(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる流路に対して設けられた流量センサ部と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部の下流側または上流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とが入力される誤差増幅器と、この誤差増幅器からの信号が入力されるＰＩＤ回路とを有し、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するマスフローコントローラであって、前記流量設定信号が入力され、かつ前記ＰＩＤ回路に補正信号を出力する比較回路と、この比較回路に閾値となる信号を出力する基準電圧発生回路とを備え、前記制御バルブが閉状態にある場合に、前記比較回路において、流量設定信号のレベルが前記閾値を超えると補正信号が出力され、ＰＩＤ回路からの制御信号が、制御バルブの開き出し電圧まで瞬時に立ち上がり、その後、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて閉状態にある前記制御バルブの開度の制御が開始されるように構成してあることを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項２】
流体が流れる流路に対して設けられた流量センサ部と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部の下流側または上流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とが入力される誤差増幅器と、この誤差増幅器からの信号が入力されるＰＩＤ回路とを有し、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するマスフローコントローラであって、前記制御バルブを強制クローズするバルブクローズ信号が入力され、かつ前記ＰＩＤ回路に補正信号を出力する比較回路と、この比較回路に閾値となる信号を出力する基準電圧発生回路とを備え、前記制御バルブが閉状態にある場合に、前記比較回路において、バルブクローズ信号のレベルが前記基準電圧発生回路によって設定された閾値を下回ると補正信号が出力され、ＰＩＤ回路からの制御信号が、制御バルブの開き出し電圧まで瞬時に立ち上がり、その後、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて閉状態にある前記制御バルブの開度の制御が開始されるように構成してあることを特徴とするマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の質量流量を計測し流体流量を制御するマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のマスフローコントローラの構成を概略的に示すブロック図である。
従来のマスフローコントローラとして、流体が流れる流路に対して設けられた流量センサ部１と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部１の下流側または上流側に設けられた制御バルブ２と、前記流量センサ部１からの流量測定信号ａと流量設定信号ｂとが入力される誤差増幅器３と、この誤差増幅器３からの信号ｃが入力されるＰＩＤ回路４とを有し、前記ＰＩＤ回路４から出力される制御信号ｆに基づいて前記制御バルブ２の開度を制御する構成を採用したものがある。
【０００３】
上記のマスフローコントローラにおいて、ＰＩＤ回路４から前記制御バルブ２への制御信号ｆの電圧、すなわちバルブ電圧Ｖc は、一般的に下式（１）によって与えられる。
Ｖc ＝Ｐ・ε＋Ｉ∫ε・δｔ＋Ｄ・δε／δｔ                （１）
（ε＝ＳＥＴ−ＯＵＴ）
なお、ＳＥＴは流量設定信号、ＯＵＴは流量測定信号である。
従って、（ＳＥＴ−ＯＵＴ）の絶対値が小さくなるほど、バルブ電圧Ｖc の変化（単位時間あたり）は小さくなる。
【０００４】
また、前記マスフローコントローラの制御バルブにおいて、図６のバルブ電圧Ｖc −流量特性を示すグラフから明らかなように、流体が流れ出す（制御バルブが開き出す）のは、バルブ電圧Ｖc が０からではなく、ある値Ｖ0 を超えてからとなる。
【０００５】
以下に、閉状態にある制御バルブを一定の開度とするまでのマスフローコントローラの動作について説明する。
図７（Ａ）は、前記流量設定信号ｂの一例を概略的に示すグラフであり、図７（Ｂ）および（Ｃ）は、前記流量設定信号ｂに対応する流量測定信号ａおよび制御信号ｆの構成を概略的に示すグラフである。なお、各グラフは、横軸に時間ｔ、縦軸に電圧Ｖをプロットしたものである。
まず、図７（Ａ）に示すように、時刻ｔo において、流量設定信号ｂがある値、たとえば１００Ｖに設定されたとすると、この流量設定信号ｂは、図７（Ｂ）に示す流量測定信号ａとともに誤差増幅器３に入力され、誤差増幅器３からの信号ｃは前記ＰＩＤ回路４に入力される。続いて、このＰＩＤ回路４から、式（１）に基づいた制御信号ｆが制御バルブ２に出力される（図５参照）。
【０００６】
ここで、バルブ電圧Ｖc がＶ0 となる時刻、すなわち前記制御バルブ２が開き出す時刻をｔ1 、制御バルブ２の開度が前記流量設定信号ｂに対応した状態となる時刻をｔ2 とすると、時刻ｔo からｔ1 までの間は、流量がゼロであることから、図７（Ｂ）に示すように流量測定信号ａは一定となり、図７（Ｃ）に示すように制御信号ｆは一定の傾きをもった直線として表される。この傾きは、（流量設定信号ＳＥＴ−流量測定信号ＯＵＴ）の大きさに比例し、流量設定信号ＳＥＴが小さくなるほど、傾きも小さくなり、時刻ｔo から制御バルブ２が開き出す時刻ｔ1 までの遅れ時間ｔD が長くなることになる。従って、上記の構成からなるマスフローコントローラでは、特に低流量域での応答性が良くなかった。なお、制御バルブ２の開度が流量設定信号ｂに対応した状態となるのは、時刻ｔ1 ＋Δｔである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような問題を解決するために、ＰＩＤ回路からの出力が速くなるようなＰＩＤ定数の調整が行われていたが、この場合、制御が不安定になったり、オーバーシュートを起こすなどの問題が生じることとなった。
【０００８】
また、制御バルブが開き出す電圧Ｖ0 には個体差があり、上記の構成からなるマスフローコントローラの低流量域の応答性は前記電圧Ｖ0 に依存することから、マスフローコントローラの低流量域における応答性に器差が生じ、ひいてはマスフローコントローラ同士の互換性や再現性などが悪くなることとなっていた。
【０００９】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、低流量域における応答性、互換性、再現性などに優れたマスフローコントローラを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明のマスフローコントローラは、流体が流れる流路に対して設けられた流量センサ部と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部の下流側または上流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とが入力される誤差増幅器と、この誤差増幅器からの信号が入力されるＰＩＤ回路とを有し、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するマスフローコントローラであって、前記流量設定信号が入力され、かつ前記ＰＩＤ回路に補正信号を出力する比較回路と、この比較回路に閾値となる信号を出力する基準電圧発生回路とを備え、前記制御バルブが閉状態にある場合に、前記比較回路において、流量設定信号のレベルが前記閾値を超えると補正信号が出力され、ＰＩＤ回路からの制御信号が、制御バルブの開き出し電圧まで瞬時に立ち上がり、その後、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて閉状態にある前記制御バルブの開度の制御が開始されるように構成してある（請求項１）。
【００１１】
また、流体が流れる流路に対して設けられた流量センサ部と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部の下流側または上流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とが入力される誤差増幅器と、この誤差増幅器からの信号が入力されるＰＩＤ回路とを有し、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するマスフローコントローラであって、前記制御バルブを強制クローズするバルブクローズ信号が入力され、かつ前記ＰＩＤ回路に補正信号を出力する比較回路と、この比較回路に閾値となる信号を出力する基準電圧発生回路とを備え、前記制御バルブが閉状態にある場合に、前記比較回路において、バルブクローズ信号のレベルが前記基準電圧発生回路によって設定された閾値を下回ると補正信号が出力され、ＰＩＤ回路からの制御信号が、制御バルブの開き出し電圧まで瞬時に立ち上がり、その後、前記ＰＩＤ回路から出力される制御信号に基づいて閉状態にある前記制御バルブの開度の制御が開始されるように構成してあるとしてもよい（請求項２）。
【００１２】
上記の構成により、低流量域における応答性、互換性、再現性などに優れたマスフローコントローラを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を、図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一実施例に係るマスフローコントローラＤの構成を概略的に示すブロック図である。
マスフローコントローラＤは、流体が流れる流路（図示せず）に対して設けられた流量センサ部１と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部１の下流側または上流側に設けられた制御バルブ２と、前記流量センサ部１からの流量測定信号ａと流量設定信号ｂとが入力される誤差増幅器３と、この誤差増幅器３からの信号ｃが入力されるＰＩＤ回路４と、前記流量設定信号ｂが入力され、かつ前記ＰＩＤ回路４に補正信号ｄを出力する比較回路５と、この比較回路５に閾値Ｖthとなる信号ｅを出力する基準電圧発生回路６とからなる。
【００１４】
前記流量センサ部１は、前記流路に設けられた一対の感熱センサからなり、この感熱センサによって検出された流体の瞬時流量は、センサ回路において電気的な流量測定信号ａに変換される。
【００１５】
前記制御バルブ２は、ＰＩＤ回路から出力される制御信号ｆに基づいて制御されることにより弁開度を変え、これによって、流路中を流れる流体の流量を制御するように構成されており、たとえば特許第２８１４３７８号公報に開示されているものが用いられる。また、本実施例の制御バルブ２は、従来のマスフローコントローラにおける制御バルブ２と同様に、バルブ電圧Ｖc が０から開き出すのではなく、ある値Ｖ0 を超えてから開き出すものである。
【００１６】
前記誤差増幅器３は、流量測定信号ａと流量設定信号ｂとの差を信号ｃに変換して出力するためのものである。
【００１７】
前記ＰＩＤ回路４は、入力された信号ｃや補正信号ｄを上記（１）式に基づいて演算処理し、制御信号ｆとして出力するためのものである。
【００１８】
前記比較回路５は、入力された流量設定信号ｂのレベルが閾値Ｖthを超えると、前記ＰＩＤ回路４に補正信号ｄを出力する。そして、ＰＩＤ回路４からの制御信号ｆは、制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 まで瞬時に立ち上がることとなる。なお、このときの制御信号ｆの立ち上がり電圧は、任意に設定することが可能である。
【００１９】
すなわち、図２（Ａ）に示すような流量設定信号ｂが、時刻ｔ0 において比較回路５に入力されると、流量設定信号ｂが閾値Ｖthを超えた瞬間の時刻ｔ0'に、図２（Ｂ）に示すような補正信号ｄが出力されることになる。なお、時刻ｔ0 から時刻ｔ0'までの時間的な間隔は極めて小さいものである。
【００２０】
前記基準電圧発生回路６は、たとえばダイオードなどより構成されており、閾値Ｖthを任意に設定できるものである。なお、前記閾値は、たとえば制御バルブ２がフルオープン時のバルブ電圧Ｖc の１．５％に設定される。
【００２１】
上記の構成からなるマスフローコントローラＤは、入力された流量設定信号ｂが０Ｖから立ち上がる際に別途定めた閾値Ｖthを超えることをトリガとして、スタート信号としての補正信号ｄをマスフローコントローラＤ自身で発生し、さらに、このスタート信号がＰＩＤ回路４に入力されることをトリガとして、制御信号ｆの電圧が制御バルブ２の開き出し電圧の間近まで瞬時に立ち上げられ、その後は通常のＰＩＤ制御が行われるものであり、このような構成から、流量設定信号ｂが入力されてから制御バルブ２が開き出すまでの時間を省くことが可能である。
【００２２】
以下に、上記の構成からなるマスフローコントローラＤの動作について説明する。図３（Ａ）は前記流量設定信号ｂの一例を概略的に示すグラフであり、図３（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ流量設定信号ｂに対応する流量測定信号ａおよび制御信号ｆの構成を概略的に示すグラフである。なお、各グラフは、横軸に時間ｔ、縦軸に電圧Ｖがとられている。また、図３（Ａ）のグラフは、図２（Ａ）のグラフと同様に流量設定信号ｂを示しているが、図２（Ａ）のグラフは、流量設定信号ｂの立ち上がり部分を説明するために時間軸だけを拡大したものである。
ある時刻ｔ0 に、電圧が０Ｖからたとえば１００Ｖにまで立ち上げられることによってマスフローコントローラＤに入力された流量設定信号ｂは、誤差増幅器３と比較回路５とに入力されることになる（図１参照）。
【００２３】
前記誤差増幅器３には流量測定信号ａが常に入力されており、この流量測定信号ａとともに誤差増幅器３に入力された流量設定信号ｂは、信号ｃに変換されてＰＩＤ回路４に入力され、さらに制御信号ｆとなって制御バルブ２に入力されることになる。
【００２４】
一方、上述したように、流量設定信号ｂが入力された比較回路５において、流量設定信号ｂが別途定めてあった閾値Ｖthを超えると、その瞬間の時刻ｔ0'に、補正信号ｄがＰＩＤ回路４に出力される。そして、ＰＩＤ回路４からの制御信号ｆは、図３（Ｃ）に示すように、制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 まで瞬時に立ち上がることとなる。
【００２５】
上記のように制御信号ｆが電圧Ｖ0 まで立ち上がった後は、通常のＰＩＤ制御によって、制御バルブ２の開度が調整される。なお、前記制御信号ｆの電圧がＶ0 まで立ち上がってから、制御バルブ２の開度の調整が終了するまでの時間Δｔは、従来のマスフローコントローラと同時間である。
【００２６】
上記の構成からなるマスフローコントローラＤは、流量設定信号ｂが入力されてから制御バルブ２が開き出すまでの遅れ時間をなくすことができるため、迅速に制御バルブ２の制御を開始することが可能となり、低流量域の応答性に優れたものとなる。
【００２７】
また、前記制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 には個体差があるが、補正信号ｄがＰＩＤ回路４に入力されることによって立ち上がったときの制御信号ｆの電圧の設定は可変であることから、使用するバルブの特性に応じて前記電圧の調整を行えばよく、このような調整によって、流量設定信号ｂが入力されてから制御バルブ２が開き出すまでの時間を一様に省くことができるため、各種マスフローコントローラの低流量域の応答性における器差を解消することができ、ひいてはマスフローコントローラ同士の互換性やプロセスの再現性を向上させることが可能となる。
【００２８】
なお、前記補正信号ｄがＰＩＤ回路４に入力されることによって立ち上がった制御信号ｆの電圧が、制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 より大きくなった場合でも、前記ＰＩＤ回路４の働きにより、制御バルブ２の開度は最適値に修正される。
【００２９】
また、上記の構成からなるマスフローコントローラＤをたとえば半導体製造プロセスに用いれば、半導体製造プロセスの信頼性を向上させることが可能となる。
【００３０】
図４は、本発明の第二実施例に係るマスフローコントローラＤ2 の構成を概略的に示すブロック図である。なお、上記第一実施例に示したものと同一構造の部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
マスフローコントローラＤ2 は、流体が流れる流路（図示せず）に対して設けられた流量センサ部１と、同じく前記流路に対して設けられ、前記流量センサ部１の下流側または上流側に設けられた制御バルブ２と、前記流量センサ部１からの流量測定信号ａと流量設定信号ｂとが入力される誤差増幅器３と、この誤差増幅器３からの信号ｃが入力されるＰＩＤ回路４と、バルブクローズ信号ｇが入力され、かつ前記ＰＩＤ回路４に補正信号ｄを出力する比較回路５’と、この比較回路５に閾値Ｖthとなる信号ｅを出力する基準電圧発生回路６とからなる。
【００３１】
前記比較回路５’は、入力されたバルブクローズ信号ｇのレベルが閾値Ｖthを下回ると、前記ＰＩＤ回路４に補正信号ｄを出力する。そして、ＰＩＤ回路４からの制御信号ｆは、制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 まで瞬時に立ち上がることとなる。なお、このときの制御信号ｆの立ち上がり電圧は、任意に設定することが可能である。
【００３２】
前記バルブクローズ信号ｇは、制御バルブ２を強制クローズするためのものである。
【００３３】
以下に、上記の構成からなるマスフローコントローラＤ2 の動作について説明する。
今、流量設定信号ｂが１００Ｖに設定され、制御バルブ２が、この流量設定信号ｂに対応した開度を保つように調整された状態から、バルブクローズ信号ｇが入力され、前記制御バルブ２が強制クローズされた状態に移ったとする。
【００３４】
そして、その後、ある時刻に、バルブクローズ信号ｇの入力が中断され、バルブクローズ信号ｇが入力されていた比較回路５’において、バルブクローズ信号ｇのレベルが基準電圧発生回路６によって設定されていた閾値Ｖthを下回ると、その瞬間の時刻に、補正信号ｄがＰＩＤ回路４に出力される。そして、ＰＩＤ回路４からの制御信号ｆは、制御バルブ２の開き出し電圧Ｖ0 まで瞬時に立ち上がることとなる。
【００３５】
上記のように制御信号ｆが電圧Ｖ0 まで立ち上がった後は、通常のＰＩＤ制御によって、制御バルブ２の開度が調整される。
【００３６】
上記の構成からなるマスフローコントローラＤ2 と第一実施例のマスフローコントローラＤとの違いは、マスフローコントローラＤが流量設定信号ｂの入力時に効果を発揮するのに対し、マスフローコントローラＤ2 はバルブクローズ信号ｇの中断時に効果を発揮する点である。なお、奏する効果は同様であるので、その説明を省略する。
【００３７】
【発明の効果】
上記の構成からなる本発明によれば、低流量域における応答性、互換性、再現性などに優れたマスフローコントローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例に係るマスフローコントローラの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、上記実施例における流量設定信号の一例およびこの流量設定信号に対応する補正信号の構成を概略的に示すグラフである。
【図３】（Ａ）は前記流量設定信号の構成を概略的に示すグラフであり、（Ｂ）および（Ｃ）は、前記流量設定信号に対応する流量測定信号および制御信号の構成を概略的に示すグラフである。
【図４】本発明の第二実施例に係るマスフローコントローラの構成を概略的に示すブロック図である。
【図５】従来のマスフローコントローラの構成を概略的に示すブロック図である。
【図６】従来のマスフローコントローラにおける制御バルブのバルブ電圧−流量特性を示すグラフである。
【図７】（Ａ）は従来のマスフローコントローラにおける流量設定信号の構成を概略的に示すグラフであり、（Ｂ）および（Ｃ）は、前記流量設定信号に対応する流量測定信号および制御信号の構成を概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
１…流量センサ部、２…制御バルブ、３…誤差増幅器、４…ＰＩＤ回路、５…比較回路、６…基準電圧発生回路、ａ…流量測定信号、ｂ…流量設定信号、ｃ…信号、ｄ…補正信号、ｅ…信号、ｆ…制御信号、Ｄ…マスフローコントローラ、Ｖ0 …開き出し電圧、Ｖth…閾値。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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