(57)【要約】      （修正有）【課題】流体の質量流量を制御するための方法、システムを提供する。【解決手段】開示した実施形態は、流体の質量流量を制御するための方法、装置およびコンピュータープログラム製品を含む。例えば、開示した実施形態は、バルブヒステリシスモデルを用いて、流体の流量を制御するための所与の流量設定点に基づく望ましいバルブ位置に調節可能バルブを移動させるためのバルブリフトを達成する力を生成するのに必要なバルブ駆動力を求めるように構成された方法および質量流量制御器１００を含む。【選択図】図１
2018173963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を制御するための質量流量制御器において、
前記流体を受け取るための流入口と、
前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、
該質量流量制御器の流出口から流出する前記流体の前記流量を調節するための調節可能バルブと、
バルブヒステリシスモデルを用いて、所与の流量設定点に基づいて望ましいバルブ位置に前記調節可能バルブを移動させるためのバルブリフトを達成する力を生成するのに必要なバルブ駆動力を求める命令を実行するように構成された少なくとも１つの処理構成要素と、
前記求められたバルブ駆動力に基づいてバルブ制御信号を与えて、前記調節可能バルブを前記望ましいバルブ位置に調節し、該質量流量制御器の流出口から流出する前記流体の前記流量を制御するように構成されたコントローラーとを具備する流体の流量を制御するための質量流量制御器。
【請求項２】
前記流路に沿って温度を求めるための温度センサーを更に備える請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項３】
前記流路の前記流入口の近くにおける前記流体の流体圧力に対応する信号を提供するための圧力トランスデューサーを更に備える請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項４】
前記質量流量計は、流量センサーを備える熱式質量流量計である請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、バルブ流量モデルを用いて前記バルブリフトを求める命令を実行する請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、バルブリフト対力モデルを用いて、前記バルブリフトを達成する前記力を求める命令を実行する請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、プライザッハモデルを利用して前記バルブヒステリシスモデルを実施する命令を実行する請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、前記調節可能バルブの前の位置の関数として、前記調節可能バルブに関連付けられたヒステリシスの状態を示す表面マップを維持する命令を実行する請求項７に記載の質量流量制御器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、望ましい力を取得する命令を実行し、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力の増加または減少の一方を実行することによって前記表面マップを更新する少なくとも１回の反復を実行する請求項８に記載の質量流量制御器。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に用いられるエンドユーザー指定値を取得する命令を実行する請求項９に記載の質量流量制御器。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に製造者指定値を利用する命令を実行する請求項９に記載の質量流量制御器。
【請求項１２】
流体の流量を制御するための方法であって、
所与の流量設定点に基づく望ましいバルブ位置に調節可能バルブを移動させるためのバルブリフトを達成する力を生成するのに必要なバルブ駆動力を、バルブヒステリシスモデルに基づいて求めることと、
プロセッサを用いて、前記求められたバルブ駆動力に基づくバルブ制御信号を与えることであって、前記望ましいバルブ位置に前記調節可能バルブを調節して前記流体の前記流量を制御することと、
を含む、流体の流量を制御するための方法。
【請求項１３】
前記プロセッサを用いて、前記流体の流路に沿った温度および流体圧力を求めることを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記プロセッサを用いて、バルブ流量モデルを用いて前記バルブリフトを求めることを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記プロセッサを用いて、バルブリフト対力モデルを用いて前記バルブリフトを達成する前記力を求めることを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記プロセッサを用いて、プライザッハモデルを利用して前記バルブヒステリシスモデルを実施することを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記プロセッサを用いて、前記調節可能バルブに関連付けられたヒステリシスの状態を前記調節可能バルブの前の位置の関数として示す表面マップを維持することを更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
望ましい力を取得することと、前記プロセッサを用いて、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力の増加または減少の一方を実行することによって前記表面マップを更新する少なくとも１回の反復を実行することとを更に含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に用いられるエンドユーザー指定値を受け取ることを更に含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に製造者指定値を利用することを更に含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、流体の質量流量を制御するための方法およびシステムに関し、より詳細には、質量流量制御器の動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業プロセスは、様々なプロセス流体の精密な制御を必要とする。例えば、半導体産業では、プロセスチャンバーに導入されるプロセス流体の量を精密に測定および制御するのに質量流量制御器が用いられる。流体という用語は、本明細書では、流れることが可能な任意の状態にある任意のタイプの物質を記述するのに用いられる。流体という用語は、流量制御対象となり得る液体や気体、および、物質または物体の任意の組み合わせを含むスラリーに適用されることが理解されるべきである。
【０００３】
然しながら、技術が進歩するにつれて、半導体プロセスは、設計の幾何学的配列が微細化し続けているので、ますます空間的余裕がなくなり続けている。プロセスは、現在、非常に高速な応答時間（１／４秒またはこれよりも更に高速）、乱れ（例えば、流入口圧力変動）に対する強い耐性および大きなターンダウン（すなわち、より小さな最小制御可能設定点）を必要としている。
【０００４】
比例積分微分（ＰＩＤ）ベースの制御を利用する現在の質量流量制御器は、それらの能力の限界に達しつつある。これらのコントローラーは、広範囲の条件で動作することができるとともに大きな範囲の乱れをはねつけることができるように広範囲にわたるチューニングも必要とする。例えば、チューニングは、特定の用途（すなわち、流体および動作条件のタイプ）ごとに行う必要がある。その上、条件が変化したときにＰ、ＩおよびＤの調節が可能であるためには、複雑なアルゴリズムが必要とされる。
【発明の概要】
【０００５】
これらの問題のうちの幾つかを解消するために、開示した実施の形態は、質量流量制御器の制御を改善するためのモデルを用いるためのシステムおよび方法を含む。
【０００６】
本発明の例示の実施形態は、添付図面の図を参照して以下で詳細に説明される。これらの図は、引用することによって本明細書の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】開示した実施形態による質量流量制御器の構成要素を示す図である。
【図２】ＰＩＤ制御ループの一例を示す流れ図である。
【図３】開示した実施形態によるバルブ流量モデルの一例を示す図である。
【図４】開示した実施形態によるバルブ力対リフトモデルの一例を示す図である。
【図５】開示した実施形態によるバルブヒステリシスモデルの一例を示す図である。
【図６】開示した実施形態によるモデルベースの制御ループの一例を示す流れ図である。
【図７】ヒステリシスの状態を前の全てのバルブ位置の関数として示す表面マップを動的に生成および更新するためのプロセスを示す図である。
【図８】プライザッハ（Preisach）平面上に表された表面マップの初期状態を示す図である。
【図９】磁場を単調に増加させた後の図８の表面マップを示す図である。
【図１０】磁場を増加させたときの図９の表面マップを示す図である。
【図１１】バルブ駆動力を減少させた後の図１０の表面マップを示す図である。
【図１２】バルブ駆動力を増加させた後の図１１の表面マップを示す図である。
【図１３】バルブ駆動力の増加および減少を複数回反復した後の表面マップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
開示した実施形態は、単純なＰＩＤベースの制御システムを用いると可能ではない方法で制御方式を顧客の用途に適応させることを可能にするための質量流量制御器の様々な構成要素の数学モデルを利用することによって質量流量制御器を制御するためのシステムおよび方法を含む。更に、この質量流量制御器にモデルベースのコントローラーを有することによって、特定の用途／条件ごとにチューニングを必要とすることなく様々な条件下でデバイスに対する自動最適応答が可能になる。
【０００９】
開示した実施形態およびそれらの利点は、図面の図１〜図１３を参照することによって最もよく理解される。同様の参照符号は、様々な図面の同様の対応する部分に用いられている。開示した実施形態の他の特徴および利点は、以下の図および詳細な説明を検討すると、当業者には明らかであろう。全てのそのような追加の特徴および利点は、開示した実施形態の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、示した図は、例示にすぎず、種々の実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計またはプロセスに関する限定を主張することも意味することも何ら意図していない。
【００１０】
図１は、ＭＦＣの構成要素が取り付けられたプラットフォームであるステップ１１０を備える一般的な質量流量制御器１００を概略的に示している。熱式質量流量計１４０と、バルブ１７０を収容したバルブ組立体１５０とが、流体流入口１２０と流体流出口１３０との間においてステップ１１０上に取り付けられている。熱式質量流量計１４０は、通常は流体の大部分が通流するバイパス１４２と、流体のそれよりも少ない一部分が通流する熱式流量センサー１４６とを備える。
【００１１】
熱式流量センサー１４６は、取り付け板、すなわち基部１０８上に取り付けられたセンサーハウジング１０２（センサー１４６を示すために取り外されて示された部分）内に収容されている。センサー１４６は、通常は毛細管と呼ばれる小径の管であり、センサー流入口部分１４６Ａと、センサー流出口部分１４６Ｂと、２つの抵抗コイル、すなわち抵抗巻き線１４７、１４８が周囲に配置されているセンサー測定部分１４６Ｃとを有する。動作中、電流が２つの抵抗巻き線１４７、１４８に提供され、これらの巻き線は、センサー測定部分１４６Ｃと熱接触している。これらの抵抗巻き線１４７、１４８内の電流は、測定部分１４６内を流れる流体を、バイパス１４２を通流する流体の温度よりも高い温度に加熱する。巻き線１４７、１４８の抵抗は、温度とともに変化する。流体がセンサー導管を通流する際、熱が、上流の抵抗器１４７から下流の抵抗器１４８に向けて運ばれ、この温度差は、センサーを通る質量流量に比例する。
【００１２】
センサーを通る流体流量に関係した電気信号は、２つの抵抗巻き線１４７、１４８から導出される。この電気信号は、抵抗巻き線の抵抗の差からまたは各巻き線を特定の温度に維持するために各抵抗巻き線に提供されるエネルギーの量の差から等の複数の異なる方法で導出することができる。熱式質量流量計内の流体の流量率と相関する電気信号を求めることができる様々な方法の例は、例えば、同一出願人の米国特許第6,845,659号に記載されている。この米国特許は、引用することによって本明細書の一部をなす。信号処理後における抵抗巻き線１４７、１４８から導出された電気信号は、センサー出力信号を含む。
【００１３】
このセンサー出力信号は、電気信号が測定されたときに流体流量を求めることができるように質量流量計内の質量流量と相関している。センサー出力信号は、通常は、第１にセンサー１４６内の流量と相関し、次いで、この流量は、バイパス１４２内の質量流量と相関し、そのため、流量計を通る総流量を求めることができ、制御バルブ１７０をそれに応じて制御することができる。センサー出力信号と流体流量との間の相関は、複雑であり、流体種、流量率、流入口圧力および／または流出口圧力、温度等を含む複数の動作条件に依存する。
【００１４】
未処理のセンサー出力を流体流量と相関させるプロセスは、質量流量制御器のチューニングおよび／または較正を伴い、多くの場合に１人または複数人の熟練オペレーターおよび特殊機器を必要とする、費用を要する労働集約的な手順である。例えば、質量流量センサーは、既知の流体の既知の量をセンサー部分に通し、或る特定の信号処理パラメーターを調節することによって、流体流量を正確に表す応答を提供するようにチューニングすることができる。例えば、この出力は、センサー出力の０Ｖ〜５Ｖ等の指定電圧範囲が、ゼロからセンサーの範囲の最高値までの流量率範囲に対応するように正規化することができる。この出力は、センサー出力の変化が流量率の変化に線形に対応するように線形化することもできる。出力が線形化された場合、例えば、流体出力を２倍にすると、電気出力が２倍になる。センサーの動的な応答、すなわち、流量または圧力の変化が求められるときに生じる圧力または流量率の変化の不正確な影響が求められ、そのような影響を補償することができるようにされる。
【００１５】
バイパスをセンサーに更に取り付けることができ、このバイパスは、流量計を通る総流量をセンサー出力信号から求めることができるように、質量流量センサー内を流れる流体と当該バイパス内を様々な既知の流量率で流れる流体との間の適切な関係を定める既知の流体を用いてチューニングされる。幾つかの質量流量制御器では、バイパスは用いられず、全流量がセンサーを通過する。質量流量センサー部分およびバイパスは、制御バルブおよび制御電子機器部分に更に結合することができ、更に既知の条件下で再度チューニングすることができる。制御電子機器および制御バルブの応答は、この場合、設定点または入力圧力の変化に対するシステムの全体応答が既知であるように特徴付けられ、この応答は、望ましい応答を提供するようにシステムを制御するのに用いることができる。
【００１６】
エンドユーザーによって用いられる流体のタイプが、チューニングおよび／または較正において用いられるものと異なるときまたはエンドユーザーによって用いられる流入口圧力および流出口圧力、温度、流量率の範囲等の動作条件が、チューニングおよび／または較正において用いられるものと異なるとき、質量流量制御器の動作は一般に劣化する。この理由によって、流量計は、追加の流体（「代用流体」と呼ばれる）および／または満足な応答を提供するのに必要なあらゆる変化がルックアップテーブルに記憶されている動作条件を用いてチューニングまたは較正することができる。「Flow Sensor Signal Conversion」についてのWang他に対する米国特許第7,272,512号は、用いられる異なるプロセス流体ごとにデバイスを較正するのに代用流体を必要とするのではなく、異なる気体の特性が応答を調節するのに用いられるシステムを記載している。この米国特許は、本発明の譲受人によって所有され、引用することによって本明細書の一部をなす。
【００１７】
更に、質量流量制御器１００は、流路内の圧力を測定するために、これに限定されるものではないが通常はバイパス１４２の上流の或る箇所で流路に結合された圧力トランスデューサー１１２を備えることができる。圧力トランスデューサー１１２は、圧力を示す圧力信号を提供する。開示した実施形態によれば、圧力トランスデューサー１１２は、減衰速度測定中に圧力を測定するのに用いられる。
【００１８】
制御電子機器１６０は、望ましい質量流量を示す設定点と、センサー導管内を流れる流体の実際の質量流量を示す質量流量センサーからの電気流量信号とに従って制御バルブ１７０の位置を制御する。比例制御、積分制御、比例積分（ＰＩ）制御、微分制御、比例微分（ＰＤ）制御、積分微分（ＩＤ）制御および比例積分微分（ＰＩＤ）制御等の従来のフィードバック制御方法が、この場合、質量流量制御器において流体の流量を制御するのに用いられる。制御信号（例えば、制御バルブ駆動力信号）は、流体の望ましい質量流量を示す設定点信号と、質量流量センサーによって感知された実際の質量流量に関係したフィードバック信号との間の差である誤差信号に基づいて生成される。制御バルブは、主要流体流路（通常、バイパスおよび質量流量センサーの下流）に位置決めされ、主要流体流路を通流する流体の質量流量を変化させるように制御（例えば、開放または閉鎖）を受けることができ、この制御は、質量流量制御器によって提供される。
【００１９】
図示した例では、流量率は、電気導体１５８によって閉ループシステムコントローラー１６０に電圧信号として供給される。この信号は、増幅され、処理され、制御バルブ組立体１５０に供給されて、流量が変更される。この目的のために、コントローラー１６０は、質量流量センサー１４０からの信号を所定の値と比較し、それに応じて比例バルブ１７０を調節して望ましい流量を達成する。
【００２０】
図２は、開示した実施形態によるフィードフォワード補正を有する一般的なＰＩＤ制御ループを示す流れ図である。ＰＩＤ制御ループ２００は、温度を測定して流体路に沿った温度を求めることによってステップ２０２から開始する。ステップ２０４において、ＰＩＤ制御ループ２００は、圧力トランスデューサーを用いて圧力を測定する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２０６において、測定された圧力を用いて静的なフィードフォワード補正値（複数の場合もある）を計算する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２２０において、この静的なフィードフォワード補正値（複数の場合もある）を用いて、圧力擾乱を阻止するように制御信号を調節する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２０８において、流量計を用いて流量を測定する。ステップ２１０において、ＰＩＤ制御ループ２００は、設定点を取得する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２１２において、ＰＩＤコントローラーを用いて、必要とされるバルブ位置を計算する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２２０において、計算された必要とされるバルブ位置を取得することができるように制御信号を調節する。ＰＩＤ制御ループ２００は、ステップ２２２において、計算された必要とされるバルブ位置にバルブを移動させるためにバルブ制御信号をバルブに印加する。ＰＩＤ制御ループ２００は、その後、繰り返す。
【００２１】
ＰＩＤ制御ループ２００とは異なり、本明細書において開示した実施形態は、質量流量制御器の様々な構成要素の数学モデルを利用して、単純なＰＩＤベースの制御システムを用いると可能ではない方法で制御方式を顧客の用途に適応させることを可能にする制御ループを記載している。例えば、開示した実施形態は、次の質量流量制御器の構成要素のモデル、すなわち、種々の流量条件および気体の下でセンサーの特性をモデル化するセンサーモデルと、磁気ヒステリシスおよびリフト対力を含む種々の流量条件（例えば、実際の流量、温度、気体特性、流入口圧力および流出口圧力等）の下でバルブの特性をモデル化するバルブモデルと、バイパスの特性を気体、流量、流入口圧力等の関数としてモデル化するバイパスモデルと、コントローラーが完全なＭＦＣに適用される際にそのコントローラーに関する特性をモデル化するコントローラーモデルとを利用することができる。ただし、質量流量制御器の構成要素は、上記構成要素に限定されるものではない。
【００２２】
非限定的な例として、図３は、バルブ流量モデル３００の一例を示し、図４は、バルブ力対リフトモデル４００を示し、図５は、バルブヒステリシスモデル５００（与圧なし）の一例を示している。
【００２３】
図６は、開示した実施形態による質量流量制御器の様々な構成要素のモデルを利用するモデルベースの制御ループ６００の一例を示す流れ図である。このモデルベースの制御ループ６００は、特定の用途／条件ごとにチューニングを必要とすることなく様々な条件下でデバイスに対する自動最適応答を提供するように、質量流量制御器のコントローラーにおいて実施することができる。
【００２４】
ＰＩＤ制御ループ２００と同様に、モデルベースの制御ループ６００は、ステップ６０２において、温度を測定して流体路に沿った温度を求めることによって開始する。ステップ６０４において、モデルベースの制御ループ６００は、圧力トランスデューサーを用いて圧力を測定する。モデルベースの制御ループ６００は、ステップ６０６において、流量計を用いて流量を測定する。ステップ６０８において、モデルベースの制御ループ６００は設定点を取得する。
【００２５】
ステップ６１０において、モデルベースの制御ループ６００は、図３に示すようなバルブ流量モデルを用いて流量設定点を達成するのに必要とされるバルブリフトを求める計算を実行する。このバルブ流量モデルは、質量流量制御器内に書き込まれる固定係数を計算する製造ソフトウェアで実施される。１つの実施形態では、このアルゴリズムは、質量流量制御器自体の内部に実装され、リアルタイムで実行される。
【００２６】
１つの実施態様では、バルブ流量モデル３００を生成する際に、種々の流入口圧力および流出口圧力における流体の流量が、主に粘性圧力降下および非粘性（動的）圧力降下の２つの構成要素からなるように物理的にモデル化される。各構成要素についてのバルブの有効変位が等しい場合のこれらの構成要素のそれぞれの寄与を合計することによって、バルブの有効変位は、以下の方法論を用いて実験的に求めることができる。特定の流体に関する特定の流体流量率におけるバルブの有効変位を求めることによって、バルブに関連付けられた利得項を求めることが可能になり、従って、バルブアクチュエーターに関連付けられた利得項を求めることが可能になる。
【００２７】
一般に、モデルベースの制御ループ６００の一部である各構成要素は、関連付けられた利得を有することができる。利得という用語は、特定の構成要素または一群の構成要素の入力と出力との間の関係を指す。例えば、利得は、入力の変化に対する出力の変化の比を表すことができる。利得は、１または複数の変数、例えば、質量流量制御器の１または複数の動作条件および／または特性（例えば、流量率、流入口圧力および／または流出口圧力、温度、バルブ変位等）の関数とすることができる。一般に、そのような利得関数は、利得項と呼ばれる。利得項、より詳細には利得項を表すものは、曲線、関数のサンプル、離散データ点、点対、定数等とすることができる。
【００２８】
１つの実施形態では、上流の圧力または流入口圧力をＰ1によって表すものとし、下流の圧力または流出口圧力をＰ2によって表すものとすると、Ｑによって表される質量流量において、バルブリフトはＨによって表され、粘性効果のみが圧力をＰ1から或る中間圧力Ｐxに低減する。非粘性圧縮性流が、圧力を中間圧力ＰxからＰ2に更に低減する。２つの平行板の間（例えば、バルブシートとジェット面との間）における流体の粘性流の物理モデルに基づいてバルブ１７０両端における粘性圧力降下をモデル化すると、これらの２つの平行板の間の距離Ｈ（例えば、バルブ１７０の変位）は、以下の式によって提供される。
【数１】
2018173963.tif 000003
式中、
Ｐ1、Ｐx：粘性表面の上流および下流の圧力（ｐｓｉ）である。
Ｑ：質量流量（標準CC/min）である。
Ｌ：流路の長さ（ｆｔ）である。
Ｈ：２つの平行な表面間の距離（ｆｔ）である。
ｗ：流路の幅である。ｗはπ・φに等しく、φはプラトー（plateau）の平均直径であり、φは試験されたバルブに基づくと０．０４０”に等しい。
μ：気体の動的粘度（センチポアズ）である。
Ｔ：絶対温度（ランキン度）である。
Ｒ：気体定数（ft-lbf/lbm−ランキン度）である。
【００２９】
オリフィスまたは噴出孔を通る流体の非粘性流の物理モデルに基づいてバルブ１７０の両端における非粘性圧力降下をモデル化することによって、以下の式が提供される。チョーク流の場合には、以下の式となる。
【数２】
2018173963.tif 000004
非チョーク流の場合には、以下の式となる。
【数３】
2018173963.tif 000005
ここで、流れは、
【数４】
2018173963.tif 000006
である場合にはチョークされ、それ以外の場合にはチョークされていない。
【００３０】
ここで、
Ｑ＝バルブを通る流量（標準CC/min）である。
Ａ＝π・φ・Ｈ＝バルブ有効面積（平方インチ）である。
φ＝オリフィスの直径である。
Ｍw＝気体分子量（グラム／モル）である。
Ｐx,0＝上流の総圧力(torr)である。
Ｐ2＝下流の静的圧力(torr)である。
Ｔ1,0＝気体温度（Ｋ）である。
γ＝比熱比である。
【００３１】
上記粘性式および非粘性式から、バルブ１７０の有効変位（すなわち、Ｈ）を容易に求めることができる。有効変位を計算する１つの例示の方法は、試行錯誤によって中間圧力Ｐxを推定することである。この場合、Ｈの値は、粘性流理論（Ｈｖ、式１）と、流れがチョークされているか否か（式４）に応じた非粘性理論（Ｈｉ、式２または式３）との双方から計算される。従って、中間圧力が流出口圧力のほぼ２倍である場合には、チョーク流を仮定することができ、式２が計算の非粘性構成要素に用いられるのに対して、流入口圧力が流出口圧力のほぼ２倍未満である場合には、式３が計算の非粘性構成要素に用いられる。所与のＱ、Ｐ1およびＰ2について、粘性バルブリフト（Ｈｖ）および非粘性バルブリフト（Ｈｉ）が互いに等しくなるとき、正しいＰxが取得される。従って、この計算方式は、Ｐxを取得する連続した反復を伴う。この計算は、Ｐxを、Ｐ1とＰ2との中程になるように選ぶことによって開始する。次に、ＨｖおよびＨｉが計算される。ＨｖがＨｉよりも大きいと判断された場合、これは、粘性流が、非粘性流に比べて、必要とされる流量を送達するのに十分な差圧がないことを意味し、次の反復中に、より低い圧力Ｐx’が、すなわち、下流の圧力Ｐ2と前の圧力Ｐxとの間において選ばれることになる。この反復は、２つの計算されたバルブリフトＨｖおよびＨｉが互いの或る閾値内に入るまで継続する。上述したように、この反復プロセスは、質量流量制御器自体の内部に実装されたソフトウェアで実行することができ、リアルタイムで実行することができる。従って、上記方法に基づくと、バルブ１７０の有効変位を、複数の異なる流量率のそれぞれについて求めることができる。
【００３２】
異なるバルブおよびバルブタイプは異なる物理モデルを有する場合があることが認識されるべきである。さらに、任意の特定のバルブの特性をモデル化するのに用いることができる物理モデルは２つ以上存在し得る。従って、本発明は、どの特定のバルブモデルにも限定されるものではない。
【００３３】
図６を再び参照すると、モデルベースの制御ループ６００は、ステップ６１２において、リフト対力モデルを用いて上記リフトを生成するのに必要とされる力を計算する。このリフト対力モデルは、図４に示すリフト対力モデル４００等であるが、これらに限定されるものではない。１つの実施形態では、リフト対力モデルは、力の平衡式：Ｆ＝ｋｘ＋ｄｅｌｔａＰ＊Ａに基づいている。ここで、ｋは、バルブのばね定数と等価なものであり、ｘは、変位の量であり、ｄｅｌｔａＰは、バルブの両端における圧力差であり、Ａは、圧力差に暴露されたバルブシートの表面積に等しい。
【００３４】
モデルベースの制御ループ６００は、次に、ステップ６１４において、バルブヒステリシスモデルを用いて上記力を生成するのに必要とされる駆動を計算する。このバルブヒステリシスモデルは、バルブヒステリシスモデル５００等であるが、これらに限定されるものではない。モデルベースの制御ループ６００は、ステップ６１６において、計算された駆動を用いて、バルブ制御信号をバルブに印加し、バルブを必要とされる位置に移動させる。モデルベースの制御ループ６００は、その後、繰り返される。
【００３５】
１つの実施形態では、ステップ６１４におけるバルブヒステリシスモデルは、従来のプライザッハモデルを利用した質量流量制御器内部のソフトウェアまたはファームウェアとして実装される。このプライザッハモデルは、力の量をアクチュエーター駆動の関数としてモデル化することによって、電磁アクチュエーターまたはピエゾアクチュエーターのヒステリシス特性の非線形性を捉えるのに用いられる。プライザッハモデルの主要な要素は、力の変化を経時的なバルブ駆動力の履歴の関数として考慮する力対バルブ駆動力表面マップＭｓである。プライザッハ関数Ｐ（Ｕ，Ｖ）は、磁性材料内の全てのヒステロン（hysterons）の密度関数である。総磁化は、以下の式によって表される。
【数５】
2018173963.tif 000007
【００３６】
磁化は、プライザッハ平面上に表すことができる。例えば、図８は、プライザッハ平面上に表される表面マップ８００の初期状態を示している。この初期状態は、全てのヒステロンが−１状態にある（すなわち、表面マップ８００が完全に不活性である）ものと仮定されている。図８において、Ｕは、バルブ駆動力を表し、Ｖは、所与のリフトに必要とされる力を表し、ｍ＝−１は、不活性な表面エリアである。１つの実施形態では、Ｕは、Ｖよりも大きいものと仮定され、従って、三角形のみが、システム全体を表すのに必要とされる。磁場を単調に増加させた後、少数のヒステロン（低い感度を有するヒステロン）は、自身の磁化を−１から＋１に切り替える（ｍ＝＋１は、活性である表面エリアである）。これは、図９において、三角形の底部における小さなエリアによって表されている。磁場が増加し続けると、より多くのヒステロンが、図１０に示す＋１磁化に切り替わる。
【００３７】
活性表面エリアを積分することによって、開示した実施形態は、バルブアクチュエーター力を経時的なバルブ駆動力の関数として追跡することができる。言い換えると、この動的な表面マップは、ヒステリシスの状態を前の全ての位置の関数として有するライブテーブルである。例えば、図７は、ヒステリシスの状態を前の全てのバルブ位置の関数として示す表面マップを動的に生成および更新するためのプロセス７００を示している。１つの実施形態では、質量流量制御器に電源が投入された後、プロセス７００は、ステップ７０２において始動される。プロセス７００は、ＭＦＣ制御アルゴリズムがゼロ設定点を受け取り、バルブがオフにされるごとに始動することもできる。
【００３８】
プロセス７００は、ステップ７０４において、入力として望ましい力を受け取る更新関数をコールする。ステップ７０６において、プロセスは、望ましい力が現在の力よりも大きいのかまたは小さいのかを判断する。プロセスは、ステップ７０６において、望ましい力が現在の力よりも小さいと判断した場合、ステップ７０８において、値Vd_downを現在の駆動から差し引く。ステップ７１０において、プロセスは、図１１に示すように、表面マップの一時コピーを更新し、新たな力を計算する。プロセスは、ステップ７１２において、この新たな力が望ましい力以下であるか否かを判断する。プロセスは、この新たな力が望ましい力以下でないと判断した場合、新たな力が望ましい力以下でなくなるまで、ステップ７０８において、値Vd_downを現在の駆動から差し引くことによって当該プロセスを繰り返す。新たな力が望ましい力以下になると、プロセスは、ステップ７２０において、実際の表面マップを更新し、必要とされるバルブ駆動力値を出力する。
【００３９】
一方、プロセスは、ステップ７０６において、望ましい力が現在の力よりも大きいと判断した場合、ステップ７１４において、値Vd_upを現在の駆動に加える。ステップ７１６において、プロセスは、図１２に示すように、表面マップの一時コピーを更新し、新たな力を計算する。プロセスは、ステップ７１８において、この新たな力が望ましい力以上であるか否かを判断する。プロセスは、この新たな力が望ましい力以上でないと判断した場合、新たな力が望ましい力以上でなくなるまで、ステップ７１４において、値Vd_downを現在の駆動に加えることによって当該プロセスを繰り返す。新たな力が望ましい力以上になると、プロセスは、ステップ７２０において、実際の表面マップを更新し、必要とされるバルブ駆動力値を出力する。図１３は、上記プロセスを用いた複数回の反復後の表面マップの一例を示している。プロセス７００は、新たな望ましい力が取得されるごとに繰り返される。
【００４０】
１つの実施形態では、以下の離散行列が、上記に示した式５を表すのに用いられる。
【数６】
2018173963.tif 000008
式中、ｊ≧ｉの場合、ｐ（ｉ，ｊ）＝０である。
【００４１】
この行列のあらゆる列が、異なるバルブ駆動力を表している。バルブ駆動力の分解能は、行列のサイズを決定する。例えば、１％の分解能は、１００×Ｍ行列を必要とする。行は、駆動からもたられる力である。この行列は正方形である必要はなく、そのため、Ｍは１００よりも小さくすることもできるし、大きくすることもできることに留意されたい。バルブ駆動力が上下すると、行列のセルは、交互に１および０になり、図１３に示すような活性／不活性表面マップを作成する。
【００４２】
或る特定の実施形態では、プロセス７００は、「不動帯」、並びに例えば流入口圧力、温度または気体特性に基づいてVd_upおよびVd_downの値を調節するためのステップを実施することができる。
【００４３】
代替の実施形態では、アルゴリズムの計算要件およびメモリ要件を低減するために、プライザッハマップにおける最大変曲点および最小変曲点の経過のみを追跡するようにプロセス７００を変更することができる。プライザッハマップは、次に、反転されて、所与の力を生成するのに必要とされる所要の駆動が取得される。更に、代替の実施形態は、ヒステリシス効果の他の数学モデルを実施することができる。これらの他の数学モデルは、チューア（Chua）およびストロズモー（Stromsmoe）のモデル、ジルズ（Jiles）およびアサートン（Atherton）のモデルまたはカーノップ（Karnopp）のモデル等であるが、これらに限定されるものではない。
【００４４】
さらに、別の実施形態では、モデルベースの質量流量制御器は、図２において前述したようなＰＩＤ制御を利用することができ、ＰＩＤの外部の制御変数が、ヒステリシスモデルが駆動に変換する力である（ＰＩＤの外部の制御変数が駆動であること、すなわちステップ２２０とは対照的である）ヒステリシスモデルを追加することができる。これによって、制御システムにおいてヒステリシスが大幅に低減されるという利点がもたらされ、さらに、これによって、乱れからの回復が高速化される。
【００４５】
従って、上記に説明したように、開示した実施形態の利点には、特定の用途／条件ごとにチューニングを必要とすることなく様々な条件下でデバイスに対する自動最適応答を可能にするように構成されたモデルベースのコントローラーを質量流量制御器に設けることが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００４６】
上記実施形態についての具体的な詳細を説明してきたが、上記ハードウェアおよびソフトウェアの説明は、単なる例示の実施形態として意図されているにすぎず、開示した実施形態の構造も実施態様も限定するように意図されていない。
【００４７】
更に、開示した実施形態の或る特定の態様は、上記で概説したように、１または複数の処理ユニット／構成要素を用いて実行されるソフトウェアに具現化することができる。この技術のプログラムの態様は、通常は或るタイプの機械可読媒体上に担持されるかまたはその機械可読媒体に具現化される実行可能コードおよび／または関連データの形態の「製品」または「製造物品」と考えることができる。有形の非一時的な「記憶装置」型媒体には、ソフトウェアプログラミング用にいつでも記憶装置を提供することができる、様々な半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブ、光ディスクまたは磁気ディスク等の、コンピューター、プロセッサ等またはそれらの関連モジュールのためのメモリまたは他の記憶装置のうちの任意のものまたはそれらの全てが含まれる。
【００４８】
当業者であれば、本教示が、様々な変更形態および／または強化形態に適用可能であることを認識するであろう。上記内容は最良の形態とみなされるものおよび／または他の例を説明しているが、様々な変更をそれらに行うことができること、本明細書に開示した主題は様々な形態および例で実施することができること、並びにそれらの教示は多数の用途において適用することができ、それらの用途の一部しか本明細書に説明されていないことが理解される。そのような変更は、本教示の真の範囲内に包含されるように意図されている。
【００４９】
更に、図におけるフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法およびコンピュータープログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能および動作を示している。幾つかの代替の実施態様では、ブロックに示された機能は、図に示された順序以外で行うことができることにも留意すべきである。例えば、連続して示された２つのブロックは、含まれる機能に応じて、実際には、実質的に同時に実行される場合もあるし、それらのブロックは、時に、逆の順序で実行される場合もある。ブロック図および／またはフローチャート説明図の各ブロック、並びにブロック図および／またはフローチャート説明図におけるブロックの組み合わせは、指定された機能若しくは動作を実行する専用ハードウェアベースのシステムまたは専用ハードウェアおよびコンピューター命令の組み合わせによって実施することができることにも留意されるであろう。
【００５０】
本明細書に用いられる術語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明の限定であるように意図されていない。数量が特定されていない記載は、本明細書において用いられるとき、文脈が複数形を含まないことを明確に示していない限り、複数形も同様に含むように意図されている。「具備する」という用語は、この明細書および／または特許請求の範囲において用いられるとき、明記した特徴、完全体、ステップ、動作、要素および／または構成要素が存在することを明示しているが、１または複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはそれらの群が存在することまたは追加されることを排除していないことが更に理解されるであろう。添付の特許請求の範囲における全ての手段またはステップに機能を加えた要素の対応する構造、材料、動作および均等物は、その機能を、具体的に請求項に記載されている他の請求項に記載の要素と組み合わせて実行するための任意の構造、材料または動作を含むように意図されている。本発明の説明は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、開示した形態の発明に限定されることも意図するものではない。本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者に明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実用的な用途を説明するとともに、他の当業者が、考慮されている特定の使用に適するように様々な変更を有する様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために選ばれて記載されている。請求項の範囲は、開示した実施形態および任意のそのような変更を広く包含するように意図されている。
【符号の説明】
【００５１】
１００    質量流量制御器
１０２    センサーハウジング
１０８    基部
１１０    ステップ
１１２    圧力トランスデューサー
１２０    流体流入口
１３０    流体流出口
１４０    熱式質量流量計
１４２    バイパス
１４６    熱式流量センサー
１４６Ａ    センサー流入口部分
１４６Ｂ    センサー流出口部分
１４６Ｃ    センサー測定部分
１４７    抵抗器
１４８    抵抗器
１５０    制御バルブアセンブリ
１５８    電気導体
１６０    閉ループシステムコントローラー
１７０    制御バルブ
２００    制御ループ
３００    バルブ流量モデル
４００    バルブ力対リフトモデル
４００    リフト対力モデル
５００    バルブヒステリシスモデル
６００    制御ループ
【図１】
2018173963.tif 000009
【図２】
2018173963.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018173963.tif 000014
【図７】
2018173963.tif 000015
【図８】
2018173963.tif 000016
【図９】
2018173963.tif 000017
【図１０】
2018173963.tif 000018
【図１１】
2018173963.tif 000019
【図１２】
2018173963.tif 000020
【図１３】
2018173963.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月22日(2018.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を制御するための質量流量制御器であって、
前記流体を受け取るための流入口と、
前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、
該質量流量制御器の流出口から流出する前記流体の前記流量を調節するための調節可能バルブと、
前記調節可能バルブの前の位置の関数として前記調節可能バルブに関連付けられたヒステリシスの状態を示すプライザッハモデルを初期化するように、及び所与の流量設定点に基づいて望ましいバルブ位置に前記調節可能バルブを移動させるためのバルブリフトを達成する望ましい力を受け取るように、及び前記望ましい力が取得されるまでバルブ駆動力の増加または減少の一方を実施することによって前記プライザッハモデルの更新の少なくとも１回の反復を実施する命令を実行するように構成された少なくとも１つの処理構成要素と、
前記バルブ駆動力に基づいてバルブ制御信号を与えて、前記調節可能バルブを前記望ましいバルブ位置に調節し、該質量流量制御器の流出口から流出する前記流体の前記流量を制御するように構成されたコントローラーと、
を具備しており、
前記質量流量計は、流量センサーを備える熱式質量流量計である、
流体の流量を制御するための質量流量制御器。
【請求項２】
前記流路に沿った温度を求めるための温度センサーを更に備える請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項３】
前記流路の前記流入口の近くにおける前記流体の流体圧力に対応する信号を提供するための圧力トランスデューサーを更に備える請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項４】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、バルブ流量モデルを用いて前記バルブリフトを求める命令を実行するように構成されている請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、バルブリフト対力モデルを用いて、前記バルブリフトを達成する前記力を求める命令を実行するように構成されている請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に用いられるエンドユーザー指定値を取得する命令を実行するように構成されている請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの処理構成要素は、前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に製造者指定値を利用する命令を実行するように構成されている請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項８】
流体の流量を制御するための方法であって、
調節可能バルブの前の位置の関数として前記調節可能バルブに関連付けられたヒステリシスの状態を示すプライザッハモデルを初期化することと、
所与の流量設定点に基づく望ましいバルブ位置に前記調節可能バルブを移動させるためのバルブリフトを達成する力を受け取ることと、
前記望ましい力が取得されるまでバルブ駆動力の増加または減少の一方を実施することによって前記プライザッハモデルの更新の少なくとも１回の反復を実施することと、
前記望ましいバルブ位置に前記調節可能バルブを調節して前記流体の前記流量を制御するために、プロセッサを用いて、前記バルブ駆動力に基づくバルブ制御信号を与えることと、
前記プロセッサを用いて、前記流体の流路に沿った温度及び流体圧力を求めることと、
を含む流体の流量を制御するための方法。
【請求項９】
前記プロセッサを用いて、バルブ流量モデルを用いて前記バルブリフトを求めることを更に含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記プロセッサを用いて、バルブリフト対力モデルを用いて前記バルブリフトを達成する前記力を求めることを更に含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に用いられるエンドユーザー指定値を受け取ることを更に含む請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記望ましい力が取得されるまで前記バルブ駆動力を増加または減少させる際に製造者指定値を利用することを更に含む請求項８に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2018173963.tif 000022
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2018173963.tif 000023
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2018173963.tif 000024
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2018173963.tif 000025
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2018173963.tif 000026
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2018173963.tif 000027
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2018173963.tif 000028
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2018173963.tif 000029
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2018173963.tif 000030
【外国語明細書】
2018173963000001.pdf