起点（ゼロ）とする時間［ｓ］を示す。また、縦軸は、設定流量［％］、流量計によって計測された窒素ガスの計測流量［％］及び流量制御弁の弁開度［％］を示す。実線の矩形によって表されたグラフは設定流量の値の変化を表している。図３の（ａ）及び（ｂ）のいずれにおいても、設定流量は、時間がゼロのときに０から５０％に変化し、その後５０％を維持している。【００５９】
破線の曲線によって表されたグラフは流量制御弁の弁開度［％］を表し、実線の曲線によって表されたグラフは窒素ガスの計測流量［％］を表している。流量制御において信号補正処理を実行する場合（図３の（ｂ）に示す実施例）においては、信号補正処理を実行しない場合（図３の（ａ）に示す比較例）に比べて、設定流量の変化に対する流量制御弁の弁開度及び窒素ガスの計測流量の立ち上がりが速いことが判る。即ち、流量制御における信号補正処理の実行により、設定流量の変化に対する流量制御弁の弁開度及び窒素ガスの計測流量の応答時間の遅れが低減されたことが判る。【００６０】
次に、上記の方法によって測定された種々の水準についての応答曲線から、それぞれの応答時間を求めた結果を表２に示す。ここでの「応答時間」もまた、設定流量を変化させたときから計測流量が設定流量の９８％に到達するまでの時間をいう。【００６１】
【表２】
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【００６２】
表２が示す通り、いずれの流量レンジ（最大流量）、設定流量及び一次圧力においても、流量制御において信号補正処理を実行する本発明の実施例に係る質量流量制御装置（補正あり）の方が、信号補正処理を実行しない比較例に係る質量流量制御装置（補正なし）に比べて、応答時間が短いことが判る。即ち、いずれの水準においても、流量制御における信号補正処理の実行により、計測温度（５０℃）が基準温度（２２℃）よりも高いことに起因する応答時間の遅れ（増大）が低減されたことが判る。
【符号の説明】
【００６３】
１  質量流量制御装置
２  流量制御弁
２ａ  弁開閉手段
２ｂ  弁
３  流量計
４  制御手段
５  温度計
６  制御信号
７  流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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