JP5873681B2

JP5873681B2 - 流量制御装置、流量制御装置に用いられる診断装置及び診断用プログラム

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Publication number: JP5873681B2
Application number: JP2011227400A
Authority: JP
Inventors: 忠弘安田; 繁之林; 明人高橋; 哲夫清水
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: US20130092258A1; KR20130040741A; JP2013088946A

Description

本発明は、詰まりなどにより生じる異常を診断する構成を有した流量制御装置、流量制御装置に用いられる診断装置及び診断用プログラムに関するものである。

例えば、半導体製品の製造等においては、ＣＶＤ装置等のチャンバ内にウエハを載置しておき、成膜に必要な原料を含むプロセスガスを目標の流量で精度よく供給する必要がある。

このようなプロセスガスの流量制御には、前記チャンバに接続された流路上に設けられるマスフローコントローラが用いられる。このマスフローコントローラは、流路が内部に形成されており、各週流量制御機器が取り付けられるブロック体と、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量センサ等の流量測定機構と、流量制御バルブと、前記流量測定機構で測定される測定流量値と目標流量値の偏差が小さくなるように前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、が１つのパッケージとなったものである。

ところで、このようなマスフローコントローラを使用していると、プロセスガスから生成される生成物により、流量測定センサやバルブ等に詰まりが生じ、正確な流量制御を行えなくなる可能性がある。そこで、詰まり等により許容できない流量制御誤差が生じる前に異常を検出でき、適宜メンテナンス等を行えるようにするために、前記マスフローコントローラで流量制御されている流量の値が正しいかどうかを自己診断するための診断部を備えたマスフローコントローラがある。

例えば、特許文献１に示されるマスフローコントローラは、流量制御バルブの上流側の圧力を測定する圧力センサを更に備えたものであり、前記マスフローコントローラの流量制御が正しく行われている状態において前記流量測定機構に現在測定されている測定流量値と、前記圧力センサで測定されている供給圧力値と同等の条件で前記流量制御バルブに印加されていた基準電圧値をメモリから参照し、この基準電圧値と、現在流量制御バルブに印加されている印加電圧値と、を比較して、これらの値が異なっていた場合にマスフローコントローラによる流量制御が正常に行われていないと自己診断する診断部を備えたものである。

しかしながら、このような診断部では、マスフローコントローラのどこかに何らかの異常が生じて流量制御が正しく行えていないことは診断できる可能性はあるものの、マスフローコントローラを構成する流量測定機構、流量制御バルブ等のいずれの構成部品において詰まり等の異常が発生しているかについては詳細に診断することは難しい。

より具体的には、前記基準電圧値と前記印加電圧値が異なっていたとしても、前記流量測定機構に詰まりが生じているために測定流量値に誤差が生じ、メモリから本来参照するべき基準電圧値とは異なる値を参照しているために異常が生じている場合と、流量制御バルブに詰まりが生じているために流量制御バルブに現在印加している印加電圧値が基準電圧値と異なる値となっている場合の少なくとも２種類が考えられるためどちらに原因があるのかまでは分からない。

言い換えると、特許文献１に示されるような診断部を応用して流量制御バルブの詰まり等の異常を診断しようとしても、判断基準となる基準電圧値を参照するための基礎となる測定流量値が正しいかどうかが保障されないために、仮に流量制御バルブの診断結果が出せたとしても、その診断結果が本当に正しいかどうかを信頼することができない。

特開２００９−１５７５７８号公報

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、流量制御バルブに生じている異常を高い信頼性とともに診断することができ、例えば、流量制御バルブに異常が生じた場合には早急に適切なメンテナンス等を行うことができる流量制御装置及びそれに用いられる診断装置又は診断用プログラムを提供する事を目的とする。

すなわち、本発明の流量制御装置は、流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、前記流路上に設けられた流量制御バルブと、前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の診断装置は、流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、前記流路上に設けられた流量制御バルブと、前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置に用いられる診断装置であって、前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備えていることを特徴とする。

ここで、「開度制御パラメータ」とは、前記バルブ制御部から前記流量制御バルブに対して入力される印加電圧値、印加電流値、ＰＷＭ信号のパルス幅等を含む制御用の入力パラメータである。そして、前記流量制御バルブは、開度制御パラメータの各値に応じた開度に変更される。

このようなものであれば、まず、前記第１測定流量診断部が、前記第２測定流量値又は前記測定圧量値に基づいて前記流量制御バルブの開度を制御するために用いられる第１測定流量値に異常が生じていないかどうかを判定し、その結果、第１測定流量値に異常が生じていないことが保障されてから、前記バルブ診断部が、第１測定流量値と、供給圧力値と、印加電圧値に基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するように構成されているので、前記流量制御バルブに異常が生じているかどうかだけを確実に判定することができる。言い換えると、第１流量測定機構と、流量制御バルブのいずれに詰まり等の異常が発生しているのかを区別して診断する事が可能となる。

また、第１測定流量値に異常がないことが保障されているので、前記バルブ診断部による前記流量制御バルブの診断結果についても信頼できる結果にすることができる。

前記第１測定流量診断部による第１測定流量値の診断中において、外乱や突発的な変動が生じるのを防ぎ、第１測定流量値の診断結果の信頼性をより向上させるには、前記第１測定流量値又は前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて、前記流路を流れる流体の状態が安定状態であるかどうかを判定する安定状態判定部を更に備え、第１測定流量診断部が、前記安定状態判定部が流体の状態が安定状態であると判定している場合に、前記第１測定流量値の異常を診断するように構成されたものであればよい。

前記第１流量測定機構と前記流体測定機構の流量測定原理を異ならせることにより、同時に異常が発生して異常の判定が行えなくなるのを防ぎやすくするには、前記第１流量測定機構が、熱式流量センサであり、前記第２流量測定機構が、圧力式流量センサであればよい。

前記流量制御バルブの異常を簡単に診断するための具体的な構成としては、前記バルブ診断部が、前記流量制御バルブが正常の場合において、現在測定されている前記第１測定流量値及び前記供給圧力値と同等の条件で前記バルブ制御が前記流量制御バルブに入力していた開度制御パラメータである基準開度制御パラメータと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに現在入力している開度制御パラメータと、を比較して前記流量制御バルブの異常を診断するように構成されたものが挙げられる。

前記第１測定流量機構で測定される第１測定流量値に異常がないかを診断する際の前提である第２測定流量値の正しさも保障することができ、さらに、前記バルブ診断部による流量制御バルブの診断結果の信頼性をより高めるには、前記流体測定機構で測定される第２測定流量値の異常を診断する第２測定流量診断部を更に備えたものであればよい。

流量制御装置単体で取得される情報のみで、前記流量制御バルブの異常に関する診断を行えるようにするには、前記流量制御バルブの上流に設けられ、前記供給圧力値を出力する供給圧力測定センサを更に備えたものであればよい。

前述した流量制御バルブの診断機能を既存の流量制御装置に記録媒体からプログラムをインストールすることで後付けできるようにするために好適なものとしては、流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、前記流路上に設けられた流量制御バルブと、前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、を備えた流量制御装置に用いられる診断用プログラムであって、前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに印加している印加電圧値と、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備えていることを特徴とする診断用プログラムが挙げられる。

このように本発明の流量制御装置、流量制御装置に用いられる診断装置及び診断プログラムによれば、まず、流量制御バルブの開度制御のために用いられている第１測定流量値に異常が発生していないかどうかを第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて判定し、異常が発生していないことを保障した上で、前記流量制御バルブの異常診断を行うように構成してあるので、前記流量制御バルブの異常を高い信頼性の元に診断することができる。

第１実施形態におけるマスフローコントローラ及び診断装置の詳細を示す模式図。第１実施形態の安定状態判定部の動作を説明するための模式的グラフ。第１実施形態のバルブ印加電圧記憶部の記憶しているデータ構造の一例を示す模式図。第１実施形態における診断時の動作を示すフローチャート。本発明の第２実施形態に係るマスフローコントローラ及び診断装置を示す詳細な模式図。第２実施形態における圧力式流量診断部の診断方法を示す模式的グラフ。

本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１実施形態の流量制御装置は、半導体製造等においてＣＶＤ装置等のチャンバ内に成膜に必要な原料を含むプロセスガスを所定の供給流量で供給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の模式図に示すように、概略直方体形状したブロック体Ｂの内部に貫通路を形成することで、流路ＭＬを形成してあるものであり、前記ブロック体Ｂの上面に流体制御のための機器及び前記診断装置２００を構成するための各種機器を取り付けることで、パッケージ化してある。

より具体的には、前記マスフローコントローラ１００は、前記ブロック体Ｂの内部に形成された流路ＭＬに、上流から順番に熱式流量センサ１、流量制御バルブ２、圧力式流量センサ３を設けてあるものであり、さらに各機器の制御や診断のための各種演算を行う演算部Ｃを備えたものである。そして、このマスフローコントローラ１００は、前記熱式流量センサ１で測定される第１測定流量値Ｑ_Ｔと、目標流量値Ｑ_ｒの偏差が小さくなるように前記流量制御バルブ２の開度を制御することで、所望の流量をチャンバ内に供給する。

各部について図１を参照しながら説明する。まず、主にハードウェアの構成について説明する。

前記ブロック体Ｂは、図１に示すように下面に開口し、流体を内部の流路ＭＬへ導入するための流体導入口と、流量制御された流体を導出するための流体導出口を備えたものであり、上面には前記熱式流量センサ１、前記流量制御バルブ２、前記圧力式流量センサ３を取り付けるとともに、前記流路ＭＬと連通させるための取り付け穴が形成してある。

前記熱式流量センサ１は、請求項での第１流量測定機構に相当するものであり、前記ブロック体Ｂの内部の流路ＭＬを流れる流体の流量を測定するものである。この熱式流量センサ１は、前記流路ＭＬに設けてある層流素子１３と、前記層流素子１３の上流において前記流路ＭＬから分岐し、当該層流素子１３の下流において前記流路ＭＬに合流する概略逆Ｕ字状に形成された金属細管であるセンサ流路ＳＬと、前記センサ流路ＳＬを形成する金属細管の外側において上流側と下流側にそれぞれ設けられた第１温度センサ１１、第２温度センサ１２と、前記第１温度センサ１１、前記第２温度センサ１２で測定される温度差に基づいて前記流路ＭＬに流れる流量に変換する熱式流量算出部１４と、を備えたものである。なお、前記熱式流量算出部１４は後述する演算部Ｃの演算機能を利用して構成してあり、第１測定流量値Ｑ_Ｔを以下の式１に基づいて算出するものである。

Ｑ_Ｔ＝ｋ_Ｔ（Ｔ_１−Ｔ_２）・・・式１
ここで、Ｑ_Ｔ：第１測定流量値Ｑ_Ｔ、ｋ_Ｔ：温度差から流量への変換係数、Ｔ_１：第１温度センサ１１で測定される上流側温度、Ｔ_２：第２温度センサ１２で測定される下流側温度である。

前記層流素子１３は、前記流路ＭＬから前記センサ流路ＳＬに所定の比率で流体が分流されるようにするためのものであり、例えば、微小な貫通溝が形成された薄板を積層して形成してある。すなわち、この層流素子１３を流体が通過する際に層流状態となるように前記貫通溝の長さや深さなどが設定してある。このように層流素子１３は微小構造を有するものであるため、通過するプロセスガスからの生成物が前記貫通溝等の微小構造に付着して詰まりが生じることがある。また、前記センサ流路ＳＬも金属細管により構成してあるため、詰まりが生じることがある。そして、前記層流素子１３又は前記センサ流路ＳＬのいずれかに詰まりが生じると、分流比が変化するため前記第１温度センサ１１、前記第２温度センサ１２により測定される温度差が実際の流量を反映しないものとなり、前記熱式流量センサ１で測定される第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常が生じることになる。

前記流量制御バルブ２は、例えばピエゾバルブであって後述するバルブ制御部２１により印加される印加電流値に応じた開度に変更されるものである。この流量制御バルブ２も、プロセスガスに含まれる成分の生成物が付着することにより、詰まりが生じる可能性がある。仮に流量制御バルブ２に詰まりが生じると、前記バルブ制御からの印加電圧が同じであったとしても、想定されているよりも小さい開度となり、実際に流量に流れる流量よりは正常時に比べて小さい値となる。従って、熱式流量センサ１で測定される第１測定流量値Ｑ_Ｔと目標流量値Ｑ_ｒの偏差が小さくならないため、さらに流量制御バルブ２の開度が大きくなるように印加される印加電圧値Ｖが変化することになる。

前記圧力式流量センサ３は、請求項での流体測定機構に相当するものであり、前記第１流量測定機構に対して第２流量測定機構とも捉えることができるものである。そして、当該圧力式流量センサ３は、前記ブロック体Ｂの内部の流路ＭＬを流れる前記流量制御バルブ２の下流側の流量を測定するものである。この圧力式流量センサ３は、前記流路ＭＬに設けられたオリフィス等の流体抵抗３３と、前記流体抵抗３３の上流側に設けられた第１圧力センサ３１と、前記流体抵抗３３の下流側に設けられた第２圧力センサ３２と、前記第１圧力センサ３１、前記第２圧力センサ３２でそれぞれ測定される圧力に基づいて前記流路ＭＬに流れる流体の流量を第２測定流量値Ｑ_Ｐとして算出する圧力式流量算出部３４と、から構成してある。なお、前記圧力式流量算出部３４は後述する演算部Ｃの演算機能を利用して構成してあり、第２測定流量値Ｑ_Ｐを以下の式２に基づいて算出するものである。

Ｑ_Ｐ＝ｋ_Ｐ（Ｐ_１ ^２−Ｐ_２ ^２）・・・式２
ここで、Ｑ_Ｐ：第２測定流量値Ｑ_Ｐ、ｋ_Ｐ：前記流体抵抗３３により決まる圧力から流量への変換係数、Ｐ_１：前記第１圧力センサ３１で測定される前記流体抵抗３３の上流側の測定圧力値、Ｐ_２：前記第２圧力センサ３２で測定される前記流体抵抗３３の下流側の測定圧力値である。

次に主にソフトウェアの構成について説明する。

前記演算部Ｃは、ＣＰU、メモリ、入出力インターフェース、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ等を備えたいわゆるコンピュータやマイコン等によりその機能を実現されるものであって、前記メモリに格納されているプログラムを実行することにより、少なくとも、バルブ制御部２１、安定状態判定部４、熱式流量診断部５、バルブ印加電圧記憶部６、バルブ診断部７としての機能を発揮するように構成してある。なお、第１実施形態における診断装置２００は、前記圧力式流量センサ３、前記安定状態判定部４、前記熱式流量診断部５、前記バルブ印加電圧記憶部６、前記バルブ診断部７により構成されるものである。

各部について説明する。

前記バルブ制御部２１は、前記熱式流量センサ１で測定される第１測定流量値Ｑ_Ｔと、目標流量値Ｑ_ｒとの偏差が小さくなるように前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブ２の開度を制御するものである。本実施形態では、前記開度制御パラメータとして印加電圧値が選択してある。より具体的には、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔがフィードバックされると、前記目標流量値Ｑ_ｒとの偏差が算出され、その偏差に応じて前記流量制御バルブ２に印加する電圧を変化させるものである。なお、目標流量値Ｑ_ｒは予め指令値をプログラムとして入力するものであってもよいし、外部入力により逐次入力されるようにしても構わない。第１実施形態では、目標流量値Ｑ_ｒとしては所定時間ある一定の値を保持し続けることを目的としてステップ入力状の値が前記バルブ制御部２１に入力される。例えば、プロセスの状態が切り替わるごとにステップ入力の大きさが変更される。

前記安定状態判定部４は、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔに基づいて、前記流路ＭＬを流れる流体の状態が安定状態であるかどうかを判定するかどうかを判定するものである。より具体的には、前記安定状態判定部４は、図２のグラフに示すように第１測定流量値Ｑ_Ｔと前記目標流量値Ｑ_ｒとの偏差の絶対値が所定値以下である状態が所定時間以上継続した場合に前記流体の状態が安定状態であると判定するように構成してある。ここで、流体の状態が安定状態であるという文言について言い換えておくと、前記流路ＭＬを流れる流体の流量、圧力等と言った流量に関連するパラメータが時間経過に対して大きく変動せず、実質的に一定となっている状態とも言い換えることができる。更に言い換えると、流体が安定しているとは前記測定流量値Ｑ_Ｔ、測定される圧力値の両方又は少なくとも一方が所定の値の範囲内で、所定時間継続して保たれている状態とも言える。なお、前述した所定の値や、所定時間は工場出荷時等に予め定めてあってもよいし、ユーザが適宜設定する値であってもよい。

前記熱式流量診断部５は、請求項における第１測定流量診断部に相当するものであり、前記安定状態判定部４が流体の状態が安定状態であると判定している場合に、前記第２測定流量値Ｑ_Ｐに基づいて前記第１測定流量値Ｑ_Ｔの異常を診断するものである。より具体的には、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと前記第２測定流量値Ｑ_Ｐの差分の絶対値が所定値以上となっている場合には、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常が発生していると診断し、所定値以内であれば正常であると診断するものである。つまり、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと前記第２測定流量値Ｑ_Ｐの差分が所定量以上の場合には、前記熱式流量センサ１のどこかに詰まりが生じ、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔが正しい値を示していないと、前記熱式流量診断部５は診断するように構成してある。

前記バルブ印加電圧記憶部６は、図３に示すようにマスフローコントローラ１００が正常に動作している時において、前記流量制御バルブ２に印加されていた電圧を基準電圧値Ｖ_０（請求項での基準開度制御パラメータに相当）として記憶するものである。より具体的には、前記バルブ印加電圧記憶部６は、流量制御バルブ２よりも上流側における流体の供給圧力値Ｐ_０と、前記熱式流量センサ１において測定されていた第１測定流量値Ｑ_Ｔの組み合わせごとに、基準電圧値Ｖ_０を記憶している。

前記バルブ診断部７は、前記熱式流量診断部５において前記第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常がないと診断している場合に、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと、前記バルブ制御部２１が前記流量制御バルブ２に現時点で印加している印加電圧値Ｖと、前記流量制御バルブ２よりも上流側で測定される圧力である供給圧力値Ｐ_０と、に基づいて前記流量制御バルブ２の異常を診断するように構成してある。なお、第１実施形態では、前記供給圧力値Ｐ_０はこのマスフローコントローラ１００の上流において流体供給口とガスパネルＧを介して接続してある配管上に別途設けられた供給圧力測定センサＰＳより測定される圧力を供給圧力値Ｐ_０として取得するように構成してある。より具体的には、前記バルブ診断部７は、現在測定されている第１測定流量値Ｑ_Ｔと現在測定されている供給圧力値Ｐ_０に対応し、マスフローコントローラ１００に異常が生じていない場合には前記流量制御バルブ２に印加されるはずである基準電圧値Ｖ_０を前記バルブ印加電圧記憶部６から取得する。この際、記憶されていない基準電圧値Ｖ_０に関しては、補間演算等により算出される値を基準電圧値Ｖ_０とする。前記バルブ診断部７は、前記基準電圧値Ｖ_０と、現在流量制御バルブ２に印加している印加電圧値Ｖとの差分を取ることで比較し、これらの差分の絶対値が所定値以上の場合には、前記流量制御バルブ２に詰まりが発生し、異常が発生していると診断するように構成してある。なお、ここで説明している所定値に関しても、許容できる誤差や使用状態等に応じてユーザが適宜設定する値であっても構わない。

このように構成されたマスフローコントローラ１００における、流量制御バルブ２の診断時の動作について図４のフローチャートを参照しながら説明する。

マスフローコントローラ１００により第１測定流量値Ｑ_Ｔと、一定の流量を示す目標流量値Ｑ_ｒとの偏差が小さくなるように流量制御が開始されると（ステップＳ１）、前記安定状態判定部４は、前記流量を流れる流体の状態が安定状態であるかどうかの判定を開始する（ステップＳ２）。前記安定状態判定部４は、前記熱式流量センサ１から出力される前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと、目標流量値Ｑ_ｒの偏差が所定値以内である状態が所定時間以上継続している場合に（ステップＳ３）、流体が安定していると判定する（ステップＳ４）。

前記安定状態判定部４において、流体が安定している判定されると、前記熱式流量診断部５は、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと、前記第２測定流量値Ｑ_Ｐの差分の絶対値が所定値以内であるかどうかの比較を行い（ステップＳ５）、その差分が所定値よりも大きい場合には熱式流量センサ１から出力される第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常があると診断する（ステップＳ６）。この場合、前記バルブ診断部７は流量制御バルブ２の診断を行わない。また、前記熱式流量診断部５は、差分が所定値よりも小さい場合には、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔには異常が無いと診断する（ステップＳ７）。

前記バルブ診断部７は、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常が無いと診断されると、現在測定されている前記第１測定流量値Ｑ_Ｔと、前記供給圧力測定センサＰＳにより測定される供給圧力値Ｐ_０に基づいて、前記バルブ印加電圧記憶部６から正常時において前記流量制御バルブ２に印加されるはずである基準電圧値Ｖ_０を取得する（ステップＳ８）。そして、前記バルブ診断部７は、取得された基準電圧値Ｖ_０と、現在、前記流量制御バルブ２に印加されている印加電圧値Ｖとを比較し（ステップＳ９）、各電圧値の差分の絶対値が所定値以内であれば前記流量制御バルブ２に詰まりは存在しないと診断する（ステップＳ１０）。逆に、各電圧値の差分の絶対値が所定値よりも大きい場合には、前記バルブ診断部７は前記流量制御バルブ２に詰まり等の異常が許容できる以上に発生していると診断する（ステップＳ１１）。

このように構成されたマスフローコントローラ１００及び診断装置２００によれば、まず、前記熱式流量センサ１で測定される第１測定流量値Ｑ_Ｔが正しいかどうかを、前記圧力式流量センサ３で測定される第２測定流量値Ｑ_Ｐと比較して診断し、第１測定流量値Ｑ_Ｔが正しい場合にのみ前記流量制御バルブ２の診断を前記バルブ診断部７が行うように構成してあるので、前記流量制御バルブ２の診断結果について高い信頼性を持たせることができる。言い換えると、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔが正しい値でないにもかかわらず、前記流量制御バルブ２の診断を行うことがなくなり、確実に前記流量制御バルブ２に詰まり等が生じていることと、前記熱式流量センサ１に詰まり等が生じていることを切り分けて診断することができるようになる。

第１実施形態のマスフローコントローラ１００の変形実施形態について説明すると、前記安定状態判定部４に用いられる測定流量値は、第１測定流量値Ｑ_Ｔではなく、第２測定流量値Ｑ_Ｐであっても構わない。また、前記バルブ印加電圧記憶部６に予め正常時において流量制御バルブ２に印加されていた印加電圧を記憶させておき、前記バルブ診断部７が診断時にそれらの値を参照するように構成するのではなく、例えば、前記バルブ診断部７が、第１測定流量値Ｑ_Ｔと、供給圧力値Ｐ_０から正常時に印加するべき印加電圧を所定の関係式に基づいて基準電圧値Ｖ_０として算出し、現在印加している印加電圧と比較することで診断を行うように構成しても構わない。さらに、前記バルブ診断部７は、前記流量制御バルブ２に現在印加されている電圧値と、供給圧力値及び第１測定流量値といった条件が同じ場合の正常時に印加されていた基準電圧値とを比較することで流量制御バルブ２の診断を行っていたが、例えば、現在測定されている第１測定流量値と、供給圧力値及び印加電圧値といった条件が同じで正常時に測定されていた第１測定流量値とを比較することにより診断を行うように構成しても構わない。また、現在の供給圧力値と、印加電圧値及び第１測定流量値と言った条件が同じで正常時において測定されていた供給圧力値と、を比較することで流量制御バルブの診断を行っても構わない。つまり、２つのパラメータごとにテーブルとして記憶しておくのは、印加電圧値、第１測定流量値、供給圧力値、のいずれであっても構わず、比較を行う物以外の２つのパラメータは条件を揃えっているための検索に用いるようにすればよい。

次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と共通する部材には同じ符号を付すこととする。

第２実施形態のマスフローコントローラ１００は、図５に示すように第１実施形態のマスフローコントローラ１００に前記流量制御バルブ２の上流側の圧力である流体の供給圧力値Ｐ_０を測定するための供給圧力測定センサＰＳと、前記圧力式流量センサ３で測定される第２測定流量値Ｑ_Ｐの異常を診断する圧力式流量診断部８と、を更に備えたものである。また、前記熱式流量診断部５は、前記圧力式流量診断部８において第２測定流量値Ｑ_Ｐに異常が無いと診断された場合にのみ、第１測定流量値Ｑ_Ｔと第２測定流量値Ｑ_Ｐを比較して診断を開始するように構成してある。さらに、前記熱式流量診断部５において、第１測定流量値Ｑ_Ｔに異常がないと診断された場合に、前記バルブ診断部７は、前記流量制御バルブ２の診断を行うようにしてある。

各部について説明する。

前記供給圧力測定センサＰＳは、前記バルブ診断部７においてバルブの診断を行う際に使用される供給圧力値Ｐ_０を外部から取得することなく、マスフローコントローラ１００内で測定することを可能にするために設けてある。

前記圧力式流量診断部８は、請求項での第２測定流量診断部に相当するものであり、圧力式流量センサ３の上流側が完全に閉止し、新たな流体の流入を無くした状態で所定時間内に前記圧力式流量センサ３を通過する流体の流量に基づいて第２測定流量値Ｑ_Ｐに異常が無いか診断するものである。この圧力式流量診断部８は、前記熱式流量診断部５とは異なり、他のセンサや測定機構で測定される測定値を必要とせずに、自身を構成する前記圧力式流量センサ３から出力される測定値のみで自己診断できるように構成してある。より具体的には、前記圧力式流量診断部８は図６に示すように第１圧力センサ３１で測定される圧力が第１所定圧力となってから、第１所定圧力よりも低い圧力である第２所定圧力となるまでの所定時間中に流路ＭＬの流量制御バルブ２から流体抵抗３３までの基準体積を診断パラメータとして異常を診断するものである。前記圧力式流量診断部８は、例えば、正常時において測定された診断パラメータを基準パラメータとして、新たに診断を行った際の診断パラメータと基準パラメータが異なる場合に異常があると診断するように構成してある。また、前記診断パラメータと基準パラメータの差が所定値以内であれば異常は無いと診断するように構成してある。

なお、上述した基準体積は以下のようにして算出することができる。

すなわち、第１圧力センサ３１で測定される圧力が第１所定圧力Ｐ_１１となった時刻ｔ_１及び、第２所定圧力Ｐ_１２となった時刻ｔ_２において、前記基準体積Ｖについて気体の状態方程式を立てると以下のようになる。

Ｐ_１１Ｖ＝ｎ_１ＲＴ・・・式３
Ｐ_１２Ｖ＝ｎ_２ＲＴ・・・式４
ここで、ｎ_１：時刻ｔ_１において基準体積Ｖ内にあった流体のｍｏｌ数、ｎ_２：時刻ｔ_２において基準体積Ｖ内にあった流体のｍｏｌ数、Ｒ：気体定数、Ｔ：流体の温度である。

式３、式４を各辺同士で引き算すると、
（Ｐ_１１−Ｐ_１２）Ｖ＝（ｎ_１−ｎ_２）ＲＴ・・・式５
となる。
ここで、ｎ_１−ｎ_２は流出した流量分のｍｏｌ数であるから、圧力式流量センサで測定されている第２測定流量値Ｑ_Ｐを使って以下のように表せる。

（ｎ_１−ｎ_２）＝（∫Ｑ_ｐｄｔ）／Ｍ（ｔ_１からｔ_２まで積分）・・・式６
ここで、Ｍ：流体の分子量である。

従って、基準体積Ｖは圧力式流量センサで測定される第２測定流量値Ｑ_Ｐで表すことができ、正常時に算出された基準体積Ｖ_０と、診断を行った時の第２測定流量値Ｑ_Ｐにより算出された基準体積Ｖを比較し、これらの値が異なっていれば第２測定流量値Ｑ_Ｐに異常があることを診断できる。

なお、第２流量測定機構の自己診断方法としては、上述した方法に限られるものではなく、圧力センサで測定される圧力値が、ある圧力から別の圧力になるまでの時間を診断パラメータとして診断する方法や、マスフローコントローラ１００の下流側は閉止して、流入してくる流体に基づいて診断する方法等様々な方法を用いても構わない。

このように第２実施形態のマスフローコントローラ１００によれば、まず、前記圧力式流量診断部８が、圧力式流量センサ３で測定されている第２測定流量値Ｑ_Ｐに異常が生じていないかどうかを診断してから、第１測定流量値Ｑ_Ｔの診断を行うようにしてあるので、前記第１測定流量値Ｑ_Ｔの診断基準としての第２測定流量値Ｑ_Ｐの信頼性を高めることができ、ひいては、第１測定流量値Ｑ_Ｔの信頼性をより高めることができる。従って、前記バルブ診断部７において第１測定流量値Ｑ_Ｔを用いて診断された流量制御バルブ２の診断結果についてもより確度の高いものにすることができる。

第２実施形態の変形実施形態について説明する。例えば、前記圧力式流量診断部８の診断時において、前記圧力式流量センサ３の上流にある任意のバルブを閉止することで、診断を行うようにしても構わない。また、圧力式流量センサ３の下流側にある任意のバルブ等を閉止することで生じる圧力変化をトリガとして、診断を行うようにしても構わない。より具体的には、前記圧力式流量診断部８は、第１圧力となってから、第１圧力よりも高い圧力である第２圧力となるまでの時間に、圧力式流量センサ３を通過する流量の積分値に基づいて診断を行うようにしても構わない。

その他の実施形態について説明する。

本発明を適用した流量制御装置はマスフローコントローラ等のパッケージ化されたものだけでなく、各流体制御機器を別々に取り付けることにより構成したものであっても構わない。また、既存のマスフローコントローラに診断機能を付加できるように、安定状態判定部、第１測定流量診断部、バルブ診断部、バルブ印加電圧記憶部、第２測定流量診断部等からなるプログラムを記録媒体等から演算部等にインストールしても構わない。前記マスフローコントローラに設けられる熱式流量センサ、流量制御バルブ、圧力式流量センサが上流から並んでいる順番はどのような順番であっても構わない。例えば、熱式流量センサ、圧力式流量センサ、流量制御バルブの順番で並んでいる場合には、前記バルブ診断部において診断を行う際に用いる供給圧力値を第２圧力センサで測定した値を用いることができる。さらに、前記バルブ診断部が流量制御バルブの診断のために用いる開度制御パラメータは、前記実施形態で示した印加電圧値に限られるものではなく、印加電流値、ＰＷＭ信号のパルス幅等、前記流量制御バルブの開度を変更するために、目標流量値と測定流量値の偏差に応じて決まって入力されるパラメータであれば何であってもよい。加えて、前記安定状態判定部を省略して、前記圧力算出部が前記流体の状態に関わりなく、算出圧力値を算出するとともに、前記異常診断部が異常診断を行うように流量制御装置及び診断装置を構成してもよい。さらに、前記バルブ診断部は、流量制御バルブの下流側の圧力であるバルブ下流圧力値を更に用いて診断を行うものであってもよい。より具体的には、前記バルブ診断部が、前記流量制御バルブの上流側の圧力である供給圧力値と、前記バルブ下流圧力値の差分、すなわち、流量制御バルブの前後における差圧と、前記開度制御パラメータと、前記測定流量値等に基づいて、診断を行うようにすれば、流量制御バルブの前後における流体の流れやすさの状態をより正確に加味して診断を行うことができるので、バルブ診断も精度よく行うことができるようになる。なお、前記バルブ下流側圧力値は、マスフローコントローラ内に設けられた圧力センサで測定してもよいし、マスフローコントローラの下流において接続された配管上に設けられている圧力センサで測定される値を利用してもよい。

第１流量測定機構、流体測定機構（第２流量測定機構）としては、実施形態において例示した熱式流量センサ、圧力式流量センサに限れるものではなく、例えば、第１流量測定機構が、圧力式流量センサであり、流体測定機構が熱式流量センサであってもよい。また、第１流量測定機構及び第２流量測定機構が同じ測定原理で測定するものであっても構わない。

また、前記各実施形態では、流体測定機構は流量を測定するものであったが、圧力を測定するものであっても構わず、前記第１測定流量診断部は、前記流体測定機構で測定される測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断するように構成されていても構わない。

より具体的には、前記流体測定機構が、圧力式流量センサを構成する流体抵抗の下流側に設けられる第２圧力センサを省略した形のものであってもよい。言い換えると、前記流体測定機構が、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側又は下流側のいずれか一方に設けられた圧力センサと、からなるものであってもよい。

以下では、前記流体測定機構が流体抵抗の上流側又は下流側のいずれか一方のみに圧力センサが設けられている場合における、前記第１測定流量診断部が流体測定機構で測定される測定圧力値に基づいて第１測定流量値の異常を診断するための構成について詳述する。

まず、前記流体測定機構で測定される測定圧力値に基づいて、第１測定流量値とは別途、流体の流量を算出し、算出された算出流量値と、第１測定流量値を比較することで、第１測定流量値の異常診断を行うように構成された第１測定流量診断部について説明する。

前記第１測定流量診断部は、例えば第１測定流量値が正常の間において、前記圧力センサが設けられていない側（他方側）の圧力値を算出しておき、前記圧力センサで測定される測定圧力値と、算出された算出圧力値に基づいて、圧力に基づいた算出流量値を算出するように構成してある。

より具体的には、第１測定流量値が正常であれば、前述した式１に基づいて第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、前述した圧力に基づく式２で算出される流量は等しくなるので、上流側の圧力値Ｐ_１又は下流側の圧力値Ｐ_２のうち未知のものを算出することができる。以下では圧力値Ｐ_１が測定されている値であり、圧力値Ｐ_２が測定されていない値であるとして話を進める。

前記第１測定流量診断部は、下流側の圧力値Ｐ２が算出圧力値として算出された後はこの値を保持し続けておき、圧力センサで測定される測定圧力値Ｐ_１と算出圧力値Ｐ_２を前述した式２に代入すれば、圧力に基づいた流量値である算出流量値を逐次算出することができる。従って、この実施形態では、第１測定流量診断部は、第１測定流量値と、第２測定流量値を比較する代わりに、第１測定流量値と算出流量値を比較し、これらの差分の絶対値が所定値以上となった場合に第１測定流量値に異常が生じていると診断することができる。

次に、第１測定流量診断部が、圧力センサで測定される測定圧力値そのものを用いて第１測定圧力値の異常を診断するように構成されている場合について説明する。

前記第１測定流量診断部は、例えば、前記バルブ制御部及び流量制御バルブにより流量が一定となるように制御されており、流体が安定状態となった時点での前記流体測定機構を構成する圧力センサで測定される圧力値を基準圧力値として記憶しておくとともに、逐次測定される測定圧力値と、前記基準圧力値との差分が所定値以上となった場合に第１測定流量値に異常が生じたと診断するように構成してある。

以上に示したような流体測定機構、及び、第１測定流量診断部であっても流量を直接測定することなく、測定圧力値のみで第１測定流量値の異常を診断することができる。そして、その正しさを保障された第１測定流量値に基づいて、流量制御バルブの診断を精度良く行うことができる。

また、前記バルブ診断部の診断では、第１測定流量値に基づいて流量制御バルブの異常を診断していたが、前記第１測定流量値と略同じ値を示すものであれば、どのようなものを用いても構わない。より具体的には、第１測定流量値が正常であると診断されている場合、前記流体測定機構である圧力式流量センサ等で測定される第２測定流量値も略同じ値を示すので、この第２測定流量値を代わりに用いてもよい。さらに、前述したように流体測定機構において圧力を測定する構成の場合でも、測定圧力値から算出される算出流量値も第１測定流量値と略同じ値を示すので、この算出流量値を用いて流量制御バルブの診断を行ってもよい。言い換えると、算出流量値の元となる前記流体測定機構で測定される測定圧力値と、開度制御パラメータと、供給圧力値と、に基づいて前記バルブ診断部が流量制御バルブの診断を行うものであってもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

１００・・・マスフローコントローラ（流量制御装置）
２００・・・診断装置
１・・・熱式流量センサ（第１流量測定機構）
２・・・流量制御バルブ
２１・・・バルブ制御部
３・・・圧力式流量センサ（流体測定機構）
４・・・安定状態判定部
５・・・熱式流量診断部（第１測定流量診断部）
７・・・バルブ診断部
８・・・圧力式流量診断部（第２測定流量診断部）

Claims

流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、
前記流路上に設けられた流量制御バルブと、
前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、
前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、
前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、
前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、に基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備え、
前記バルブ診断部が、前記第１測定流量診断部が前記第１測定流量値に異常があると診断している場合には前記流量制御バルブの診断を行わないように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、
前記流路上に設けられた流量制御バルブと、
前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、
前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、
前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、
前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、に基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備え、
前記バルブ診断部が、前記流量制御バルブが正常の場合において、現在測定されている前記第１測定流量値及び前記供給圧力値と同等の条件で前記バルブ制御が前記流量制御バルブに入力していた開度制御パラメータである基準開度制御パラメータと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに現在入力している開度制御パラメータと、を比較して前記流量制御バルブの異常を診断するように構成されたことを特徴とする流量制御装置。
前記第１測定流量値又は前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて、前記流路を流れる流体の状態が安定状態であるかどうかを判定する安定状態判定部を更に備え、
第１測定流量診断部が、前記安定状態判定部が流体の状態が安定状態であると判定している場合に、前記第１測定流量値の異常を診断するように構成された請求項１又は２記載の流量制御装置。
前記第１流量測定機構が、熱式流量センサであり、
前記流体測定機構が、圧力式流量センサである請求項１、２又は３記載の流量制御装置。
前記バルブ診断部が、前記流量制御バルブが正常の場合において、現在測定されている前記第１測定流量値及び前記供給圧力値と同等の条件で前記バルブ制御が前記流量制御バルブに入力していた開度制御パラメータである基準開度制御パラメータと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに現在入力している開度制御パラメータと、を比較して前記流量制御バルブの異常を診断するように構成された請求項１記載の流量制御装置。
前記流体測定機構で測定される第２測定流量値の異常を診断する第２測定流量診断部を更に備えた請求項１、２、３、４又は５記載の流量制御装置。
前記流量制御バルブの上流に設けられ、前記供給圧力値を出力する供給圧力測定センサを更に備えた請求項１、２、３、４、５又は６記載の流量制御装置。
流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、前記流路上に設けられた流量制御バルブと、前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置に用いられる診断装置であって、
前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、
前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、
前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備え、
前記バルブ診断部が、前記第１測定流量診断部が前記第１測定流量値に異常があると診断している場合には前記流量制御バルブの診断を行わないように構成されていることを特徴とする診断装置。
流路を流れる流体の流量を測定する第１流量測定機構と、前記流路上に設けられた流量制御バルブと、前記第１流量測定機構で測定される第１測定流量値と、目標流量値との偏差が小さくなるように、前記流量制御バルブに開度制御パラメータを入力して前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、前記流路を流れる流体の流量又は圧力を測定する流体測定機構と、を備えた流量制御装置に用いられる診断用プログラムであって、
前記流体測定機構で測定される第２測定流量値又は測定圧力値に基づいて前記第１測定流量値の異常を診断する第１測定流量診断部と、
前記第１測定流量診断部が、前記第１測定流量値に異常が無いと診断している場合に、前記第１測定流量値、前記第２測定流量値、前記測定圧力値の少なくとも１つと、前記バルブ制御部が前記流量制御バルブに入力している開度制御パラメータと、前記流量制御バルブよりも上流側で測定される圧力である供給圧力値と、基づいて前記流量制御バルブの異常を診断するバルブ診断部と、を備え、
前記バルブ診断部が、前記第１測定流量診断部が前記第１測定流量値に異常があると診断している場合には前記流量制御バルブの診断を行わないように構成されていることを特徴とする診断用プログラム。