流量レンジ可変型流量制御装置
【課題】 １基の流量制御装置によってより広い流量域の流体の高精度な流量制御を可能とすることにより、流量制御装置の小型化と設備費の削減を図る。
【解決手段】 オリフィス上流側圧力Ｐ1及び又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を切換え流通させる。
【解決手段】 オリフィス上流側圧力Ｐ1及び又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を切換え流通させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造設備や化学産業設備、薬品産業設備、食品産業設備等の流体供給系の流量制御装置に関するものであり、特に圧力式流量制御装置や熱式質量流量制御装置に於いて、流量制御範囲の拡大と高い制御精度の維持の両方を容易に達成できるようにした流量レンジ可変型流量制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置等で使用される流量制御装置には、高い流量制御精度が要求されるだけでなく、その流量制御範囲についても相当大きな制御範囲が要求されることになる。
一方、流量制御範囲が大きくなると、必然的に低流量域に於ける制御精度が低下することになり、流量制御装置に設けた測定値の補正機能だけでは低流領域に於ける制御精度の低下をカバーしきれなくなると云う問題がある。
【０００３】
そのため、一般的には、要求される流量制御範囲に対応して流量制御域を複数域、例えば大流量域と中流量域と小流量域に分割し、各流量域の流量制御を分担する３組の流量制御装置を並列的に設けることにより、広い流量制御範囲に亘って高い流量制御精度が維持されるようにしている。
【０００４】
しかし、流量制御範囲の異なる装置を複数組並列的に設けるシステムでは、設備費の高騰が不可避となり、設備費の低減が図れないうえ、流量制御装置の切換操作に手数を要すると云う問題がある。
【０００５】
また、半導体製造設備等においては、従前の熱式質量流量制御装置に替えて圧力式流量制御装置が多く利用されだしている。
圧力式流量制御装置は構造が簡素であるだけでなく、応答性や制御精度、制御の安定性、製造コスト、メンテナンス性等の点でも優れた特性を具備しており、更に、熱式質量流量制御装置とも簡単に交換することができるからである。
【０００６】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、前記従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳの基本構成の一例を示すものであり、コントロール弁２、圧力検出器６、２７、オリフィス８、流量演算回路１３、３１、流量設定回路１４、演算制御回路１６、流量出力回路１２等から圧力式流量制御装置ＦＣＳの要部が形成されている。
尚、図７（ａ）及び図７（ｂ）において、３はオリフィス上流側配管、４は弁駆動部、５はオリフィス下流側配管、９はバルブ、１５は流量変換回路、１０、１１、２２、２８は増幅器、７は温度検出器、１７、１８、２９はＡ／Ｄ変換器、１９は温度補正回路、２０、３０は演算回路、２１は比較回路、Ｑｃは演算流量信号、Ｑｆは切換演算流量信号、Ｑｅは流量設定信号、Ｑｏは流量出力信号、Ｑｙは流量制御信号、Ｐ1はオリフィス上流側気体圧力、Ｐ2はオリフィス下流側気体圧力、ｋは流量変換率である。
【０００７】
前記図７（ａ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、オリフィス上流側気体圧力Ｐ1とオリフィス下流側気体圧力Ｐ2との比Ｐ2／Ｐ1が流体の臨界値に等しいか、若しくはこれより低い場合（所謂気体の流れが常に臨界状態下にあるとき）に主として用いられるものであり、オリフィス８を流通する気体流量Ｑｃは、Ｑｃ＝ＫＰ1（但し、Ｋは比例定数）で与えられる。
また、前記図７（ｂ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、臨界状態と非臨界状態の両方の流れ状態となる気体の流量制御に主として用いられるものであり、オリフィス８を流れる気体の流量は、Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として与えられる。
【０００８】
前記図７（ａ）及び図７（ｂ）の圧力式流量制御装置においては、流量の設定値は、流量設定信号Ｑｅとして電圧値で与えられる。例えば、上流側圧力Ｐ1の圧力制御範囲０〜３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）を電圧範囲０〜５Ｖで表示したとすると、Ｑｅ＝５Ｖ（フルスケール値）は、３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）の圧力Ｐ1における流量Ｑｃ＝ＫＰ1に相当することとなる。
例えば、いま流量変換回路１５の変換率ｋが１に設定されているとき、流量設定信号Ｑｅ＝５Ｖが入力されると、切換演算流量信号Ｑｆ（Ｑｆ＝ｋＱｃ）は５Ｖとなり、上流側圧力Ｐ1が３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）になるまでコントロール弁２が開閉操作されることになり、Ｐ1＝３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に対応する流量Ｑｃ＝ＫＰ1の気体がオリフィス８を流通することになる。
【０００９】
また、制御すべき圧力範囲を０〜２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に切換え、この圧力範囲を０〜５（Ｖ）の流量設定信号Ｑｅで表示する場合（即ち、フルスケール値５Ｖが２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）を与える場合）には、前記流量変換率ｋが２／３に設定される。
【００１０】
その結果、流量設定信号Ｑｅ＝５（Ｖ）が入力されたとすると、Ｑｆ＝ｋＱｃから、切換演算流量信号ＱｆはＱｆ＝５×２／３（Ｖ）となり、上流側圧力Ｐ1が３×２／３＝２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）になるまで、コントロール弁２が開閉操作される。
即ち、Ｑｅ＝５Ｖが、Ｐ1＝２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に相当する流量Ｑｃ＝ＫＰ1を表すようにフルスケールの流量が変換される。
また、臨界状態下においては、オリフィス８を流通する気体流量Ｑｃは、前述のとおりＱｃ＝ＫＰ1なる式で与えられるが、流量制御すべきガス種が変れば、同一オリフィス８を使用している場合には、前記比例定数Ｋが変化する。
尚、前記図５（ｂ）の圧力式流量制御装置においても同様であり、オリフィス８を流通する気体の流量Ｑｃは、Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として与えられ、ガス種が変われば前記比例定数Ｋが変化する。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−３３８５４６号公報
【特許文献２】特開２０００−６６７３２号公報
【特許文献３】特開２０００−３２２１３０号公報
【特許文献４】特開２００３−１９５９４８号公報
【特許文献５】特開２００４−１９９１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、圧力式流量制御装置、特に臨界条件下で流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1として演算制御する方式図５（ａ）に示した装置にあっては、オリフィス二次側圧力Ｐ2（即ち、ガス供給先であるチャンバ装置等）が上昇するにつれて、流量制御範囲が漸次狭くなる。何故ならオリフィス一次側圧力Ｐ1は流量設定値に従って一定圧力値に制御されているため、Ｐ2／Ｐ1が臨界膨張条件を満たしている状態の下でオリフィス二次側圧力Ｐ2が上昇すると、必然的にオリフィス一次側圧力Ｐ1の調整範囲、即ちＰ1による流量Ｑｃの制御範囲が狭くなるからである。
また、流体の流通状態が前記臨界条件を外れると、流量制御精度が大幅に低下することになり、結果として半導体製品の品質にばらつきを生ずることになる。
【００１３】
換言すれば、臨界条件下で流体の流量制御を行う型式の圧力式流量制御装置には、オリフィス二次側の圧力の上昇によって流量制御の可能な範囲が、従前の熱式質量流量制御装置や所謂差圧式流量制御装置に比較して大幅に狭まることになる。
その結果、流量制御範囲の異なる二つの圧力式流量制御装置を必要とすることになり、半導体製造装置等の製造コストの上昇を招くことになる。
【００１４】
本願発明は、従前の流体流量制御装置における上述の如き問題、即ちイ．広い流量制御範囲を必要とする場合には、所定の制御精度を確保するために流量範囲の異なる複数の流量制御装置を並列状に設け、これ等を切換え使用する必要があり、流量制御装置の費用の削減が困難なこと、ロ．臨界条件下における流量制御を基本とする圧力式流量制御装置にあっては、オリフィス２次側の圧力上昇と共に流量制御範囲が漸減し、これに対処するためには流量範囲の異なる複数の流量制御装置を必要とすること、等の問題を解決せんとするものであり、流量制御装置内部の流体通路を適宜に切換制御することにより、一基の流量制御装置の使用でもって広い流量制御範囲に亘って高精度な流体の流量制御を行えるようにした、流量レンジ可変型流量制御装置を提供することを発明の主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、流量制御装置の流量検出部への流体通路として少なくとも小流量用と大流量用の流体通路を設け、前記小流量用流体通路を通して小流量域の流体を流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを小流量域の検出に適した検出レベルに切換えし、また、前記大流量用流体通路を通して大流量域の流体を前記流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを大流量域の流量の検出に適した検出レベルに切換えすることにより、大流量域と小流量域の流体を夫々切り換えて流量制御をすることを発明の基本構成とするものである。
【００１６】
請求項２の発明は、オリフィス上流側圧力Ｐ1および又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝Ｋ
Ｐ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路を少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を流通させる構成としたこと発明の基本構成とするものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、並列状の流体通路の数を２個に、またオリフィスを大流量用オリフィスと小流量用オリフィスの２個とすると共に、大流量用オリフィスの流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成としたものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、オリフィスを大流量用オリフィスと中流量用オリフィスと小流量用オリフィスの三種類とすると共に、一方の流体通路にＮｏ１切換用バルブとＮｏ２切換バルブと大流量オリフィスを直列状に介在させ、また他方の流体通路に小流量オリフィスと中流量オリフィスを介在させ、更に、前記両切換バルブ間を連通する通路と、小流量オリフィスと中流量オリフィス間を連通する通路とを連通させる構成としたものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、圧力式流量制御装置オリフィスを流通する流体を臨界条件下の流体とするようにしたものである。
【００２０】
請求項６の発明は、流量制御バルブと層流素子デバイス部と流量センサ部等から構成されており、流量センサ部で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブを開閉制御することにより一定の設定流量の流体を流出するようにした熱式質量流量制御装置において、流量制御バルブまでの流体通路を少なくとも二つ以上の並列の流体通路とするとともに、前記各並列状の流体通路へ粗さの異なる層流素子及び流量センサを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方の層流素子へ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方の層流素子へ前記大流量域の流体を流通させることを発明の基本構成とするものである。
【００２１】
請求項7の発明は、請求項６の発明において、並列状の流体通路の数を２個にし、また層流素子を大流量用の粗い層流素子と小流量用の細かい層流素子の２個とすると共に、夫々の流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成としたものである。
【発明の効果】
【００２２】
大流量用オリフィス８ｃと小流量用オリフィス８ａ（又は大流量用オリフィス８ｃと中流量用オリフィス８ｂと小流量用オリフィス８ａ）による流量制御を適宜に組み合わせすることにより流量制御を行う構成としているため、広範囲の流量域に亘って誤差が１％セットポイント以下の高精度な流量制御が行える。
また、切換弁の操作により自動的に流量制御域を切換選択することができ、操作の複雑化を招くこともない。
更に、臨界条件下における流体流量制御を基本とした場合には、フローファクタＦ．Ｆを活用することによってガス種の変更にも容易に対応することができ、各種の流体供給設備の流量制御に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の各実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成図を示すものであり、図１に於いて１は制御部、２はコントロール弁、３はオリフィス上流側（一次側）管路、４は弁駆動部、５は流体供給用管路、６は圧力センサ、８ａは小流量用オリフィス、８ｂは中流量用オリフィス、８ｃは大流量用オリフィス、３２、３３は切換用電磁弁、３４、３５は切換弁である。
【００２４】
前記圧力式流量制御装置ＦＣＳの制御部１、コントロール弁２、弁駆動部４、圧力センサ６等は公知のものであり、制御部１には流量の入出力信号（設定流量の入力信号、制御流量の出力信号・ＤＣ０−５Ｖ）端子Ｑｅ、Ｑｏ、電源供給端子（±ＤＣ１５Ｖ）Ｅ、制御流量切換指令信号の入力端子ＳL、ＳM、ＳSが設けられている。
【００２５】
また、前記切換用電磁弁３２、３３は公知のエアー作動型電磁弁であり、制御部１から切換信号Ｃ1、Ｃ2が入力されることにより、駆動用ガス（０．４〜０．７ＭＰａ）Ｇｃが供給され、切換用電磁弁３２、３３が作動する。これによって駆動用ガスＧｃが切換弁の弁駆動部３４ａ、３５ａへ供給され、切換弁３４、３５が開閉作動される。
【００２６】
更に、各切換弁３４、３５の作動は、各弁駆動部３４ａ、３５ａに設けた近接スイッチ３４ｂ、３５ｂにより検出され、制御部１へ入力される。
尚、本実施形態においては、切換弁３４、３５として空気圧作動の常時閉鎖型バルブが使用されている。
【００２７】
図１の管路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆは各オリフィス８ａ、８ｂ、８ｃのバイパス通路を形成するものであり、制御流量が小流量域の場合には、小流量用オリフィス８ａにより流量制御された流体が，主として管路５ｂ、５ｄ、５ｃ，５ｅを通して流通する。
また、制御流量が中流量域の場合には、管路５ａ、５ｂ、５ｄを通して流体が中流量オリフィス８ｂへ流入し、主として中流量用オリフィス８ｂにより流量制御された流体が流体供給用管路５内へ流出して行く。
更に、制御流量が大流量域の場合には、流体は管路５ａを通して大流量用オリフィス８ｃへ流入し、大流量用オリフィス８ｃにより主に流量制御された流体が、流体供給用管路５内へ流入する。
【００２８】
より具体的には、例えば最大制御流量が２０００ＳＣＣＭの場合、小流量用オリフィス８ａとして最大流量２０ＳＣＣＭのオリフィスが、中流量用オリフィス８ｂとして最大２００ＳＣＣＭのオリフィスが、最大流量用オリフィス８ｃとして最大流量１７８０ＳＣＣＭのオリフィスが夫々利用される。
【００２９】
即ち、２０ＳＣＣＭ以下の小流量流体の流量制御を行う場合には、制御部１へ切換信号Ｓｓを入力し、Ｎｏ２切換用電磁弁３３を開放して駆動用ガスＧｃをＮｏ２切換弁３５へ送り、当該Ｎｏ２切換弁３５を開放する（Ｎｏ１切換弁３４は閉鎖状態に保持）。
【００３０】
その結果、流体は管路３・小流量オリフィス８ａ・管路５ｂ・バルブ３５・大流量オリフィス８ｃ・管路５ｃ及び管路５ｄ・中流路オリフィス８ｂ・管路５ｆを通して、管路５へ流通し、小流量オリフィス８ａにより流量ＱLがＱ＝ＫLＰ1（ＫLは小流量オリフィス８ａに固有の定数）として流量制御される。
尚、その流量特性は図２の特性Ａの如くになり、２０〜２ＳＣＣＭの流量範囲に亘って誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御を行うことが出来る。
【００３１】
また、制御流量が２００ＳＣＣＭ（中流量程度）の場合には、Ｎｏ１切換弁３４を開及びＮｏ２切換弁３５を閉の状態に切換え、流体を管路３・管路５ａ・バルブ３４・管路５ｂ及び管路３・小流量オリフィス８ａを通して中流量オリフィス８ｂへ流通させ、当該中流量オリフィス８ｂにより流量ＱMがＱM＝ＫMＰ1（但し、ＫMは中流量オリフィス８ｂに固有の定数）として流量制御される。
尚、この場合の流量制御特性は図２の特性Ｂの如き状態となり、２００〜２０ＳＣＣＭの流量範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御が行われる。
【００３２】
更に、制御流量が２０００ＳＣＣＭ（最大流量）の場合には、両切換用電磁弁３２、３３を介して両切換バルブ３４、３５を開放させ、流路３・流路５ａ・バルブ３４・バルブ３５・大流量オリフィス８ｃ・管路５ｃ及び小流量オリフィス８ａ・中流量オリフィス８ｂ・管路５ｆを通して管路５へ流体を供給する。
【００３３】
この場合、流体の流量は主として大流量オリフィス８ｃにより流量ＱM＝ＫMＰ1（但し、ＫMは大流量オリフィス８ｃに固有の定数）として流量制御されるが、厳密には中流量オリフィス８ｂを通る流量ＱM＝ＫMＰ1と大流量オリフィス８ｃを通る流量ＱL＝ＫLＰ1の和として、管路５の流量が制御されることになる。
尚、この場合の流量制御特性は図２の特性Ｃのようになり、２０００〜２００ＳＣＣＭの流量範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度で流量ＱLの制御が行える。
【００３４】
図３は、本発明の第２実施形態を示すものであり、小流量用オリフィス８ａと大流量用オリフィス８ｃと用い、流量制御を適宜に切換えつつ行うようにしたものである。
例えば、最大流量２０００ＳＣＣＭの流量制御を行う場合、小流量用オリフィス８ａにより２００ＳＣＣＭまでの流量を、また大流量用オリフィス８ｃにより２０００ＳＣＣＭまでの流量を夫々流量制御する構成とする。
【００３５】
具体的には、２００ＳＣＣＭまでの流量を制御する場合には、切換弁３４を閉の状態に保持し、小流量オリフィス８ａを流通する流体流量ＱSをＱS＝ＫSＰ1（但し、ＫSはオリフィス８ａに固有の定数）として流量制御する。
当該小流量オリフィス８ａを用いた流量制御により流量２００ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭの範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御を行うことができる。
尚、図４の特性Ｄは、この時の流量制御特性を示すものであり、オリフィス下流側管路５が１００Ｔｏｒｒ以下の場合には、流量２０ＳＣＣＭにおいて、誤差±１％セットポイント以下に押え得ることが確認されている。
【００３６】
前記図３の流量制御方式においては、オリフィス下流側圧力が１００Ｔｏｒｒを越える場合や、オリフィス下流側圧力が１００Ｔｏｒｒ以下であっても流体流量Ｑｓが２０ＳＣＣＭ以下となった場合には、流量制御誤差を±１％セットポイント以下に保持することが困難である。
従って、この場合には、図４に示すように、流量２０ＳＣＣＭ以下の領域を所謂パルス制御により流量制御を行なっても良い。
【００３７】
尚、ここで云うパルス制御とは、オリフィス上流側のコントロール弁２の開閉をパルス信号によって行い、流体をパルス状に管路３内へ流通させるようにした制御方式であり、開閉パルスの数を調整することにより、小流量オリフィス８ａを流通する流体流量を比較的高精度でもって制御するものである。
【００３８】
一方、流量２０００ＳＣＣＭ以下の流体を制御する場合には、切換用電磁弁３２を介して切換バルブ３４を開放する。これにより、流体は管路５ａ・切換弁３４・大流量オリフィス８ｃ及び小流量オリフィス８ａ・管路５ｇを通して管路５へ流入する。
即ち、管路５へ流入する流体流量は、大流量オリフィス８ｃによる制御流量ＱC＝ＫCＰ1（但し、Ｋｃは大流量オリフィス８ｃに固有の定数）と小流量オリフィス８ａによる制御流量ＱS＝ＫSＰ1（但しＫSは小流量オリフィス８ａに固有の定数）との和となり、その流量特性曲線は図４の特性Ｅで示されたものとなる。
【００３９】
上述したように、本願の実施形態１及び実施形態２においては、大流量オリフィス８ｃと小流量オリフィス８ａ（又は大流量オリフィス８ｃと中流量オリフィス８ｂと小流量オリフィス８ａ）による流量制御を適宜に組み合わせすることにより、例えば２０００〜２ＳＣＣＭの広範囲の流量制御域に亘って、誤差±１％セットポイント以下の高精度な流量制御が可能となる。
【００４０】
また、小流量用オリフィス８ａによる流量制御の状態下でガス流量を変更するような場合には、迅速な切換え操作が要求される。このような場合、本発明においてはオリフィス８ａの流路と並列にバイパス流路（５ａ、３４、８ｃ、５ｃ）を設け、当該バイパス流路を開放することにより、オリフィス２次側管路の圧力降下時間の短縮を容易に図ることができる。
【００４１】
更に、本発明においては、流体の流量制御を臨界条件下において行う構成としているため、ガス種が変っても所謂フローファクタＦ．Ｆを利用して演算流量Ｑを実ガスの流量に変換することができ、圧力式流量制御装置の優れた特性をフルに活用することが可能となる。
【００４２】
図５は、本発明で使用をする圧力式流量制御装置の流体の臨界条件を外れた状態における流量制御精度を、オリフィス２次側圧力Ｐ2をパラメータとして示したものであり、例えばＰ2＝１００Ｔｏｒｒの場合には、曲線Ｆで示すように、制御流量が定格設定流量の
約５％の点で、誤差が−１％Ｆ．Ｓを越えることになる。
【００４３】
その結果、例えば図４の特性Ｄ（小流量オリフィス８ａによる２００〜２０ＳＣＣＭ）に示すように、２００〜２０ＳＣＣＭの間は、誤差±１％セットポイント以下の精度で確実に流量制御を行えるが、制御流量が２０ＳＣＣＭ以下になると、オリフィス２次側圧力Ｐ2が１００Ｔｏｒｒの場合には臨界条件を外れた状態となるため、設定流量の約５％の流量（２００ＳＣＣＭ×５％＝１０ＳＣＣＭ）の点まで誤差を確実に１％Ｆ．Ｓ以下に押えることは、事実上困難である。
【００４４】
その結果、図４に示すように、設定流量の１０％〜５％の小流量域（２０ＳＣＣＭ〜１０ＳＣＣＭ）では、パルス制御方式を採用してもよい（勿論、パルス制御方式を採用しなくても、誤差0．1％（大流量オリフィスのフルスケールを基準とした場合）Ｆ．Ｓ以下に保持可能である）。
【００４５】
図６は、本発明の第３実施形態を示すものであり、流量制御装置に所謂熱式質量流量制御装置ＭＦＣを使用したものである。
当該熱式質量流量制御装置ＭＦＣは、図６に示す如く制御部３６と、流量制御バルブ３７と、層流素子バイパス部３８と、流量センサ部３９と、切替バルブ４０等から構成されており、流量センサ部３９で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブ３７を開閉制御することにより、一定の設定流量の流体を流出せしめるものである。
尚、熱式質量流量制御装置ＭＦＣそのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
又、図６において、３６ａはブリッジ回路、３６ｂは増幅回路、３６ｃは補正回路、３６ｄは比較回路、３６ｅはバルブ駆動回路、３６ｆはアクチュエータである。
【００４６】
本発明においては、層流素子バイパス部３８のバイパス通路として２個の通路４０ａ、４０ｂが別に設けられており、且つ各通路に切換バルブ４１、４２が夫々設けられている。
即ち、バイパス流路の一方の流体通路４０ａには粗い層流素子３８ａが設けられており、中流量流体の流量制御に適用される。また、他方の流体通路４０ｂにはより粗い層流素子３８ｂが設けられており、大流量流体の流量制御に適用される。
【００４７】
具体的には、大流量の流量制御時には、切替バルブ４１及び切替バルブ４２を開にする。
また、小流量の流量制御時には切換バルブ４２及び切替バルブ４１を閉にすると共に、制御部３６の増幅回路３６ｂの増幅レベルを小流量の検出に適したレベルに切換えする。
更に、中流量の流量制御時には、切換バルブ４１を閉、切換バルブ４２を開にすると共に、前記増幅回路３６ｂの増幅レベル等を中流量の検出に適したレベルに切換える。
【００４８】
上記各切換バルブ４１、４２の切換及び制御部３６の増幅レベル等の切換えにより、１基の熱式質量流量制御装置ＭＦＣを用いて大、中及び小の三種の流量範囲に亘って高精度な流量制御を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、半導体製造や化学産業、薬品産業、食品産業等における各種流体の流体供給設備に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図２】図１の流量制御装置の流量特性を示す線図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図４】図３の流量制御装置の流量特性を示す線図である。
【図５】圧力式流量制御装置ＦＣＳの臨界条件範囲外における流量制御特性の一例を示すものである。
【図６】本発明の第３実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図７】従前の圧力式流量制御装置の基本構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
ＦＣＳは圧力式流量制御装置
ＭＦＣは熱式質量流量制御装置
１は制御部
２はコントロール弁
３はオリフィス一次側管路
４は駆動部
５は流体供給用管路
６は圧力センサ
８ａは小流量用オリフィス
８ｂは中流量用オリフィス
８ｃは大流量用オリフィス
３２はＮｏ１切換用電磁弁
３３はＮｏ２切換用電磁弁
３４はＮｏ１切換弁
３４ａは弁駆動部
３４ｂは近接センサ
３５はＮｏ２切換弁
３５ａは弁駆動部
３５ｂは近接センサ
３６は制御部
３６ａはブリッジ回路
３７は流量制御バルブ
３８．３８ａ．３８ｂは層流素子バイパス
３９は流量センサ部
４０ａ・４０ｂは流体通路
４１．４２は切換バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造設備や化学産業設備、薬品産業設備、食品産業設備等の流体供給系の流量制御装置に関するものであり、特に圧力式流量制御装置や熱式質量流量制御装置に於いて、流量制御範囲の拡大と高い制御精度の維持の両方を容易に達成できるようにした流量レンジ可変型流量制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置等で使用される流量制御装置には、高い流量制御精度が要求されるだけでなく、その流量制御範囲についても相当大きな制御範囲が要求されることになる。
一方、流量制御範囲が大きくなると、必然的に低流量域に於ける制御精度が低下することになり、流量制御装置に設けた測定値の補正機能だけでは低流領域に於ける制御精度の低下をカバーしきれなくなると云う問題がある。
【０００３】
そのため、一般的には、要求される流量制御範囲に対応して流量制御域を複数域、例えば大流量域と中流量域と小流量域に分割し、各流量域の流量制御を分担する３組の流量制御装置を並列的に設けることにより、広い流量制御範囲に亘って高い流量制御精度が維持されるようにしている。
【０００４】
しかし、流量制御範囲の異なる装置を複数組並列的に設けるシステムでは、設備費の高騰が不可避となり、設備費の低減が図れないうえ、流量制御装置の切換操作に手数を要すると云う問題がある。
【０００５】
また、半導体製造設備等においては、従前の熱式質量流量制御装置に替えて圧力式流量制御装置が多く利用されだしている。
圧力式流量制御装置は構造が簡素であるだけでなく、応答性や制御精度、制御の安定性、製造コスト、メンテナンス性等の点でも優れた特性を具備しており、更に、熱式質量流量制御装置とも簡単に交換することができるからである。
【０００６】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、前記従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳの基本構成の一例を示すものであり、コントロール弁２、圧力検出器６、２７、オリフィス８、流量演算回路１３、３１、流量設定回路１４、演算制御回路１６、流量出力回路１２等から圧力式流量制御装置ＦＣＳの要部が形成されている。
尚、図７（ａ）及び図７（ｂ）において、３はオリフィス上流側配管、４は弁駆動部、５はオリフィス下流側配管、９はバルブ、１５は流量変換回路、１０、１１、２２、２８は増幅器、７は温度検出器、１７、１８、２９はＡ／Ｄ変換器、１９は温度補正回路、２０、３０は演算回路、２１は比較回路、Ｑｃは演算流量信号、Ｑｆは切換演算流量信号、Ｑｅは流量設定信号、Ｑｏは流量出力信号、Ｑｙは流量制御信号、Ｐ1はオリフィス上流側気体圧力、Ｐ2はオリフィス下流側気体圧力、ｋは流量変換率である。
【０００７】
前記図７（ａ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、オリフィス上流側気体圧力Ｐ1とオリフィス下流側気体圧力Ｐ2との比Ｐ2／Ｐ1が流体の臨界値に等しいか、若しくはこれより低い場合（所謂気体の流れが常に臨界状態下にあるとき）に主として用いられるものであり、オリフィス８を流通する気体流量Ｑｃは、Ｑｃ＝ＫＰ1（但し、Ｋは比例定数）で与えられる。
また、前記図７（ｂ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、臨界状態と非臨界状態の両方の流れ状態となる気体の流量制御に主として用いられるものであり、オリフィス８を流れる気体の流量は、Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として与えられる。
【０００８】
前記図７（ａ）及び図７（ｂ）の圧力式流量制御装置においては、流量の設定値は、流量設定信号Ｑｅとして電圧値で与えられる。例えば、上流側圧力Ｐ1の圧力制御範囲０〜３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）を電圧範囲０〜５Ｖで表示したとすると、Ｑｅ＝５Ｖ（フルスケール値）は、３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）の圧力Ｐ1における流量Ｑｃ＝ＫＰ1に相当することとなる。
例えば、いま流量変換回路１５の変換率ｋが１に設定されているとき、流量設定信号Ｑｅ＝５Ｖが入力されると、切換演算流量信号Ｑｆ（Ｑｆ＝ｋＱｃ）は５Ｖとなり、上流側圧力Ｐ1が３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）になるまでコントロール弁２が開閉操作されることになり、Ｐ1＝３（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に対応する流量Ｑｃ＝ＫＰ1の気体がオリフィス８を流通することになる。
【０００９】
また、制御すべき圧力範囲を０〜２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に切換え、この圧力範囲を０〜５（Ｖ）の流量設定信号Ｑｅで表示する場合（即ち、フルスケール値５Ｖが２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）を与える場合）には、前記流量変換率ｋが２／３に設定される。
【００１０】
その結果、流量設定信号Ｑｅ＝５（Ｖ）が入力されたとすると、Ｑｆ＝ｋＱｃから、切換演算流量信号ＱｆはＱｆ＝５×２／３（Ｖ）となり、上流側圧力Ｐ1が３×２／３＝２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）になるまで、コントロール弁２が開閉操作される。
即ち、Ｑｅ＝５Ｖが、Ｐ1＝２（ｋｇｆ／ｃｍ2 ａｂｓ）に相当する流量Ｑｃ＝ＫＰ1を表すようにフルスケールの流量が変換される。
また、臨界状態下においては、オリフィス８を流通する気体流量Ｑｃは、前述のとおりＱｃ＝ＫＰ1なる式で与えられるが、流量制御すべきガス種が変れば、同一オリフィス８を使用している場合には、前記比例定数Ｋが変化する。
尚、前記図５（ｂ）の圧力式流量制御装置においても同様であり、オリフィス８を流通する気体の流量Ｑｃは、Ｑｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として与えられ、ガス種が変われば前記比例定数Ｋが変化する。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−３３８５４６号公報
【特許文献２】特開２０００−６６７３２号公報
【特許文献３】特開２０００−３２２１３０号公報
【特許文献４】特開２００３−１９５９４８号公報
【特許文献５】特開２００４−１９９１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、圧力式流量制御装置、特に臨界条件下で流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1として演算制御する方式図５（ａ）に示した装置にあっては、オリフィス二次側圧力Ｐ2（即ち、ガス供給先であるチャンバ装置等）が上昇するにつれて、流量制御範囲が漸次狭くなる。何故ならオリフィス一次側圧力Ｐ1は流量設定値に従って一定圧力値に制御されているため、Ｐ2／Ｐ1が臨界膨張条件を満たしている状態の下でオリフィス二次側圧力Ｐ2が上昇すると、必然的にオリフィス一次側圧力Ｐ1の調整範囲、即ちＰ1による流量Ｑｃの制御範囲が狭くなるからである。
また、流体の流通状態が前記臨界条件を外れると、流量制御精度が大幅に低下することになり、結果として半導体製品の品質にばらつきを生ずることになる。
【００１３】
換言すれば、臨界条件下で流体の流量制御を行う型式の圧力式流量制御装置には、オリフィス二次側の圧力の上昇によって流量制御の可能な範囲が、従前の熱式質量流量制御装置や所謂差圧式流量制御装置に比較して大幅に狭まることになる。
その結果、流量制御範囲の異なる二つの圧力式流量制御装置を必要とすることになり、半導体製造装置等の製造コストの上昇を招くことになる。
【００１４】
本願発明は、従前の流体流量制御装置における上述の如き問題、即ちイ．広い流量制御範囲を必要とする場合には、所定の制御精度を確保するために流量範囲の異なる複数の流量制御装置を並列状に設け、これ等を切換え使用する必要があり、流量制御装置の費用の削減が困難なこと、ロ．臨界条件下における流量制御を基本とする圧力式流量制御装置にあっては、オリフィス２次側の圧力上昇と共に流量制御範囲が漸減し、これに対処するためには流量範囲の異なる複数の流量制御装置を必要とすること、等の問題を解決せんとするものであり、流量制御装置内部の流体通路を適宜に切換制御することにより、一基の流量制御装置の使用でもって広い流量制御範囲に亘って高精度な流体の流量制御を行えるようにした、流量レンジ可変型流量制御装置を提供することを発明の主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、流量制御装置の流量検出部への流体通路として少なくとも小流量用と大流量用の流体通路を設け、前記小流量用流体通路を通して小流量域の流体を流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを小流量域の検出に適した検出レベルに切換えし、また、前記大流量用流体通路を通して大流量域の流体を前記流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを大流量域の流量の検出に適した検出レベルに切換えすることにより、大流量域と小流量域の流体を夫々切り換えて流量制御をすることを発明の基本構成とするものである。
【００１６】
請求項２の発明は、オリフィス上流側圧力Ｐ1および又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝Ｋ
Ｐ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路を少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を流通させる構成としたこと発明の基本構成とするものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、並列状の流体通路の数を２個に、またオリフィスを大流量用オリフィスと小流量用オリフィスの２個とすると共に、大流量用オリフィスの流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成としたものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、オリフィスを大流量用オリフィスと中流量用オリフィスと小流量用オリフィスの三種類とすると共に、一方の流体通路にＮｏ１切換用バルブとＮｏ２切換バルブと大流量オリフィスを直列状に介在させ、また他方の流体通路に小流量オリフィスと中流量オリフィスを介在させ、更に、前記両切換バルブ間を連通する通路と、小流量オリフィスと中流量オリフィス間を連通する通路とを連通させる構成としたものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、圧力式流量制御装置オリフィスを流通する流体を臨界条件下の流体とするようにしたものである。
【００２０】
請求項６の発明は、流量制御バルブと層流素子デバイス部と流量センサ部等から構成されており、流量センサ部で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブを開閉制御することにより一定の設定流量の流体を流出するようにした熱式質量流量制御装置において、流量制御バルブまでの流体通路を少なくとも二つ以上の並列の流体通路とするとともに、前記各並列状の流体通路へ粗さの異なる層流素子及び流量センサを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方の層流素子へ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方の層流素子へ前記大流量域の流体を流通させることを発明の基本構成とするものである。
【００２１】
請求項7の発明は、請求項６の発明において、並列状の流体通路の数を２個にし、また層流素子を大流量用の粗い層流素子と小流量用の細かい層流素子の２個とすると共に、夫々の流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成としたものである。
【発明の効果】
【００２２】
大流量用オリフィス８ｃと小流量用オリフィス８ａ（又は大流量用オリフィス８ｃと中流量用オリフィス８ｂと小流量用オリフィス８ａ）による流量制御を適宜に組み合わせすることにより流量制御を行う構成としているため、広範囲の流量域に亘って誤差が１％セットポイント以下の高精度な流量制御が行える。
また、切換弁の操作により自動的に流量制御域を切換選択することができ、操作の複雑化を招くこともない。
更に、臨界条件下における流体流量制御を基本とした場合には、フローファクタＦ．Ｆを活用することによってガス種の変更にも容易に対応することができ、各種の流体供給設備の流量制御に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の各実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成図を示すものであり、図１に於いて１は制御部、２はコントロール弁、３はオリフィス上流側（一次側）管路、４は弁駆動部、５は流体供給用管路、６は圧力センサ、８ａは小流量用オリフィス、８ｂは中流量用オリフィス、８ｃは大流量用オリフィス、３２、３３は切換用電磁弁、３４、３５は切換弁である。
【００２４】
前記圧力式流量制御装置ＦＣＳの制御部１、コントロール弁２、弁駆動部４、圧力センサ６等は公知のものであり、制御部１には流量の入出力信号（設定流量の入力信号、制御流量の出力信号・ＤＣ０−５Ｖ）端子Ｑｅ、Ｑｏ、電源供給端子（±ＤＣ１５Ｖ）Ｅ、制御流量切換指令信号の入力端子ＳL、ＳM、ＳSが設けられている。
【００２５】
また、前記切換用電磁弁３２、３３は公知のエアー作動型電磁弁であり、制御部１から切換信号Ｃ1、Ｃ2が入力されることにより、駆動用ガス（０．４〜０．７ＭＰａ）Ｇｃが供給され、切換用電磁弁３２、３３が作動する。これによって駆動用ガスＧｃが切換弁の弁駆動部３４ａ、３５ａへ供給され、切換弁３４、３５が開閉作動される。
【００２６】
更に、各切換弁３４、３５の作動は、各弁駆動部３４ａ、３５ａに設けた近接スイッチ３４ｂ、３５ｂにより検出され、制御部１へ入力される。
尚、本実施形態においては、切換弁３４、３５として空気圧作動の常時閉鎖型バルブが使用されている。
【００２７】
図１の管路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆは各オリフィス８ａ、８ｂ、８ｃのバイパス通路を形成するものであり、制御流量が小流量域の場合には、小流量用オリフィス８ａにより流量制御された流体が，主として管路５ｂ、５ｄ、５ｃ，５ｅを通して流通する。
また、制御流量が中流量域の場合には、管路５ａ、５ｂ、５ｄを通して流体が中流量オリフィス８ｂへ流入し、主として中流量用オリフィス８ｂにより流量制御された流体が流体供給用管路５内へ流出して行く。
更に、制御流量が大流量域の場合には、流体は管路５ａを通して大流量用オリフィス８ｃへ流入し、大流量用オリフィス８ｃにより主に流量制御された流体が、流体供給用管路５内へ流入する。
【００２８】
より具体的には、例えば最大制御流量が２０００ＳＣＣＭの場合、小流量用オリフィス８ａとして最大流量２０ＳＣＣＭのオリフィスが、中流量用オリフィス８ｂとして最大２００ＳＣＣＭのオリフィスが、最大流量用オリフィス８ｃとして最大流量１７８０ＳＣＣＭのオリフィスが夫々利用される。
【００２９】
即ち、２０ＳＣＣＭ以下の小流量流体の流量制御を行う場合には、制御部１へ切換信号Ｓｓを入力し、Ｎｏ２切換用電磁弁３３を開放して駆動用ガスＧｃをＮｏ２切換弁３５へ送り、当該Ｎｏ２切換弁３５を開放する（Ｎｏ１切換弁３４は閉鎖状態に保持）。
【００３０】
その結果、流体は管路３・小流量オリフィス８ａ・管路５ｂ・バルブ３５・大流量オリフィス８ｃ・管路５ｃ及び管路５ｄ・中流路オリフィス８ｂ・管路５ｆを通して、管路５へ流通し、小流量オリフィス８ａにより流量ＱLがＱ＝ＫLＰ1（ＫLは小流量オリフィス８ａに固有の定数）として流量制御される。
尚、その流量特性は図２の特性Ａの如くになり、２０〜２ＳＣＣＭの流量範囲に亘って誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御を行うことが出来る。
【００３１】
また、制御流量が２００ＳＣＣＭ（中流量程度）の場合には、Ｎｏ１切換弁３４を開及びＮｏ２切換弁３５を閉の状態に切換え、流体を管路３・管路５ａ・バルブ３４・管路５ｂ及び管路３・小流量オリフィス８ａを通して中流量オリフィス８ｂへ流通させ、当該中流量オリフィス８ｂにより流量ＱMがＱM＝ＫMＰ1（但し、ＫMは中流量オリフィス８ｂに固有の定数）として流量制御される。
尚、この場合の流量制御特性は図２の特性Ｂの如き状態となり、２００〜２０ＳＣＣＭの流量範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御が行われる。
【００３２】
更に、制御流量が２０００ＳＣＣＭ（最大流量）の場合には、両切換用電磁弁３２、３３を介して両切換バルブ３４、３５を開放させ、流路３・流路５ａ・バルブ３４・バルブ３５・大流量オリフィス８ｃ・管路５ｃ及び小流量オリフィス８ａ・中流量オリフィス８ｂ・管路５ｆを通して管路５へ流体を供給する。
【００３３】
この場合、流体の流量は主として大流量オリフィス８ｃにより流量ＱM＝ＫMＰ1（但し、ＫMは大流量オリフィス８ｃに固有の定数）として流量制御されるが、厳密には中流量オリフィス８ｂを通る流量ＱM＝ＫMＰ1と大流量オリフィス８ｃを通る流量ＱL＝ＫLＰ1の和として、管路５の流量が制御されることになる。
尚、この場合の流量制御特性は図２の特性Ｃのようになり、２０００〜２００ＳＣＣＭの流量範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度で流量ＱLの制御が行える。
【００３４】
図３は、本発明の第２実施形態を示すものであり、小流量用オリフィス８ａと大流量用オリフィス８ｃと用い、流量制御を適宜に切換えつつ行うようにしたものである。
例えば、最大流量２０００ＳＣＣＭの流量制御を行う場合、小流量用オリフィス８ａにより２００ＳＣＣＭまでの流量を、また大流量用オリフィス８ｃにより２０００ＳＣＣＭまでの流量を夫々流量制御する構成とする。
【００３５】
具体的には、２００ＳＣＣＭまでの流量を制御する場合には、切換弁３４を閉の状態に保持し、小流量オリフィス８ａを流通する流体流量ＱSをＱS＝ＫSＰ1（但し、ＫSはオリフィス８ａに固有の定数）として流量制御する。
当該小流量オリフィス８ａを用いた流量制御により流量２００ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭの範囲に亘って、誤差±１％セットポイント以下の精度でもって流量制御を行うことができる。
尚、図４の特性Ｄは、この時の流量制御特性を示すものであり、オリフィス下流側管路５が１００Ｔｏｒｒ以下の場合には、流量２０ＳＣＣＭにおいて、誤差±１％セットポイント以下に押え得ることが確認されている。
【００３６】
前記図３の流量制御方式においては、オリフィス下流側圧力が１００Ｔｏｒｒを越える場合や、オリフィス下流側圧力が１００Ｔｏｒｒ以下であっても流体流量Ｑｓが２０ＳＣＣＭ以下となった場合には、流量制御誤差を±１％セットポイント以下に保持することが困難である。
従って、この場合には、図４に示すように、流量２０ＳＣＣＭ以下の領域を所謂パルス制御により流量制御を行なっても良い。
【００３７】
尚、ここで云うパルス制御とは、オリフィス上流側のコントロール弁２の開閉をパルス信号によって行い、流体をパルス状に管路３内へ流通させるようにした制御方式であり、開閉パルスの数を調整することにより、小流量オリフィス８ａを流通する流体流量を比較的高精度でもって制御するものである。
【００３８】
一方、流量２０００ＳＣＣＭ以下の流体を制御する場合には、切換用電磁弁３２を介して切換バルブ３４を開放する。これにより、流体は管路５ａ・切換弁３４・大流量オリフィス８ｃ及び小流量オリフィス８ａ・管路５ｇを通して管路５へ流入する。
即ち、管路５へ流入する流体流量は、大流量オリフィス８ｃによる制御流量ＱC＝ＫCＰ1（但し、Ｋｃは大流量オリフィス８ｃに固有の定数）と小流量オリフィス８ａによる制御流量ＱS＝ＫSＰ1（但しＫSは小流量オリフィス８ａに固有の定数）との和となり、その流量特性曲線は図４の特性Ｅで示されたものとなる。
【００３９】
上述したように、本願の実施形態１及び実施形態２においては、大流量オリフィス８ｃと小流量オリフィス８ａ（又は大流量オリフィス８ｃと中流量オリフィス８ｂと小流量オリフィス８ａ）による流量制御を適宜に組み合わせすることにより、例えば２０００〜２ＳＣＣＭの広範囲の流量制御域に亘って、誤差±１％セットポイント以下の高精度な流量制御が可能となる。
【００４０】
また、小流量用オリフィス８ａによる流量制御の状態下でガス流量を変更するような場合には、迅速な切換え操作が要求される。このような場合、本発明においてはオリフィス８ａの流路と並列にバイパス流路（５ａ、３４、８ｃ、５ｃ）を設け、当該バイパス流路を開放することにより、オリフィス２次側管路の圧力降下時間の短縮を容易に図ることができる。
【００４１】
更に、本発明においては、流体の流量制御を臨界条件下において行う構成としているため、ガス種が変っても所謂フローファクタＦ．Ｆを利用して演算流量Ｑを実ガスの流量に変換することができ、圧力式流量制御装置の優れた特性をフルに活用することが可能となる。
【００４２】
図５は、本発明で使用をする圧力式流量制御装置の流体の臨界条件を外れた状態における流量制御精度を、オリフィス２次側圧力Ｐ2をパラメータとして示したものであり、例えばＰ2＝１００Ｔｏｒｒの場合には、曲線Ｆで示すように、制御流量が定格設定流量の
約５％の点で、誤差が−１％Ｆ．Ｓを越えることになる。
【００４３】
その結果、例えば図４の特性Ｄ（小流量オリフィス８ａによる２００〜２０ＳＣＣＭ）に示すように、２００〜２０ＳＣＣＭの間は、誤差±１％セットポイント以下の精度で確実に流量制御を行えるが、制御流量が２０ＳＣＣＭ以下になると、オリフィス２次側圧力Ｐ2が１００Ｔｏｒｒの場合には臨界条件を外れた状態となるため、設定流量の約５％の流量（２００ＳＣＣＭ×５％＝１０ＳＣＣＭ）の点まで誤差を確実に１％Ｆ．Ｓ以下に押えることは、事実上困難である。
【００４４】
その結果、図４に示すように、設定流量の１０％〜５％の小流量域（２０ＳＣＣＭ〜１０ＳＣＣＭ）では、パルス制御方式を採用してもよい（勿論、パルス制御方式を採用しなくても、誤差0．1％（大流量オリフィスのフルスケールを基準とした場合）Ｆ．Ｓ以下に保持可能である）。
【００４５】
図６は、本発明の第３実施形態を示すものであり、流量制御装置に所謂熱式質量流量制御装置ＭＦＣを使用したものである。
当該熱式質量流量制御装置ＭＦＣは、図６に示す如く制御部３６と、流量制御バルブ３７と、層流素子バイパス部３８と、流量センサ部３９と、切替バルブ４０等から構成されており、流量センサ部３９で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブ３７を開閉制御することにより、一定の設定流量の流体を流出せしめるものである。
尚、熱式質量流量制御装置ＭＦＣそのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
又、図６において、３６ａはブリッジ回路、３６ｂは増幅回路、３６ｃは補正回路、３６ｄは比較回路、３６ｅはバルブ駆動回路、３６ｆはアクチュエータである。
【００４６】
本発明においては、層流素子バイパス部３８のバイパス通路として２個の通路４０ａ、４０ｂが別に設けられており、且つ各通路に切換バルブ４１、４２が夫々設けられている。
即ち、バイパス流路の一方の流体通路４０ａには粗い層流素子３８ａが設けられており、中流量流体の流量制御に適用される。また、他方の流体通路４０ｂにはより粗い層流素子３８ｂが設けられており、大流量流体の流量制御に適用される。
【００４７】
具体的には、大流量の流量制御時には、切替バルブ４１及び切替バルブ４２を開にする。
また、小流量の流量制御時には切換バルブ４２及び切替バルブ４１を閉にすると共に、制御部３６の増幅回路３６ｂの増幅レベルを小流量の検出に適したレベルに切換えする。
更に、中流量の流量制御時には、切換バルブ４１を閉、切換バルブ４２を開にすると共に、前記増幅回路３６ｂの増幅レベル等を中流量の検出に適したレベルに切換える。
【００４８】
上記各切換バルブ４１、４２の切換及び制御部３６の増幅レベル等の切換えにより、１基の熱式質量流量制御装置ＭＦＣを用いて大、中及び小の三種の流量範囲に亘って高精度な流量制御を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、半導体製造や化学産業、薬品産業、食品産業等における各種流体の流体供給設備に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図２】図１の流量制御装置の流量特性を示す線図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図４】図３の流量制御装置の流量特性を示す線図である。
【図５】圧力式流量制御装置ＦＣＳの臨界条件範囲外における流量制御特性の一例を示すものである。
【図６】本発明の第３実施形態に係る流量レンジ可変型流量制御装置の構成説明図である。
【図７】従前の圧力式流量制御装置の基本構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
ＦＣＳは圧力式流量制御装置
ＭＦＣは熱式質量流量制御装置
１は制御部
２はコントロール弁
３はオリフィス一次側管路
４は駆動部
５は流体供給用管路
６は圧力センサ
８ａは小流量用オリフィス
８ｂは中流量用オリフィス
８ｃは大流量用オリフィス
３２はＮｏ１切換用電磁弁
３３はＮｏ２切換用電磁弁
３４はＮｏ１切換弁
３４ａは弁駆動部
３４ｂは近接センサ
３５はＮｏ２切換弁
３５ａは弁駆動部
３５ｂは近接センサ
３６は制御部
３６ａはブリッジ回路
３７は流量制御バルブ
３８．３８ａ．３８ｂは層流素子バイパス
３９は流量センサ部
４０ａ・４０ｂは流体通路
４１．４２は切換バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量制御装置の流量検出部への流体通路として少なくとも小流量用と大流量用の流体通路を設け、前記小流量用流体通路を通して小流量域の流体を流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを小流量域の検出に適した検出レベルに切換えし、また、前記大流量用流体通路を通して大流量域の流体を前記流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを大流量域の流量の検出に適した検出レベルに切換えすることにより、大流量域と小流量域の流体を夫々切り換えて流量制御する構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型流量制御装置。
【請求項２】
オリフィス上流側圧力Ｐ1及び又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路を少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には少なくとも他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を流通させる構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項３】
並列状の流体通路の数を２個に、またオリフィスを大流量用オリフィスと小流量用オリフィスの２個とすると共に、大流量用オリフィスの流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成とした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項４】
オリフィスを大流量用オリフィスと中流量用オリフィスと小流量用オリフィスの三種類とすると共に、一方の流体通路にＮｏ１切換用バルブとＮｏ２切換バルブと大流量オリフィスを直列状に介在させ、また他方の流体通路に小流量オリフィスと中流量オリフィスを介在させ、更に、前記両切換バルブ間を連通する通路と、小流量オリフィスと中流量オリフィス間を連通する通路とを連通させる構成とした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項５】
圧力式流量制御装置オリフィスを流通する流体を臨界条件下の流体とするようにした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項６】
流量制御バルブと層流素子デバイス部と流量センサ部等から構成されており、流量センサ部で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブを開閉制御することにより一定の設定流量の流体を流出するようにした熱式質量流量制御装置において、流量制御バルブまでの流体通路を少なくとも二つ以上の並列の流体通路とするとともに、前記各並列状の流体通路へ粗さの異なる層流素子を夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方の層流素子へ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方の層流素子へ前記大流量域の流体を流通させる構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型流量制御装置。
【請求項７】
並列状の流体通路の数を２個にし、また層流素子を大流量用の粗い層流素子と小流量用の細かい層流素子の２個とすると共に、夫々の流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成とした請求項６に記載の流量レンジ可変型流量制御装置。
【請求項１】
流量制御装置の流量検出部への流体通路として少なくとも小流量用と大流量用の流体通路を設け、前記小流量用流体通路を通して小流量域の流体を流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを小流量域の検出に適した検出レベルに切換えし、また、前記大流量用流体通路を通して大流量域の流体を前記流量検出部へ流通させると共に、流量制御部の検出レベルを大流量域の流量の検出に適した検出レベルに切換えすることにより、大流量域と小流量域の流体を夫々切り換えて流量制御する構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型流量制御装置。
【請求項２】
オリフィス上流側圧力Ｐ1及び又はオリフィス下流側圧力Ｐ2を用いて、オリフィス８を流通する流体の流量をＱｃ＝ＫＰ1（Ｋは比例定数）又はＱｃ＝ＫＰ2m（Ｐ1−Ｐ2）n（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置において、当該圧力式流量制御装置のコントロール弁の下流側と流体供給用管路との間の流体通路を少なくとも二つ以上の並列状の流体通路とすると共に、前記各並列状の流体通路へ流体流量特性の異なるオリフィスを夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方のオリフィスへ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には少なくとも他方のオリフィスへ前記大流量域の流体を流通させる構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項３】
並列状の流体通路の数を２個に、またオリフィスを大流量用オリフィスと小流量用オリフィスの２個とすると共に、大流量用オリフィスの流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成とした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項４】
オリフィスを大流量用オリフィスと中流量用オリフィスと小流量用オリフィスの三種類とすると共に、一方の流体通路にＮｏ１切換用バルブとＮｏ２切換バルブと大流量オリフィスを直列状に介在させ、また他方の流体通路に小流量オリフィスと中流量オリフィスを介在させ、更に、前記両切換バルブ間を連通する通路と、小流量オリフィスと中流量オリフィス間を連通する通路とを連通させる構成とした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項５】
圧力式流量制御装置オリフィスを流通する流体を臨界条件下の流体とするようにした請求項２に記載の流量レンジ可変型圧力式流量制御装置。
【請求項６】
流量制御バルブと層流素子デバイス部と流量センサ部等から構成されており、流量センサ部で流体の質量流量に比例した温度変化を検出し、当該検出温度に基づいて流量制御バルブを開閉制御することにより一定の設定流量の流体を流出するようにした熱式質量流量制御装置において、流量制御バルブまでの流体通路を少なくとも二つ以上の並列の流体通路とするとともに、前記各並列状の流体通路へ粗さの異なる層流素子を夫々介在させ、小流量域の流体の流量制御には一方の層流素子へ前記小流量域の流体を流通させ、また大流量域の流体の流量制御には他方の層流素子へ前記大流量域の流体を流通させる構成としたことを特徴とする流量レンジ可変型流量制御装置。
【請求項７】
並列状の流体通路の数を２個にし、また層流素子を大流量用の粗い層流素子と小流量用の細かい層流素子の２個とすると共に、夫々の流体通路に設けた切換バルブの作動により、流体流量の制御範囲を小流量域と大流量域に切換える構成とした請求項６に記載の流量レンジ可変型流量制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−４６４４（Ｐ２００７−４６４４Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８５８４５（Ｐ２００５−１８５８４５）
【出願日】平成１７年６月２７日（２００５．６．２７）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２７日（２００５．６．２７）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
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