JP6415889B2 - 流量制御装置、流量制御装置用プログラム、及び、流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置等に用いられる流量制御装置、流量制御装置用プログラム、及び、流量制御方法に関するものである。

特許文献１に示されるように流量制御装置は、流路に設けられたバルブと、前記バルブの上流側に設けられた流量センサと、前記流量センサで測定される測定流量値が設定流量値に追従するように前記バルブの開度を制御するバルブ制御部とを備えたものであり、当該流量制御装置の下流側における流量が設定流量値で安定させ続けることを目的とするものである。

ところで、前記バルブよりも上流側の流路において圧力変動が生じると制御上の外乱となるため、前記バルブ制御部の制御により前記バルブの開度が変化してしまい、結果として前記バルブの下流側の流量が設定流量値からずれてしまうことがある。

すなわち、実際に流量を安定させたい対象である前記バルブの下流側はせっかく流量が安定しているにもかかわらず、流量が乱れていても問題のない前記バルブの上流側における圧力変動によってその安定した流量制御状態が損なわれてしまう。

このような問題を解決するために特許文献１では、前記バルブ及び前記流量センサよりも上流側に圧力変動を検知するための圧力センサを設けておき、この圧力センサで検知された圧力に基づいてＰＩＤ系係数等の制御係数を適宜変更して、前記バルブの下流側の流量が常に設定流量値で保たれるように構成されている。

ところで、用途によっては流量制御装置に必須の構成ではない前記圧力センサを省略した廉価版が求められることもあり、前記圧力センサがなくても特許文献１に記載の流量制御装置に対して勝るとも劣らない精度で前記バルブの下流側の流量を安定させることが求められつつある。

特開２０１１−２０４２６５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、圧力変動を検知するための付加的なセンサを設けることなく、バルブの上流側で圧力変動が生じたとしてもその影響が前記バルブの下流側には表れないようにし、設定流量値で流量を安定させ続けることができる流量制御装置、流量制御装置用プログラム、及び、流量制御方法を提供する事を目的とする。

すなわち、本発明は本願発明者が鋭意検討した結果、バルブの上流側において生じる圧力変動による前記バルブの下流側の流量への影響は２つの異なるメカニズムが存在しており、それぞれのメカニズムにより生じる流量変化はその方向性が逆向きになっていることを見出して初めてなされたものである。

より具体的には本発明の流量制御装置は、流体が流れる流路に設けられたバルブと、前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備え、前記制御係数が、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、前記バルブの開度の減少量に応じた流量の減少量である外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に応じた流量の減少量である外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定された値であることを特徴とする。

ここで、「外乱圧力上昇、測定流量値の増加量、開度の減少量、外乱流量減少量、外乱流量増加量」はそれぞれ正の値だけでなく負の値も取り得るものである。例えば外乱圧力上昇量が正の場合は、他の量は全て正で表すことができ、外乱圧力上昇量が負の場合には、他の量は全て負で表すことができる。

また、「実質的に釣り合う」とは前記外乱流量増加量と前記外乱流量減少量とが厳密に等しい場合だけでなく、例えば前記バルブの下流側の流量が設定流量値に対して所定の許容差の範囲内でのみ変動する程度に前記外乱流量増加量と前記外乱流量減少量の絶対値が近い値になっていることを言う。

このようなものであれば、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じたとしても、前記バルブ制御部が前記バルブの開度を減少させることにより生じる外乱流量減少量と、前記バルブの開度に関わりなく前記外乱圧力上昇によって前記バルブの前後での差圧の増加量により流体が前記バルブを通過しやすくなって生じる前記外乱流量増加量とが、釣り合うように前記制御係数設定部が前記制御係数を設定するように構成されているので、前記外乱圧力上昇の影響は前記バルブの下流側には表れないようにして、実際に制御したい対象である前記バルブの下流側の流量を設定流量値で保ちつづけることができる。

言い換えると、本発明は制御ブロック図で考えた場合、設定流量値を入力、前記流量センサの測定流量値を出力としたフィードバック制御系であって、その途中出力として前記バルブの下流側の流量が存在するものであるが、このフィードバック制御系の途中に入力される圧力外乱上昇から前記バルブの下流側の流量までの伝達関数を前記制御係数の設定によってゼロとして外乱の影響が下流側の流量に表れないようにできる。

しかも、前記制御係数の設定により制御系の特性として前記外乱圧力上昇の影響が前記バルブの下流側の流量に伝達されないようにしているので、従来技術のように前記外乱圧力上昇を検出できるようにして制御上の対応をする必要がない。したがって、前記外乱圧力上昇を検知するために流量制御には直接用いられない付加的なセンサを設ける必要がなく、流量制御装置を簡便な構成にしつつ製造コストを抑えながら、高機能な流量制御を実現することができる。

例えば前記バルブの上流側の基準圧力が大きく変化する場合や、設定流量値として常に同じ値が設定されるとは限らないような流量制御用途においても、前記外乱流量減少量と前記外乱流量増加量を釣り合わせて前記バルブの下流側での圧力を設定流量値と略同じ値で安定的に保つことができるようにするには、前記バルブの上流側における圧力、又は、前記設定流量値に基づいて前記バルブ制御部の前記制御係数を設定する制御係数設定部をさらに備えたものであればよい。

前記外乱圧力上昇により前記バルブの前後の差圧が変化して発生する外乱流量増加量は、流路に流れている流量の大きさにも影響を受けていることを本願発明者は見出した。このような流量自体の大きさによる影響も加味して前記外乱流量減少量と前記外乱流量増加量とが釣り合って相殺できるようにするには、前記バルブ制御部が、ＰＩＤ制御によって前記バルブの開度を制御するように構成されており、前記制御係数設定部が、前記制御係数として比例ゲインを設定するように構成されており、設定流量値が大きいほど前記外乱流量減少量と前記外乱流量増加量とが実質的に釣り合うように比例ゲインを大きく設定するように構成されていればよい。

前記制御係数によって前記外乱流量減少量を正確に調整して、前記外乱流量増加量と正確に釣り合わせることができるようにして、常に前記バルブの下流側の流量を設定流量値で安定させ続けることができるようにするには、前記バルブの上流側における圧力と、前記流量センサと前記バルブとの間の流路を少なくとも含む内部容積へ流入する流入流量との関係を示す流入流量特性データを記憶する流入流量特性記憶部と、設定流量値と、前記バルブの上流側における圧力の単位圧力上昇量当たりの前記外乱流量増加量との関係を示すバルブ流量特性データをバルブ流量特性記憶部と、をさらに備え、前記制御係数設定部が、前記内部容積流量特性データ及び前記制御係数に基づいて算出される前記外乱流量減少量と、前記バルブ流量特性データ及び設定流量値に基づいて算出される外乱流量増加量と、が釣り合うように前記制御係数を設定するように構成されていればよい。

本発明の具体的な実施態様としては、前記流量センサが熱式の流量センサであるものが挙げられる。

また、本発明の別の具体的な実施態様としては、前記流量センサが圧力式の流量センサであるものが挙げられる。

本発明と同様の効果を既存の流量制御装置でも得られるようにするには、既存の流量制御装置に、流体が流れる流路に設けられたバルブと、前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御用プログラムであって、設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、前記バルブの開度の減少量に相当する外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に相当する外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定された値であることを特徴とする流量制御装置用プログラムをインストールすればよい。

例えば外乱を検出するための付加的なセンサを用いることなく、バルブの下流側における流量を設定流量値で安定させ続けるには、前記バルブの上流側流体が流れる流路に設けられたバルブと、前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、前記制御係数を、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、前記バルブの開度の減少量に応じた流量の減少量である外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に応じた流量の増加量である外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定することを特徴とする流量制御方法を用いればよい。

このように本発明の流量制御装置、流量制御装置用プログラム、及び、流量制御方法によれば、前記バルブの上流側で生じる外乱圧力上昇に応じて発生する外乱流量増加量と外乱流量減少量とが相殺するように前記制御係数が設定されているので、外乱圧力上昇が生じたとしても前記バルブの下流側の流量を常に設定流量値で安定的に保つことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式的断面図。 同実施形態における流量制御装置のプログラム部分の構成を示す模式図。 同実施形態における流量制御装置の制御構造を示す模式的ブロック線図。 同実施形態における流量制御装置の外乱圧力に対する制御概念を示す模式図。 同実施形態における流量制御装置への外乱圧力の影響を示す模式的ブロック線図。 同実施形態におけるバルブの差圧流量特性の特徴を示す模式的グラフ。 同実施形態におけるパラメータ及び制御係数の傾向を示す模式的グラフ。 本発明の別の実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式的断面図。

本発明の一実施形態について各図を参照しながら説明する。

本実施形態の流量制御装置１００は、例えば半導体製造装置の真空チャンバ内部に成分ガス等を所定の一定流量で供給し続けるために用いられる熱式のマスフローコントローラである。

より具体的には図１及び図２に示すように前記流量制御装置１００は、内部に流路１１が形成された概略直方体形状のボディ１と、前記ボディ１に取り付けられた熱式の流量センサ２及びバルブ３と、前記流量センサ２からの出力に基づいて前記バルブ３を制御する制御機構４と、を備えたものである。

前記ボディ１は、その底面に流体を導入又は導出するための導入口１２、導出口１３がそれぞれ設けてあり、前記導入口１２と前記導出口１３との間を結ぶように前記流路１１が形成してある。この流路１１に対して最も下流側に前記バルブ３が設けてあり、前記バルブ３の上流に前記流量センサ２が設けてある。ここで、前記流量制御装置１００によって制御したい流量は前記導出口１３から導出された後の流体の流量であるが、本実施形態では制御したい流量そのものを測定するのではなく、前記バルブ３よりも上流の別の地点で測定された流量に基づいて前記バルブ３の開度は制御されることになる。すなわち、制御したい対象の流量は直接観測されておらず、別の地点から間接的に測定されていることになる。

前記流量センサ２は、前記流路１１内に設けられた流体抵抗である分流素子２１と、前記流路１１から分岐し、前記分流素子２１の前後を迂回するように設けられた細管２２と、前記細管２２に設けられた２つのコイルからなり、流量に関連する値を検出する検出機構２３と、前記制御機構４の演算機能を利用して構成され、前記検出機構２３から出力に基づいて流量を算出する流量算出部２４とから構成してある。前記各コイルは電熱線であって当該各コイルにはそれぞれの温度がある所定温度で保たれるように温度制御回路（図示しない）が接続してある。各コイルに印加される電圧値が前記検出機構２３から前記流量算出部２４へと出力され、それぞれの電圧値に基づいて前記流量算出部２４は流量を算出する。

本実施形態では、前記流量センサ２から前記バルブ３までの流路１１を少なくとも含む内部容積ＶＬにおいて流量が変動すると、前記バルブ３よりも下流側に流量変化がなかったとしても前記流量センサ２は流量変化があることを出力する。すなわち、前記バルブ３の下流側の流量であるバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔと前記流量センサ２で測定される流量である測定流量値ｙは必ずしも一致していない。

前記バルブ３は、例えばソレノイドバルブやピエゾバルブであって、前記流量センサ２で測定される測定流量値ｙに応じてその開度が制御されるものである。このバルブ３の前後における差圧が一定であると仮定した場合、当該バルブ３の開度と通過する流量は略１対１に対応しており、開度が大きくなるほどバルブ３を通過する流量も大きくなるバルブ流量特性を有している。

一方、このバルブ３の開度が一定であると仮定した場合は、前記バルブ３は前後の差圧、すなわち、バルブ３の上流側（一次側）の圧力が大きくなるほどバルブ３を通過する流量も大きくなるバルブ流量特性も有している。また、この場合のバルブ流量特性は、開度が大きく、通過する流量が大きいほど、上流側の圧力が大きくなった場合に増加する流量も大きくなる特性を示す。

前記制御機構４は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を備えたいわゆるコンピュータであって、前記メモリに格納されている流量制御装置用プログラムが実行され、各種機器が協業することによって少なくとも前記流量算出部２４、バルブ制御部４１、制御係数設定部４４、流入流量特性記憶部４５、バルブ流量特性記憶部４６としての機能を発揮するように構成してある。

各部について説明する。

前記流量算出部２４は、前記流量検出部からの出力に基づいて前記ボディ１の内部に形成された流路１１の流量を算出し、測定流量値ｙとして前記バルブ制御部４１へと出力するものである。

前記バルブ制御部４１は、図２に示すように設定流量値ｒと前記流量センサ２で測定される測定流量値ｙとの間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブ３の開度を制御するものである。より具体的には、前記バルブ制御部４１は、図３の制御ブロック線図に示されるような入力を設定流量値ｒ、出力を前記流量センサ２で測定される測定流量値ｙとするフィードバック系においてバルブ３及び流量センサ２からなる制御対象を制御するためのコントローラとしての機能を発揮するように構成してある。上述したように本実施形態の流量制御装置１００では、フィードバック系の出力である測定流量値ｙと実際に設定流量値ｒで保ちたい流量であるバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔとは一致しておらず当該バルブ３の下流側の流量は図３の制御ブロック線図においては前記バルブ３のブロックの後で出力される値として表される。

本実施形態の前記バルブ制御部４１は、図２の模式図及び図３の制御ブロック線図に示すように流量制御のためのＰＩＤ演算が行われるＰＩＤ制御部４２と、前記バルブ３の制御上の特性を流れている流量及び圧力によらず制御特性として略一定にするためのＱＶ特性調整部４３とから構成してある。

前記ＰＩＤ制御部４２は、入力される設定流量値ｒと測定流量値ｙとの偏差に対してＰＩＤ演算を行い前記バルブ３に印加すべき電圧を出力するものである。本実施形態では前記ＰＩＤ制御部４２で使用される制御係数である比例ゲインが前記制御係数設定部４４により設定される。なお、本実施形態の説明のために用いている各図では説明を簡単にするため微分項の微分係数がゼロの場合を示している。もちろん、微分係数がゼロ以外の場合においても本発明は同様に効果を奏し得る。

前記ＱＶ特性調整部４３は、図３（ａ）に示すように前記バルブ３の伝達関数とは略逆関数の関係にあるものである。つまり、制御ブロックとして考えた場合、図３（ｂ）に示すように制御ループには前記ＰＩＤ制御部４２と、前記流量センサ２の特性を示す一次遅れ要素のみが残ることになる。より具体的には、前記バルブ３の流量制御上の特性である流量と印加電圧（開度）との関係であるＱＶ特性は、流体の流量、圧力の影響を受けて変化する。本実施形態では所定の設定流量値ｒ及び圧力の場合における前記バルブ３のＱＶ特性を基準として他の条件においても同様のＱＶ特性となるように前記ＱＶ特性調整部４３は、前記バルブ３のＱＶ特性に対して逆特性マップを構成してある。

前記制御係数設定部４４は、前記バルブ３の上流側において圧力変動が生じたとしても前記バルブ３の下流側の流量であるバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔが設定流量値ｒからずれないように前記バルブ制御部４１で用いられる制御係数を設定するものである。すなわち、前記制御係数設定部４４は、前記バルブ３の上流側で外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎが生じた場合の外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌと、外乱流量増加量ΔＱ_valveと、が釣り合うように前記バルブ制御部４１の制御係数を設定するものである。

以下では、バルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔが設定流量値ｒで安定している場合において、前記バルブ３の上流側で圧力変動が生じた場合の流量制御への影響について詳述し、前記制御係数設定部４４がどのような制御係数を設定するのかについて説明する。なお、本実施形態では分かりやすさのために外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎ、外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌ、外乱流量増加量ΔＱ_valveとの用語を定義しているが、これらは正負どちらの値でも取り得る。ただし、各量の正負を表す符号は常に共通となっている。また、本実施形態では前記バルブ３の上流側の圧力は通常は基準圧力Ｐ_ｂａｓｅで略一定に保たれており、何らかの外乱によって外乱圧力上昇があった場合にはＰ_ｂａｓｅ＋ΔＰ_ｉｎに変化することがある。

図４（ａ）は本実施形態の流量制御装置１００だけでなく、前記バルブ３の上流側における圧力変動等の外乱までモデル化した場合の制御ブロック線図を示す。図４（ａ）に示されるように前記バルブ３の上流側の圧力変動は、このフィードバック制御系に少なくとも２種類の外乱影響を与える。

図４（ｂ）に示すように外乱影響の１つは外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎにより前記流量センサ２から前記バルブ３の間の流路１１を少なくとも含む内部容積ＶＬ（デッドボリューム）に流入する流量が増加し、前記流量センサ２で測定される測定流量値ｙとバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔとが乖離することである。この場合、測定流量値ｙの増加量ΔＱ_{ｉｎ＿ｖｏｌ}に応じて前記バルブ制御部４１は前記バルブ３の開度が小さくなるように制御するので、もし他の影響が無ければ前記バルブ３の開度の減少量に相当する外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌがバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔに表れることになる。

もう１つの外乱影響は外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎにより、前記バルブ３の前後の差圧が大きくなり、流体が前記バルブ３を通過しやすくなる傾向にバルブ３の流量特性自体が変化することである。この場合、流量特性の変化によって同じ開度であっても前記バルブ３を通過する流量が増加するので、もし他の影響が無ければ差圧の増加量に相当する外乱流量増加量ΔＱ_valveがバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔに表れることになる。

本実施形態では、外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎによって生じる外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌと外乱流量増加量ΔＱ_valveを定量化するとともに図４（ｃ）に示すようにそれぞれが略等しくなるように制御係数を設定することで、結果としてバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔは外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎの影響を受けずに設定流量値ｒで保たれるようにしている。以下では各量について定量的に説明する。

圧力外乱上昇によって内部容積ＶＬに流入する流量の増加量Ｑ_{ｉｎ＿ｖｏｌ}は外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎの時間微分に比例するので伝達関数は式１のように表現できる。

ここでαは設定流量値ｒによらない定数であり、前記バルブ３の上流側における圧力と、前記流量センサ２と前記バルブ３との間の流路１１を少なくとも含む内部容積ＶＬへ流入する流入流量との関係を示す流入流量特性データである。この流入流量特性データは前記流入流量特性データ記憶部４５に予め記憶させてあり、前記制御係数設定部４４が参照できるようにしてある。

また、図４（ａ）のブロック線図について外乱を入力、バルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔを出力として見るとともに、内部容積ＶＬの影響だけに注目したブロック線図は図５（ａ）のようになるので、外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌの伝達関数は式２のようになる。

ここで、ａ_１とｅ_１は同じ値になるように設定している。

一方、流量−開度（印加電圧）の間の関係であるバルブ流量特性は、図６（ａ）に示すように圧力が変化すると同じ開度であっても圧力が高いほどより多くの流量が流れるようになる。外乱流量増加量ΔＱ_valveは図６（ｂ）に示すように外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎにより同じ開度の場合に増加した流量に相当する。この図６（ｂ）に基づいて、外乱圧力が１気圧上昇した場合の外乱流量増加量ΔＱ_valve、すなわち単位圧力上昇当たりの外乱流量増加量βと開度に相当する設定流量値ｒとの間の関係についてグラフにプロットすると図６（ｃ）に示されるような略線形関係が得られ、図４（ａ）に示されるような制御ブロックとしてモデル化することができる。ここで、図６（ｃ）で示されるβの設定流量値ｒに対する傾きは、基準圧力Ｐ_ｂａｓｅからの変化を基準として作成している。外乱が生じていない通常の状態で基準圧力Ｐ_ｂａｓｅよりも高い圧力で前記バルブ３の上流側が保たれている場合には、βのｒに対する傾きは小さくなり、基準圧力Ｐ_ｂａｓｅよりも低い圧力で前記バルブ３の上流側が保たれている場合には、βのｒに対する傾きは大きくなる。本実施形態では、前記バルブ３の圧力は基準圧力Ｐ_ｂａｓｅを基準として変化するので図６（ｃ）の１つのグラフのみを特定し、制御係数の設定に利用している。

この図６（ｃ）に示される設定流量値ｒと、前記バルブ３の上流側における圧力の単位圧力上昇量当たりの前記外乱流量増加量βの関係は、バルブ流量特性データとして前記バルブ流量特性記憶部４６に予め記憶してあり、前記制御係数設定部４４が参照できるようにしてある。

そして、設定流量値ｒごとに定まるβに外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎを乗じることでその時の外乱流量増加量ΔＱ_valveを求めることができるので、外乱流量増加量ΔＱ_valveは式３のように表すことができる。

そして、図４（ａ）のブロック線図について外乱を入力、バルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔを出力として見るとともに、外乱圧力上昇ΔＰ_ｉｎによるバルブ流量特性の変化の影響だけに注目したブロック線図は図５（ｂ）のようになるので、外乱流量増加量ΔＱ_valveは式４のようになる。

これらの式から前記制御係数設定部４４は式２の外乱流量増加量ΔＱ_valveと式３の外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌとが釣り合うように制御係数を設定する。具体的には式５のようになる。

この方程式を解くと式６のようになり、バルブ３の上流側の圧力変動がバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔに全く表れない制御係数ｂ_１を定めることができる。

このように前記制御係数設定部４４は、α、βを用いて前記バルブ制御部４１の制御係数の１つであるｂ_１を設定する。図７（ａ）に示すようにαは設定流量値ｒに対して一定の値を取り、βは設定流量値ｒが大きくなるにつれて大きくなるものであるので、制御係数ｂ_１は図７（ｂ）に示すように設定流量値ｒに対して概略反比例するように設定される。

また、制御係数ｂ_１は、ＰＩＤ制御における比例ゲインＫｐは逆数に定数を乗じたものと等しくなる関係にあるので、比例ゲインＫｐは図７（ｃ）に示すように設定流量値ｒに対して比例して大きくなるように設定すればよいことも分かる。

このように本実施形態の流量制御装置１００では、前記バルブ３の上流側における圧力上昇による外乱流量増加量ΔＱ_valveと外乱流量減少量ΔＱ_ｃｌが釣り合い、相殺するように前記制御係数設定部４４がｂ_１や比例ゲインＫｐを設定するように構成してあるので、圧力変動の影響がバルブ後実流量Ｑ_ｏｕｔには表れないようにすることができる。

すなわち、前述してきたように制御係数を設定することによりフィードバック制御系において前記バルブ３の上流側の圧力変動から前記バルブ３の下流側の流量に対する伝達関数を略ゼロにして、圧力外乱の影響を受けないようにすることができ、前記バルブ３の下流側の流量を略常に設定流量値ｒで安定させることができる。

さらに、フィードバック制御系自体の特性を利用して圧力外乱の影響が表れないようにしているので、本実施形態の流量制御装置１００では圧力外乱を検出する必要がない。したがって、外乱が無い状態で前記バルブ３の上流側の圧力が基準圧力Ｐｂａｓｅでのみ略保たれている場合には、従来のように外乱を検出するための付加的なセンサを設けなくても外乱に対してロバストな流量制御を実現できる。

その他の実施形態について説明する。

流路を流れる流体の種類が変更された場合でも、前記実施形態の流量制御能力を十分に発揮できるように制御係数を設定するために、前記制御係数設定部が、流体種のモル比熱に基づいて前記制御係数を補正するように構成してもよい。より具体的には、例えば窒素やヘリウム等の不活性ガスについて定めるべき制御係数ｂ_１が分かっており、他の種類の流体を流す場合には、各流体種のモル比熱の比をｂ_１に乗じることでその流体種にあったｂ_１に補正することができる。なお、モル比熱の高い流体ほど前記バルブの圧力変動の影響を受けにくい傾向がある。

前記実施形態では、制御係数としてゲインｂ_１やＰＩＤ制御のための比例ゲインＫｐを設定することで外乱流量減少量と外乱流量増加量が相殺するように構成していたが、その他の制御係数を適切に設定して相殺が生じるようにしても構わない。

設定すべき制御係数については前述したαやβを用いて適宜算出してもよいし、外乱流量減少量と外乱流量増加量とが相殺するゲインについて設定流量値との関係をテーブル等として作成しておき、このテーブルを参照することで前記バルブ制御部の制御係数を設定するように前記制御係数設定部を構成してもよい。

前記実施形態では、流量センサは熱式の流量センサであったが、その他の測定原理を用いた流量センサであっても構わない。具体的には、圧力式の流量センサを用いても構わない。

前記実施形態では、前記制御係数設定部によって前記バルブ制御部で用いられる制御係数が設定流量値ごとに適宜設定されていたが、例えば予め定められた一定の設定流量値でしか流量制御を行わないような使用用途では前記制御係数設定部を省略し、制御係数を固定しても構わない。また、前記制御係数設定部は、設定流量値だけでなく、流路を流れる流体の圧力に基づいて外乱流量増加量及び外乱流量減少量が実質的に釣り合うように制御係数を設定するようにしても構わない。より具体的には、バルブ３の上流側の圧力が外乱の無い状態でも基準圧力Ｐ_ｂａｓｅから別の圧力で保たれるように変更され、βの設定流量値ｒに対する傾きが変化してしまう場合でも外乱流量増加量と外乱流量減少量が釣り合うようにするには、図８に示すように前記バルブ３の上流側に圧力センサ５を設けておき、前記制御係数設定部４４が、測定された圧力と設定流量値に基づいてβを変更して、比例ゲインＫ_ｐ等の制御係数を設定するように構成すればよい。また、βはガス種によっても変化する値であるので、前記制御係数設定部がガス種について受け付けて、ガス種に応じた制御係数を設定するようにしてもよい。このようにすることで、さらに圧力外乱に強い流量制御を実現することができる。

前記実施形態では前記バルブの上流側の圧力が上昇することを基準として、前記制御係数、前記外乱流量増加量、及び、前記外乱流量減少量を定義していたが、もちろん、外乱圧力低下を基準にして定義する事も可能である。この場合は、前記制御係数は、前記バルブの上流側で外乱圧力低下が生じた場合において、前記外乱圧力低下による測定流量値の減少量に応じて前記バルブ制御部が増加させる前記バルブの開度の増加量に応じた流量の減少量である外乱流量増分と、前記外乱圧力低下による前記バルブの前後における差圧の低下量に応じた流量の減少量である外乱流量減分と、が実質的に釣り合うように設定された値であると説明することができる。

前記実施形態では、前記バルブ制御部はＰＩＤ制御により流量を制御するものであったが、例えばＩ−ＰＤ制御等その他の制御アルゴリズムによって流量を制御するものであっても構わない。さらに、前記実施形態では、前記バルブのＱＶ特性に基づいて流量制御を行っているが、例えば流量と前記バルブの開度自体との間の関係や、流量とバルブの弁体の位置との関係に基づいてバルブを制御するようにしてもよい。より具体的には、前記バルブの開度又は前記弁体の位置を測定できる変位センサを前記バルブが備えており、この変位センサの出力をフィードバックしてバルブの制御を行うように構成しても構わない。この場合は、バルブの応答性をさらに向上させて高速の制御を実現することができる。

既存の流量制御装置においても本発明のような流量制御を後付けで実現できるようにするには、例えば前記流量制御装置用プログラムが記憶された記憶媒体を用いて既存の流量制御装置にプログラムをインストールし、本発明のバルブ制御部及び制御係数決定部としての機能を発揮させればよい。なお、記憶媒体としてはＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等様々なものを用いても構わない。

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・・・流量制御装置
１ ・・・ボディ
１１ ・・・流路
２ ・・・流量センサ
３ ・・・バルブ
４ ・・・制御機構
４１ ・・・バルブ制御部
４２ ・・・ＰＩＤ制御部
４３ ・・・ＱＶ特性調整部
４４ ・・・制御係数設定部
４５ ・・・流入流量特性記憶部
４６ ・・・バルブ流量特性記憶部

Claims (7)

1. 流体が流れる流路に設けられたバルブと、
   前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、
   設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備え、
   前記制御係数が、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、前記バルブの開度の減少量に応じた流量の減少量である外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に応じた流量の増加量である外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定された値である流量制御装置であって、
   前記流量制御装置が
   前記バルブの上流側における圧力、又は、前記設定流量値に基づいて前記バルブ制御部の前記制御係数を設定する制御係数設定部と、
   前記バルブの上流側における圧力と、前記流量センサと前記バルブとの間の流路を少なくとも含む内部容積へ流入する流入流量との関係を示す流入流量特性データを記憶する流入流量特性記憶部と、
   設定流量値と、前記バルブの上流側における圧力の単位圧力上昇量当たりの前記外乱流量増加量との関係を示すバルブ流量特性データを記憶するバルブ流量特性記憶部と、をさらに備え、
   前記制御係数設定部が、前記流入流量特性データ及び前記制御係数に基づいて算出される前記外乱流量減少量と、前記バルブ流量特性データ及び設定流量値に基づいて算出される外乱流量増加量と、が釣り合うように前記制御係数を設定するように構成されていることを特徴とする流量制御装置。
2. 前記バルブ制御部が、ＰＩＤ制御によって前記バルブの開度を制御するように構成されており、
   前記制御係数設定部が、前記制御係数として比例ゲインを設定するように構成されており、設定流量値が大きいほど前記外乱流量増加量と前記外乱流量減少量とが実質的に釣り合うように比例ゲインを大きく設定するように構成されている請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記流量センサが熱式の流量センサである請求項１又は２いずれかに記載の流量制御装置。
4. 前記流量センサが圧力式の流量センサである請求項１又は２いずれかに記載の流量制御装置。
5. 前記制御係数設定部が、流体種のモル比熱に基づいて前記制御係数を補正するように構成されている請求項１乃至４いずれかに記載の流量制御装置。
6. 流体が流れる流路に設けられたバルブと、前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御用プログラムであって、
   設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
   前記制御係数が、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、開度の減少量に応じた流量の減少量である外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に応じた流量の増加量である外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定された値である流量制御装置用プログラムであって、
   前記流量制御装置用プログラムが、
   前記バルブの上流側における圧力、又は、前記設定流量値に基づいて前記バルブ制御部の前記制御係数を設定する制御係数設定部と、
   前記バルブの上流側における圧力と、前記流量センサと前記バルブとの間の流路を少なくとも含む内部容積へ流入する流入流量との関係を示す流入流量特性データを記憶する流入流量特性記憶部と、
   設定流量値と、前記バルブの上流側における圧力の単位圧力上昇量当たりの前記外乱流量増加量との関係を示すバルブ流量特性データを記憶するバルブ流量特性記憶部と、としての機能をさらにコンピュータに発揮させるものであり、
   前記制御係数設定部が、前記流入流量特性データ及び前記制御係数に基づいて算出される前記外乱流量減少量と、前記バルブ流量特性データ及び設定流量値に基づいて算出される外乱流量増加量と、が釣り合うように前記制御係数を設定するように構成されていることを特徴とする流量制御装置用プログラム。
7. 流体が流れる流路に設けられたバルブと、前記流路において前記バルブよりも上流側に設けられた流量センサと、設定流量値と前記流量センサで測定される測定流量値との間の偏差と、設定されている制御係数とに基づいて、前記偏差が小さくなるように前記バルブを制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置を用い、
   前記制御係数を、前記バルブの上流側で外乱圧力上昇が生じた場合において、前記バルブの開度の減少量に応じた流量の減少量である外乱流量減少量と、前記バルブの前後における差圧の増加量に応じた流量の増加量である外乱流量増加量と、が実質的に釣り合うように設定する流量制御方法であって、
   前記流量制御方法が、
   前記バルブの上流側における圧力、又は、前記設定流量値に基づいて前記バルブ制御部の前記制御係数を設定する制御係数設定ステップと、
   前記バルブの上流側における圧力と、前記流量センサと前記バルブとの間の流路を少なくとも含む内部容積へ流入する流入流量との関係を示す流入流量特性データを記憶する流入流量特性記憶ステップと、
   設定流量値と、前記バルブの上流側における圧力の単位圧力上昇量当たりの前記外乱流量増加量との関係を示すバルブ流量特性データを記憶するバルブ流量特性記憶ステップと、を備え、
   前記制御係数設定ステップにおいて、前記流入流量特性データ及び前記制御係数に基づいて算出される前記外乱流量減少量と、前記バルブ流量特性データ及び設定流量値に基づいて算出される外乱流量増加量と、が釣り合うように前記制御係数を設定することを特徴とする流量制御方法。