質量流量コントローラのヒステリシス補償システムおよびその方法
デバイスの出力に応じてヒステリシスを特徴付ける方法が、第１の入力信号範囲にわたる入力信号をデバイスに適用すること（ステップ）を含み、その入力信号は、第１の入力信号範囲に依拠する第１の出力値範囲を伴う第１の出力を有するデバイスの機能を誘発する。その入力信号を第２の入力信号範囲にわたってそのデバイスにさらに適用し、その入力信号は、（ｉ）第２の入力信号範囲および（ｉｉ）デバイスのヒステリシスに依拠する第２の出力値範囲を伴う第２の出力を有するようにデバイスの機能を誘発する。次いで、第１の出力値範囲および第２の出力値範囲にわたり、第２の入力信号範囲と第１の入力信号範囲との差を測定する。質量流量コントローラバルブおよび質量流量コントローラを動作させる方法も意図されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にヒステリシスを示すデバイスに関する。限定する目的ではないが、本発明はとりわけ、質量流量コントローラバルブのヒステリシスの特徴付けならびに補償方法およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの質量流量コントローラ（ＭＦＣ）は、流量センサを使用して、自らに流れるガスの流量を制御する。ある種類の流量センサはコントローラに流れるガスの実流量を測定し、（流量センサによって測定される）その実流量と、（ユーザが設定する）所望の流量との差に基づいてＭＦＣバルブに制御信号が送られる。ＭＦＣバルブは、その制御信号を受け取り、流量を増やしまたは減らして実流量が所望の流量により厳密に等しくなるようにバルブを調節することができる。
【０００３】
時として、急激に変化する流動状態を理由に、バルブに与える制御信号を迅速に変える必要がある。例えば、ガス圧力が急激に変化している期間中にバルブの変位量（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を素早く調節し、またはＭＦＣに流れるガスの流量を素早く変える必要があるときにバルブの変位量を調節する必要があり得る。バルブの変位量を素早く変えることが必要とされる期間中、流量を正確に調節するために必要なデータを流量センサが提供できないことがある。
【０００４】
流動状態が急激に変化する期間中にバルブをより正確に調節するために、ＭＦＣフィードフォワードモード（feed-forward-mode）を実装することができる。フィードフォワードモード中、ＭＦＣの圧力センサからバルブに信号を発することができる。そのバルブは、ガスの流量を調節するために、その圧力センサの信号またはその信号の修正版を利用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図面に示す、本発明の例示的実施形態を以下に概説する。発明を実施するための形態の節の中で、これらのおよび他の実施形態についてより完全に記載する。ただし本発明を、この発明の概要、または発明を実施するための形態に記載する形式に限定する意図はないことを理解すべきである。特許請求の範囲に示す本発明の趣旨および範囲に含まれる多数の修正形態、等価物、および代替的構造があることを当業者なら理解することができる。
【０００６】
本発明の一実施形態は、これだけに限定されないが質量流量コントローラバルブなどのデバイスにおけるヒステリシスを、デバイスの出力に応じて特徴付ける方法を含む。デバイスにおけるヒステリシスを特徴付ける１つの方法は、第１の入力信号範囲にわたる入力信号をそのデバイスに適用すること（ステップ）を含む。その入力信号はデバイスの機能を誘発し、そのデバイスの機能は、第１の入力信号範囲に依拠する第１の出力値範囲を伴う第１の出力を有する。この方法は、その後、その入力信号を第２の入力信号範囲にわたってそのデバイスに適用すること（ステップ）を含む。その入力信号はそのデバイスの機能を誘発し、そのデバイスの機能は、第２の出力値範囲を伴う第２の出力を有する。その第２の出力値範囲は、第２の入力信号範囲およびデバイスのヒステリシスに依拠する。最後に、第１の出力値範囲および第２の出力値範囲にわたり、第２の入力信号範囲と第１の入力信号範囲との差を測定する。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、質量流量コントローラバルブを動作させる方法を含む。質量流量コントローラバルブを動作させる１つの方法は、複数の電圧をバルブに逐次的に印加すること（ステップ）を含む。バルブに印加される複数の電圧は、質量流量コントローラにより１つまたは複数の所望の質量流量を得るためにバルブを調節するようになされる。その複数の電圧のうちの少なくとも１つは調節済み電圧（ａｄｊｕｓｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）を含む。その調節済み電圧は、指定される上り傾斜電圧と、所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態は、質量流量コントローラを含む。質量流量コントローラの一実施形態は、ガスの流動経路と、ヒステリシス制御バルブと、制御モジュールとを備える。その制御バルブは、ガスの流動経路に流れるガスの流量を制御するようになされる。一実施形態における制御モジュールは、最終制御信号（ｆｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ）を制御バルブに発するようになされる。制御バルブは、ガスが所望の質量流量でガスの流動経路に流れることができるように、バルブを調節する際に、その信号を利用するようになされる。さらに、バルブに送られる最終制御信号は、バルブが示す任意のヒステリシス効果を補償するようになされてよい。
【０００９】
本明細書に、これらのおよび他の実施形態についてさらに詳細に記載する。
【００１０】
添付図面と併せて解釈するとき、以下の発明を実施するための形態および添付の特許請求の範囲を参照することにより、本発明の様々な目的および利点ならびにより完全な理解が明らかになり、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラの一部分の機能ブロック図である。
【図２Ａ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲に対応する制御バルブの変位範囲の一例を示すグラフである。
【図２Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、制御バルブの変位量に対応するガス流量の一例を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲に対応する制御バルブの変位量を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲に対応するガス流量を示すグラフである。
【図４】本発明の説明のための実施形態による、上り傾斜電圧の変化に応じたヒステリシス調節電圧を示すグラフである。
【図５】本発明の説明のための実施形態による、電圧に応じた流量を示すグラフである。
【図６】本発明の説明のための実施形態による、ヒステリシスを補償しながら質量流量コントローラを動作させる方法の応用例を示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の説明のための実施形態による、ヒステリシスを特徴付ける方法を含む流れ図である。
【図７Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラを動作させる方法を含む流れ図である。
【図８】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラバルブに印加される一連の電圧を含むグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、適切な場合はいくつかの図の全体を通して同じまたは同様の要素を同一の参照番号を使って指示する図面を参照し、具体的には図１を参照すると、示されているのは、本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１００の一部分の機能ブロック図である。図１に示す質量流量コントローラ１００の一部分は、主流動経路１０２と、制御バルブ１０４と、制御モジュール１０６と、メモリデバイス１０３とを備える。
【００１３】
これらのコンポーネントの図示の構成は論理上のものであり、実際のハードウェア図であることを意図するものではない。したがって実際の実装形態では、これらのコンポーネントを組み合わせ、またはさらに分けることができる。例えば一実施形態では、メモリデバイス１０３を制御モジュール１０６に含めることができる。さらに、本明細書に照らして、個々のコンポーネントの構造は当業者によく知られており、本明細書でさらに論じるようにハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはその組合せを含むことができる。
【００１４】
制御バルブ１０４は、本出願の全体を通してデバイスと呼ぶことができる。さらに、制御バルブ１０４は、主流動経路１０２に流れるガスの流量を調節するようになされる。制御バルブ１０４の一実施形態は、圧電アクチュエータである。一実施形態における制御モジュール１０６は、制御バルブ１０４に最終制御信号１０８を与えるようになされる。最終制御信号１０８は、制御バルブ１０４が受け取る前に、デジタル信号プロセッサ（不図示）または他の信号修正機によって修正されてもよいことを理解すべきである。一部の実施形態では、制御モジュール１０６が、そのデジタル信号プロセッサまたは他の信号修正機を含むことができる。一実施形態における制御バルブ１０４は、バルブ１０４を調節し、主流動経路１０２を通るガス流量を調整するために最終制御信号１０８を利用するようになされる。
【００１５】
制御モジュール１０６以外の機構により、最終制御信号１０８を生成することができると考えられる。例えば、最終制御信号１０８は、知られている信号レベルを提供するようになされる信号発生器（不図示）によって生成することができる。信号発生器は、質量流量コントローラバルブ１０４が示すヒステリシスを適切に特徴付けるために使用することができる。信号発生器を含む一実施形態では、または他の諸実施形態では、最終制御信号１０８を入力信号と呼ぶことができる。ある最終制御信号１０８は、電圧からなることができる。ただし、これだけに限定されないが、電流などの他の信号も最終制御信号１０８を構成することができる。
【００１６】
一実施形態では、および図２Ａに示すように、制御バルブ１０４に適用されるある入力信号は、第１の入力信号範囲２１１にわたって印加される制御信号電圧とすることができる。一実施形態の第１の入力信号範囲２１１は、連続的に上昇する制御信号電圧を含むことができる。第１の入力信号範囲２１１は、約０ボルトの第１の入力信号範囲の開始電圧２１７、および約６８ボルトの第１の入力信号範囲の終止電圧を伴う、６８ボルトの範囲からなることができる。第１の入力信号範囲の終止電圧は、第１の転換点（ｔｕｒｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）２１６と呼ぶこともできる。
【００１７】
ある第１の入力信号範囲２１１は、電圧レベルにおける一連の段階的上昇をなして適用することができる。例えば、電圧を１ボルトの増加量単位で０ボルトから６８ボルトまで印加することができる。知られている最大電圧のパーセンテージとして、段階的上昇をなして電圧を上げることも考えられ、その最大電圧は、ＭＦＣを通るガスの最大流量に対応する。例えば、電圧を１％または２％刻みで上昇させることができるが、より大きいまたはより小さい増加量も考えられる。さらに、開始電圧２１７および第１の転換点２１６が異なるものとして、より大きいまたはより小さい第１の入力信号範囲２１１も考えられる。ある方法では、第１の転換点２１６は、主流動経路１０２を通る最大ガス流量未満のガス流量をもたらすようになされる電圧からなる。
【００１８】
これだけに限定されないが、制御信号電圧などの入力信号を制御バルブ１０４に適用することは、制御バルブ１０４に機能を実行させることができる。例えば、図２Ａに示すように、この入力信号は、制御バルブの変位量の変化を引き起こすことなどのデバイスの機能を誘発することができる。当技術分野で知られている他の機能も考えられる。図２Ａにさらに示すように、制御バルブの変位量は、制御信号電圧に実質的に比例することができる。
【００１９】
一実施形態におけるバルブの変位量は、図２Ｂに示す第１の出力値範囲２０９を有する第１の出力と相関関係があってよい。例えば、バルブの変位量を増加させることは、ガスが流れる主流動経路１０２における流れ面積を広げることととしてよい。したがって、この広げられた流れ面積は、ガス流量を増やすことを可能にする。少なくとも１つの実施形態では、ガス流量は出力値を含むことができる。図２Ｂに示すのは、一実施形態における、増加する制御バルブの変位量とガス流量との間の関係である。一実施形態では、流量センサ（不図示）を使用することにより、制御バルブのそれぞれの変位量ごとにガス流量を測定する。図示するように、ある流量センサは、リットル毎分（ｌｐｍ）単位でガス流量を測定することができるが、ガス流量の他の単位も考えられる。
【００２０】
図２Ｂに見られるように、一実施形態のガス流量は、制御バルブの変位量がある変位閾値を下回る場合、ほぼ０ｌｐｍである。その閾値を上回ると、制御バルブの変位量が増加するにつれてガス流量も増加するが、ガスの流動力学特性を理由に線形には増加しない。したがって、図２Ａおよび図２Ｂに見られるように、第１の入力信号範囲２１１にわたる制御信号電圧を印加することは、ガス流量の第１の出力を誘発することができる。
【００２１】
図３Ａに示すように、転換点３１６に到達した時点で、第２の入力信号範囲３１３にわたり制御信号電圧を印加することができる。一実施形態では、この第２の入力信号範囲３１３は連続的に低下する電圧とすることができる。第１の入力信号範囲３１１のように、第２の入力信号範囲３１３は、制御バルブ１０４に機能（これだけに限定されないが、制御バルブの変位量を調節することなど）を実行させることができる。図３Ａに示すように、第２の入力信号範囲３１３にわたるバルブの変位量は、印加される電圧に概して比例することができる。しかし同じく図３Ａに示すように、制御信号電圧が上昇し、転換点３１６に到達し、その後低下した後、第２の入力信号範囲３１３にわたる制御バルブの変位量は、同様の電圧の第１の入力信号範囲３１１にわたるバルブの変位量よりも大きい。
【００２２】
一実施形態では、第２の入力信号範囲３１３は、転換点３１６からなる開始電圧を有することができ、その第２の入力信号範囲３１３は、第１の入力信号範囲の開始電圧３１７からなる終止電圧を有することができる。第１の入力信号範囲３１１と同様に、この第２の入力信号範囲３１３は制御バルブ１０４に印加される一連のステップ電圧を含むことができるが、第２の入力信号範囲３１３にわたるステップ電圧は減少的なステップ電圧からなることができる。一実施形態では、この減少的なステップ電圧は、増加的なステップ電圧に等しくてよい。そのため、増加的な電圧の範囲の間に１ボルトの刻みを適用した場合、減少的な電圧の範囲の間にも同様の刻みを適用することができる。
【００２３】
制御バルブの変位量が、第２の入力信号範囲３１３に沿ってガス流量に相関する場合、第２の出力値範囲３０７を有する、ガス流量の第２の出力がもたらされる。図３Ｂに示すように、ヒステリシスが原因で、あるガス流量の第２の出力値範囲３０７は、同様の電圧の、ガス流量の第１の出力値範囲３０９よりも大きい。第１のガス流量出力範囲および第２のガス流量出力範囲の全体３１４にわたり、入力値間の差３１２を測定することができる。この差３１２は、ヒステリシス調節電圧と呼ぶこともできる。
【００２４】
図４に示すように、入力信号範囲の差３１２は、第１の転換点３１６から閾値まで、制御信号電圧における絶対値の変化が増加するにつれて広がる。一実施形態では、第１の入力信号範囲３１１にわたって印加される一連のステップ電圧、印加される第１の入力信号範囲の電圧ごとの測定済みバルブ変位量、およびバルブの変位量ごとの対応する測定済みガス流量を、図１に示すメモリデバイス１０３に記憶する。さらに、第２の入力信号範囲３１３にわたって印加される一連の電圧、印加される第２の入力信号範囲の電圧ごとの測定済みバルブ変位量、およびバルブの変位量ごとの対応する測定済みガス流量も、メモリデバイス１０３に記憶する。
【００２５】
一実施形態では、ガス流量などの所望の出力値を得るために入力電圧間の差３１２を求めることは、線形補間によって求められる。例えば、図５に示すように一連の増加的電圧および減少的電圧を制御バルブ１０４に印加し、それぞれの電圧ごとのガス流量を測定する。表１に値の例を示す。
【００２６】
【表１】
上記の表を使用し、線形補間を実施して、上り傾斜の流量と実質的に等しい流量を得るために、第２の入力信号範囲５１３に沿って制御バルブ１０４に印加するための、おおよその下り傾斜電圧を求める。
【００２７】
【表２】
【００２８】
表２は、上り傾斜流量値ごとの、第１の入力信号範囲５１１と第２の入力信号範囲５１３との差５１２も示す。上記に示す上り傾斜電圧／下り傾斜電圧の差は、第１の電圧と呼ぶこともできる。同様に、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲は、上り傾斜電圧の範囲および下り傾斜電圧の範囲とそれぞれ呼ぶことができる。また、表２に示す、転換点の上り傾斜電圧からの隔たりは、上り傾斜電圧の変化と呼ぶこともできる。ここでもやはり、上記の値について、第１の転換点５１６からの電圧の変化に応じた差５１２についてのグラフ表示を図４に示す。このようにして、増加的電圧および減少的電圧に沿って同様の流量を得るために適用する差５１２により、ヒステリシスが特徴付けられる。
【００２９】
このようにしてヒステリシスを特徴付けることは、バルブ１０４に印加する電圧がヒステリシスを補償することができるように、質量流量コントローラを動作させる方法を可能にする。図６から図８に示すのは、質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる１つの方法である。質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる１つの方法は、複数の電圧をバルブ１０４に逐次的に印加すること（ステップ）を含む。例えば、図６に示すように、第１の転換点６１６、第２の転換点６２６、および現在の電圧６３６を連続してバルブ１０４に印加することができ、それぞれの電圧は、質量流量コントローラ１００により所望の質量流量を得るために、バルブ１０４を調節するようになされる。
【００３０】
バルブ１０４に印加される複数の電圧のうちの１つの少なくとも一部分は、調節された最終制御信号１０８としても知られる調節済み電圧を含む。調節済み電圧の一例を、第２の転換点６２６の電圧により図６に示す。例えば、６８Ｖにおける９ｌｐｍの流量に対応する第１の転換点６１６に到達した時点で、制御モジュール１０６が、６ｌｐｍの流量信号からなる、（図１に示す）要求される制御信号１８２を受け取る。第２の転換点６２６は、第２の転換点の上り傾斜電圧６３１（図１に示す上り傾斜制御信号１８４としても知られる）と、第２の転換点のヒステリシス調節電圧６３３（図１に示すヒステリシス調節信号としても知られる）との合計からなる調節済み電圧とすることができる。一実施形態では、上り傾斜電圧６３１は、所望の質量流量に対応する第１の入力信号範囲６１１に沿った電圧を含む。上り傾斜電圧６３１は上記の表１の線形補間によって得られ、その表１は、６ｌｐｍの所望の流量を得るために、第１の入力信号範囲６１１に沿って６１．５Ｖの電圧をバルブに印加しなければならないことを示す。線形補間以外の他の近似式も考えられる。
【００３１】
上り傾斜電圧６３１を得た時点で、前の転換点の上り傾斜電圧から、上り傾斜電圧６３１、６１．５Ｖを減算することにより、第２の転換点電圧変化６３５（第２の電圧差としても知られる）を得ることができる。図６では、前の転換点は第１の転換点６１６である。第１の転換点は印加される電圧の中に調節電圧を含まないので、第１の転換点の上り傾斜電圧は第１の転換点の電圧、すなわち６８Ｖに等しい。そのため、６８Ｖから６１．５Ｖを減算し、６．５Ｖの第２の転換点電圧変化６３５が得られる。６．５Ｖの電圧変化６３５を得た時点で、表２の線形補間（または他の近似式）を使用することにより、約４．７Ｖの第２の転換点の調節電圧６３３（ヒステリシス調節電圧としても知られる）が得られる。第２の転換点の電圧は第１の転換点の電圧よりも低いので、このヒステリシス調節電圧は−４．７Ｖの負電圧からなる。６１．５Ｖのフィードフォワード電圧と、約−４．７Ｖのヒステリシス調節電圧とを合計することは、５６．８Ｖの調節済み電圧を与える。したがって、約６ｌｐｍの所望の質量流量を得るために、６８Ｖの第１の転換点に到達した後、バルブに５６．８Ｖ印加すべきである。
【００３２】
現在の電圧６３６の値を求めるために、同様の方法を使用する。例えば、６ｌｐｍの質量流量を得るために５６．８Ｖの電圧を印加したすぐ後に、７．４ｌｐｍの質量流量が望まれる。第２の転換点の電圧６２６を得る際に先に示したように、現在の上り傾斜電圧６４８をまず得なければならない。表１の線形補間が、現在の上り傾斜電圧６４８について約６４．６Ｖの出力をもたらす。ここで、前の転換点の上り傾斜電圧から現在の上り傾斜電圧への電圧の差である現在の電圧の変化６５０は、６４．６Ｖ−６１．５Ｖであり、３．１Ｖに等しい。表２の線形補間を使用することは、３．１Ｖの現在の電圧の変化６５０が、約３．１Ｖの現在のヒステリシス調節電圧に対応することを示す。６４．６Ｖの上り傾斜電圧に、−４．７Ｖの第１の転換点のヒステリシス調節電圧および反対の３．１Ｖの現在のヒステリシス調節電圧を合計することは、−１．６Ｖの合計補償電圧、および６３Ｖの調節された現在の電圧６３６をもたらす。このようにして、先行する転換点ごとの各ヒステリシス調節電圧および要求される現在の電圧を考慮に入れることにより、将来の調節済み電圧が計算される。各転換点の電圧値およびヒステリシス調節電圧値は、メモリデバイスに順番に記憶される。その後、上記の計算を実行するために、これらの値はデジタルプロセッサ、またはソフトウェア、ハードウェア、もしくはファームウェアを実装する他の機構によってアクセス可能とすることができる。
【００３３】
質量流量コントローラバルブ１０４の動作中、様々な転換点の電圧値６１６、６２６、電圧変化値６３５、６５０、および対応するヒステリシス調節値を、メモリデバイス１０３および後続の全ての調節済み電圧の計算から除去し、または解放する。例えば、現在の電圧が（ｉ）低下しており、（ｉｉ）２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以下であるとき、バルブに印加した直近の２つの電圧および対応するヒステリシス調節電圧をメモリデバイス１０３から除去する。例えば、図８に示すのは、ある期間にわたってバルブに連続的に印加される一連の電圧についての表現である。図示のように、バルブに印加される最初の５個の電圧は、それぞれ０Ｖ、次いで４０Ｖ、次いで２０Ｖ、次いで３０Ｖ、次いで１０Ｖである。この電圧が３０Ｖから１０Ｖに低下するとき、現在の電圧は、２０Ｖである２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧よりも小さくなる。したがって、メモリデバイスは、直近に印加した２つの以前の電圧（３０Ｖと２０Ｖ）および対応するヒステリシス調節電圧を後続の全ての調節済み電圧の計算から除去する。
【００３４】
同様に、現在の電圧が（ｉ）上昇しており、（ｉｉ）２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前に印加した電圧以上であるとき、メモリデバイス１０３から解放されるのは、２つの直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧である。図８に示す例では、電圧が１０Ｖから５０Ｖに上昇するとき、電圧は４０Ｖの目盛りを通過する。３０Ｖおよび２０Ｖの転換点は解放したので、この時点で、２番目に直近に印加されかつ解放されていない電圧は、印加した２番目の電圧すなわち４０Ｖである。したがって、現在の電圧が２番目の４０Ｖよりも大きいので、１０Ｖおよび４０Ｖの転換点ならびに対応するヒステリシス調節電圧を後続の全ての計算から除去する。
【００３５】
さらに、現在の電圧がゼロ電圧を含むとき、全ての電圧をメモリデバイスから解放することができる。加えて、上記の１つまたは複数の動作方法を実施することにより、所望の質量流量の２パーセントの範囲内の実流量でＭＦＣ１００に流れるようにガスを適合させることができる。
【００３６】
上記に記載した本発明の諸実施形態を、図７Ａおよび図７Ｂにおいてさらに提供する。図７Ａは、デバイスの出力に応じてヒステリシスを特徴付ける方法についての表現である。７０５で、この方法の一実施形態は、第１の入力信号範囲（例えば入力信号範囲２１１、３１１、５１１）にわたる入力信号を適用すること（ステップ）を含むように示される。図７Ａに示すように、ある入力信号は、第１の出力値範囲（例えば第１の出力値範囲２０９、３０９）を伴う第１の出力（ガス流量など）を有するデバイスの機能（これだけに限定されないが、制御バルブの変位など）を誘発することができる。一実施形態は、第１の入力信号範囲２１１、３１１、５１１に依拠する第１の出力値範囲２０９、３０９を含むことができる。
【００３７】
７１５で、その入力信号を第２の入力信号範囲（例えば図３Ａおよび図５に示す第２の入力範囲３１３、５１３）にわたってそのデバイスに適用する。その入力信号は、第２の出力値範囲（例えば第２の出力値範囲３０７）を伴う第２の出力をデバイスが有する状態で、そのデバイスが自らの機能を実行することを誘発する。ある方法における第２の出力値範囲３０７は、（ｉ）第２の入力信号範囲３１３、５１３、および（ｉｉ）デバイスのヒステリシスに依拠する。最後に７２５で、第１の出力値範囲および第２の出力値範囲にわたり、第２の入力信号範囲３１３、５１３と、第１の入力信号範囲２１１、３１１、５１１との差（例えば差３１２、５１２）を測定する。
【００３８】
図７Ｂは、質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる方法についての表現である。７５５で、ある方法は複数の電圧を質量流量コントローラバルブ１０４に逐次的に印加すること（ステップ）を含む。７６５で、その複数の電圧のうちの少なくとも１つが、質量流量コントローラ１００により１つまたは複数の所望の質量流量を得るために、バルブ１０４を調節するようになされることが見られる。さらに７７５で、その複数の電圧のうちの少なくとも１つが、（ｉ）指定される上り傾斜電圧と、（ｉｉ）所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる調節済み電圧を含む。
【００３９】
流量を調節するためにバルブの変位量を変えるのとは対照的に、ガス圧力の変化を補償する目的でバルブの変位量を変えるために同様の方法を適用することができる。バルブの変位量を調節することは、変化する圧力および変化する流量の両方を補償するために行うことができることも考えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にヒステリシスを示すデバイスに関する。限定する目的ではないが、本発明はとりわけ、質量流量コントローラバルブのヒステリシスの特徴付けならびに補償方法およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの質量流量コントローラ（ＭＦＣ）は、流量センサを使用して、自らに流れるガスの流量を制御する。ある種類の流量センサはコントローラに流れるガスの実流量を測定し、（流量センサによって測定される）その実流量と、（ユーザが設定する）所望の流量との差に基づいてＭＦＣバルブに制御信号が送られる。ＭＦＣバルブは、その制御信号を受け取り、流量を増やしまたは減らして実流量が所望の流量により厳密に等しくなるようにバルブを調節することができる。
【０００３】
時として、急激に変化する流動状態を理由に、バルブに与える制御信号を迅速に変える必要がある。例えば、ガス圧力が急激に変化している期間中にバルブの変位量（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を素早く調節し、またはＭＦＣに流れるガスの流量を素早く変える必要があるときにバルブの変位量を調節する必要があり得る。バルブの変位量を素早く変えることが必要とされる期間中、流量を正確に調節するために必要なデータを流量センサが提供できないことがある。
【０００４】
流動状態が急激に変化する期間中にバルブをより正確に調節するために、ＭＦＣフィードフォワードモード（feed-forward-mode）を実装することができる。フィードフォワードモード中、ＭＦＣの圧力センサからバルブに信号を発することができる。そのバルブは、ガスの流量を調節するために、その圧力センサの信号またはその信号の修正版を利用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図面に示す、本発明の例示的実施形態を以下に概説する。発明を実施するための形態の節の中で、これらのおよび他の実施形態についてより完全に記載する。ただし本発明を、この発明の概要、または発明を実施するための形態に記載する形式に限定する意図はないことを理解すべきである。特許請求の範囲に示す本発明の趣旨および範囲に含まれる多数の修正形態、等価物、および代替的構造があることを当業者なら理解することができる。
【０００６】
本発明の一実施形態は、これだけに限定されないが質量流量コントローラバルブなどのデバイスにおけるヒステリシスを、デバイスの出力に応じて特徴付ける方法を含む。デバイスにおけるヒステリシスを特徴付ける１つの方法は、第１の入力信号範囲にわたる入力信号をそのデバイスに適用すること（ステップ）を含む。その入力信号はデバイスの機能を誘発し、そのデバイスの機能は、第１の入力信号範囲に依拠する第１の出力値範囲を伴う第１の出力を有する。この方法は、その後、その入力信号を第２の入力信号範囲にわたってそのデバイスに適用すること（ステップ）を含む。その入力信号はそのデバイスの機能を誘発し、そのデバイスの機能は、第２の出力値範囲を伴う第２の出力を有する。その第２の出力値範囲は、第２の入力信号範囲およびデバイスのヒステリシスに依拠する。最後に、第１の出力値範囲および第２の出力値範囲にわたり、第２の入力信号範囲と第１の入力信号範囲との差を測定する。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、質量流量コントローラバルブを動作させる方法を含む。質量流量コントローラバルブを動作させる１つの方法は、複数の電圧をバルブに逐次的に印加すること（ステップ）を含む。バルブに印加される複数の電圧は、質量流量コントローラにより１つまたは複数の所望の質量流量を得るためにバルブを調節するようになされる。その複数の電圧のうちの少なくとも１つは調節済み電圧（ａｄｊｕｓｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）を含む。その調節済み電圧は、指定される上り傾斜電圧と、所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態は、質量流量コントローラを含む。質量流量コントローラの一実施形態は、ガスの流動経路と、ヒステリシス制御バルブと、制御モジュールとを備える。その制御バルブは、ガスの流動経路に流れるガスの流量を制御するようになされる。一実施形態における制御モジュールは、最終制御信号（ｆｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ）を制御バルブに発するようになされる。制御バルブは、ガスが所望の質量流量でガスの流動経路に流れることができるように、バルブを調節する際に、その信号を利用するようになされる。さらに、バルブに送られる最終制御信号は、バルブが示す任意のヒステリシス効果を補償するようになされてよい。
【０００９】
本明細書に、これらのおよび他の実施形態についてさらに詳細に記載する。
【００１０】
添付図面と併せて解釈するとき、以下の発明を実施するための形態および添付の特許請求の範囲を参照することにより、本発明の様々な目的および利点ならびにより完全な理解が明らかになり、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラの一部分の機能ブロック図である。
【図２Ａ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲に対応する制御バルブの変位範囲の一例を示すグラフである。
【図２Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、制御バルブの変位量に対応するガス流量の一例を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲に対応する制御バルブの変位量を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲に対応するガス流量を示すグラフである。
【図４】本発明の説明のための実施形態による、上り傾斜電圧の変化に応じたヒステリシス調節電圧を示すグラフである。
【図５】本発明の説明のための実施形態による、電圧に応じた流量を示すグラフである。
【図６】本発明の説明のための実施形態による、ヒステリシスを補償しながら質量流量コントローラを動作させる方法の応用例を示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の説明のための実施形態による、ヒステリシスを特徴付ける方法を含む流れ図である。
【図７Ｂ】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラを動作させる方法を含む流れ図である。
【図８】本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラバルブに印加される一連の電圧を含むグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、適切な場合はいくつかの図の全体を通して同じまたは同様の要素を同一の参照番号を使って指示する図面を参照し、具体的には図１を参照すると、示されているのは、本発明の説明のための実施形態による、質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１００の一部分の機能ブロック図である。図１に示す質量流量コントローラ１００の一部分は、主流動経路１０２と、制御バルブ１０４と、制御モジュール１０６と、メモリデバイス１０３とを備える。
【００１３】
これらのコンポーネントの図示の構成は論理上のものであり、実際のハードウェア図であることを意図するものではない。したがって実際の実装形態では、これらのコンポーネントを組み合わせ、またはさらに分けることができる。例えば一実施形態では、メモリデバイス１０３を制御モジュール１０６に含めることができる。さらに、本明細書に照らして、個々のコンポーネントの構造は当業者によく知られており、本明細書でさらに論じるようにハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはその組合せを含むことができる。
【００１４】
制御バルブ１０４は、本出願の全体を通してデバイスと呼ぶことができる。さらに、制御バルブ１０４は、主流動経路１０２に流れるガスの流量を調節するようになされる。制御バルブ１０４の一実施形態は、圧電アクチュエータである。一実施形態における制御モジュール１０６は、制御バルブ１０４に最終制御信号１０８を与えるようになされる。最終制御信号１０８は、制御バルブ１０４が受け取る前に、デジタル信号プロセッサ（不図示）または他の信号修正機によって修正されてもよいことを理解すべきである。一部の実施形態では、制御モジュール１０６が、そのデジタル信号プロセッサまたは他の信号修正機を含むことができる。一実施形態における制御バルブ１０４は、バルブ１０４を調節し、主流動経路１０２を通るガス流量を調整するために最終制御信号１０８を利用するようになされる。
【００１５】
制御モジュール１０６以外の機構により、最終制御信号１０８を生成することができると考えられる。例えば、最終制御信号１０８は、知られている信号レベルを提供するようになされる信号発生器（不図示）によって生成することができる。信号発生器は、質量流量コントローラバルブ１０４が示すヒステリシスを適切に特徴付けるために使用することができる。信号発生器を含む一実施形態では、または他の諸実施形態では、最終制御信号１０８を入力信号と呼ぶことができる。ある最終制御信号１０８は、電圧からなることができる。ただし、これだけに限定されないが、電流などの他の信号も最終制御信号１０８を構成することができる。
【００１６】
一実施形態では、および図２Ａに示すように、制御バルブ１０４に適用されるある入力信号は、第１の入力信号範囲２１１にわたって印加される制御信号電圧とすることができる。一実施形態の第１の入力信号範囲２１１は、連続的に上昇する制御信号電圧を含むことができる。第１の入力信号範囲２１１は、約０ボルトの第１の入力信号範囲の開始電圧２１７、および約６８ボルトの第１の入力信号範囲の終止電圧を伴う、６８ボルトの範囲からなることができる。第１の入力信号範囲の終止電圧は、第１の転換点（ｔｕｒｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）２１６と呼ぶこともできる。
【００１７】
ある第１の入力信号範囲２１１は、電圧レベルにおける一連の段階的上昇をなして適用することができる。例えば、電圧を１ボルトの増加量単位で０ボルトから６８ボルトまで印加することができる。知られている最大電圧のパーセンテージとして、段階的上昇をなして電圧を上げることも考えられ、その最大電圧は、ＭＦＣを通るガスの最大流量に対応する。例えば、電圧を１％または２％刻みで上昇させることができるが、より大きいまたはより小さい増加量も考えられる。さらに、開始電圧２１７および第１の転換点２１６が異なるものとして、より大きいまたはより小さい第１の入力信号範囲２１１も考えられる。ある方法では、第１の転換点２１６は、主流動経路１０２を通る最大ガス流量未満のガス流量をもたらすようになされる電圧からなる。
【００１８】
これだけに限定されないが、制御信号電圧などの入力信号を制御バルブ１０４に適用することは、制御バルブ１０４に機能を実行させることができる。例えば、図２Ａに示すように、この入力信号は、制御バルブの変位量の変化を引き起こすことなどのデバイスの機能を誘発することができる。当技術分野で知られている他の機能も考えられる。図２Ａにさらに示すように、制御バルブの変位量は、制御信号電圧に実質的に比例することができる。
【００１９】
一実施形態におけるバルブの変位量は、図２Ｂに示す第１の出力値範囲２０９を有する第１の出力と相関関係があってよい。例えば、バルブの変位量を増加させることは、ガスが流れる主流動経路１０２における流れ面積を広げることととしてよい。したがって、この広げられた流れ面積は、ガス流量を増やすことを可能にする。少なくとも１つの実施形態では、ガス流量は出力値を含むことができる。図２Ｂに示すのは、一実施形態における、増加する制御バルブの変位量とガス流量との間の関係である。一実施形態では、流量センサ（不図示）を使用することにより、制御バルブのそれぞれの変位量ごとにガス流量を測定する。図示するように、ある流量センサは、リットル毎分（ｌｐｍ）単位でガス流量を測定することができるが、ガス流量の他の単位も考えられる。
【００２０】
図２Ｂに見られるように、一実施形態のガス流量は、制御バルブの変位量がある変位閾値を下回る場合、ほぼ０ｌｐｍである。その閾値を上回ると、制御バルブの変位量が増加するにつれてガス流量も増加するが、ガスの流動力学特性を理由に線形には増加しない。したがって、図２Ａおよび図２Ｂに見られるように、第１の入力信号範囲２１１にわたる制御信号電圧を印加することは、ガス流量の第１の出力を誘発することができる。
【００２１】
図３Ａに示すように、転換点３１６に到達した時点で、第２の入力信号範囲３１３にわたり制御信号電圧を印加することができる。一実施形態では、この第２の入力信号範囲３１３は連続的に低下する電圧とすることができる。第１の入力信号範囲３１１のように、第２の入力信号範囲３１３は、制御バルブ１０４に機能（これだけに限定されないが、制御バルブの変位量を調節することなど）を実行させることができる。図３Ａに示すように、第２の入力信号範囲３１３にわたるバルブの変位量は、印加される電圧に概して比例することができる。しかし同じく図３Ａに示すように、制御信号電圧が上昇し、転換点３１６に到達し、その後低下した後、第２の入力信号範囲３１３にわたる制御バルブの変位量は、同様の電圧の第１の入力信号範囲３１１にわたるバルブの変位量よりも大きい。
【００２２】
一実施形態では、第２の入力信号範囲３１３は、転換点３１６からなる開始電圧を有することができ、その第２の入力信号範囲３１３は、第１の入力信号範囲の開始電圧３１７からなる終止電圧を有することができる。第１の入力信号範囲３１１と同様に、この第２の入力信号範囲３１３は制御バルブ１０４に印加される一連のステップ電圧を含むことができるが、第２の入力信号範囲３１３にわたるステップ電圧は減少的なステップ電圧からなることができる。一実施形態では、この減少的なステップ電圧は、増加的なステップ電圧に等しくてよい。そのため、増加的な電圧の範囲の間に１ボルトの刻みを適用した場合、減少的な電圧の範囲の間にも同様の刻みを適用することができる。
【００２３】
制御バルブの変位量が、第２の入力信号範囲３１３に沿ってガス流量に相関する場合、第２の出力値範囲３０７を有する、ガス流量の第２の出力がもたらされる。図３Ｂに示すように、ヒステリシスが原因で、あるガス流量の第２の出力値範囲３０７は、同様の電圧の、ガス流量の第１の出力値範囲３０９よりも大きい。第１のガス流量出力範囲および第２のガス流量出力範囲の全体３１４にわたり、入力値間の差３１２を測定することができる。この差３１２は、ヒステリシス調節電圧と呼ぶこともできる。
【００２４】
図４に示すように、入力信号範囲の差３１２は、第１の転換点３１６から閾値まで、制御信号電圧における絶対値の変化が増加するにつれて広がる。一実施形態では、第１の入力信号範囲３１１にわたって印加される一連のステップ電圧、印加される第１の入力信号範囲の電圧ごとの測定済みバルブ変位量、およびバルブの変位量ごとの対応する測定済みガス流量を、図１に示すメモリデバイス１０３に記憶する。さらに、第２の入力信号範囲３１３にわたって印加される一連の電圧、印加される第２の入力信号範囲の電圧ごとの測定済みバルブ変位量、およびバルブの変位量ごとの対応する測定済みガス流量も、メモリデバイス１０３に記憶する。
【００２５】
一実施形態では、ガス流量などの所望の出力値を得るために入力電圧間の差３１２を求めることは、線形補間によって求められる。例えば、図５に示すように一連の増加的電圧および減少的電圧を制御バルブ１０４に印加し、それぞれの電圧ごとのガス流量を測定する。表１に値の例を示す。
【００２６】
【表１】
上記の表を使用し、線形補間を実施して、上り傾斜の流量と実質的に等しい流量を得るために、第２の入力信号範囲５１３に沿って制御バルブ１０４に印加するための、おおよその下り傾斜電圧を求める。
【００２７】
【表２】
【００２８】
表２は、上り傾斜流量値ごとの、第１の入力信号範囲５１１と第２の入力信号範囲５１３との差５１２も示す。上記に示す上り傾斜電圧／下り傾斜電圧の差は、第１の電圧と呼ぶこともできる。同様に、第１の入力信号範囲および第２の入力信号範囲は、上り傾斜電圧の範囲および下り傾斜電圧の範囲とそれぞれ呼ぶことができる。また、表２に示す、転換点の上り傾斜電圧からの隔たりは、上り傾斜電圧の変化と呼ぶこともできる。ここでもやはり、上記の値について、第１の転換点５１６からの電圧の変化に応じた差５１２についてのグラフ表示を図４に示す。このようにして、増加的電圧および減少的電圧に沿って同様の流量を得るために適用する差５１２により、ヒステリシスが特徴付けられる。
【００２９】
このようにしてヒステリシスを特徴付けることは、バルブ１０４に印加する電圧がヒステリシスを補償することができるように、質量流量コントローラを動作させる方法を可能にする。図６から図８に示すのは、質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる１つの方法である。質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる１つの方法は、複数の電圧をバルブ１０４に逐次的に印加すること（ステップ）を含む。例えば、図６に示すように、第１の転換点６１６、第２の転換点６２６、および現在の電圧６３６を連続してバルブ１０４に印加することができ、それぞれの電圧は、質量流量コントローラ１００により所望の質量流量を得るために、バルブ１０４を調節するようになされる。
【００３０】
バルブ１０４に印加される複数の電圧のうちの１つの少なくとも一部分は、調節された最終制御信号１０８としても知られる調節済み電圧を含む。調節済み電圧の一例を、第２の転換点６２６の電圧により図６に示す。例えば、６８Ｖにおける９ｌｐｍの流量に対応する第１の転換点６１６に到達した時点で、制御モジュール１０６が、６ｌｐｍの流量信号からなる、（図１に示す）要求される制御信号１８２を受け取る。第２の転換点６２６は、第２の転換点の上り傾斜電圧６３１（図１に示す上り傾斜制御信号１８４としても知られる）と、第２の転換点のヒステリシス調節電圧６３３（図１に示すヒステリシス調節信号としても知られる）との合計からなる調節済み電圧とすることができる。一実施形態では、上り傾斜電圧６３１は、所望の質量流量に対応する第１の入力信号範囲６１１に沿った電圧を含む。上り傾斜電圧６３１は上記の表１の線形補間によって得られ、その表１は、６ｌｐｍの所望の流量を得るために、第１の入力信号範囲６１１に沿って６１．５Ｖの電圧をバルブに印加しなければならないことを示す。線形補間以外の他の近似式も考えられる。
【００３１】
上り傾斜電圧６３１を得た時点で、前の転換点の上り傾斜電圧から、上り傾斜電圧６３１、６１．５Ｖを減算することにより、第２の転換点電圧変化６３５（第２の電圧差としても知られる）を得ることができる。図６では、前の転換点は第１の転換点６１６である。第１の転換点は印加される電圧の中に調節電圧を含まないので、第１の転換点の上り傾斜電圧は第１の転換点の電圧、すなわち６８Ｖに等しい。そのため、６８Ｖから６１．５Ｖを減算し、６．５Ｖの第２の転換点電圧変化６３５が得られる。６．５Ｖの電圧変化６３５を得た時点で、表２の線形補間（または他の近似式）を使用することにより、約４．７Ｖの第２の転換点の調節電圧６３３（ヒステリシス調節電圧としても知られる）が得られる。第２の転換点の電圧は第１の転換点の電圧よりも低いので、このヒステリシス調節電圧は−４．７Ｖの負電圧からなる。６１．５Ｖのフィードフォワード電圧と、約−４．７Ｖのヒステリシス調節電圧とを合計することは、５６．８Ｖの調節済み電圧を与える。したがって、約６ｌｐｍの所望の質量流量を得るために、６８Ｖの第１の転換点に到達した後、バルブに５６．８Ｖ印加すべきである。
【００３２】
現在の電圧６３６の値を求めるために、同様の方法を使用する。例えば、６ｌｐｍの質量流量を得るために５６．８Ｖの電圧を印加したすぐ後に、７．４ｌｐｍの質量流量が望まれる。第２の転換点の電圧６２６を得る際に先に示したように、現在の上り傾斜電圧６４８をまず得なければならない。表１の線形補間が、現在の上り傾斜電圧６４８について約６４．６Ｖの出力をもたらす。ここで、前の転換点の上り傾斜電圧から現在の上り傾斜電圧への電圧の差である現在の電圧の変化６５０は、６４．６Ｖ−６１．５Ｖであり、３．１Ｖに等しい。表２の線形補間を使用することは、３．１Ｖの現在の電圧の変化６５０が、約３．１Ｖの現在のヒステリシス調節電圧に対応することを示す。６４．６Ｖの上り傾斜電圧に、−４．７Ｖの第１の転換点のヒステリシス調節電圧および反対の３．１Ｖの現在のヒステリシス調節電圧を合計することは、−１．６Ｖの合計補償電圧、および６３Ｖの調節された現在の電圧６３６をもたらす。このようにして、先行する転換点ごとの各ヒステリシス調節電圧および要求される現在の電圧を考慮に入れることにより、将来の調節済み電圧が計算される。各転換点の電圧値およびヒステリシス調節電圧値は、メモリデバイスに順番に記憶される。その後、上記の計算を実行するために、これらの値はデジタルプロセッサ、またはソフトウェア、ハードウェア、もしくはファームウェアを実装する他の機構によってアクセス可能とすることができる。
【００３３】
質量流量コントローラバルブ１０４の動作中、様々な転換点の電圧値６１６、６２６、電圧変化値６３５、６５０、および対応するヒステリシス調節値を、メモリデバイス１０３および後続の全ての調節済み電圧の計算から除去し、または解放する。例えば、現在の電圧が（ｉ）低下しており、（ｉｉ）２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以下であるとき、バルブに印加した直近の２つの電圧および対応するヒステリシス調節電圧をメモリデバイス１０３から除去する。例えば、図８に示すのは、ある期間にわたってバルブに連続的に印加される一連の電圧についての表現である。図示のように、バルブに印加される最初の５個の電圧は、それぞれ０Ｖ、次いで４０Ｖ、次いで２０Ｖ、次いで３０Ｖ、次いで１０Ｖである。この電圧が３０Ｖから１０Ｖに低下するとき、現在の電圧は、２０Ｖである２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧よりも小さくなる。したがって、メモリデバイスは、直近に印加した２つの以前の電圧（３０Ｖと２０Ｖ）および対応するヒステリシス調節電圧を後続の全ての調節済み電圧の計算から除去する。
【００３４】
同様に、現在の電圧が（ｉ）上昇しており、（ｉｉ）２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前に印加した電圧以上であるとき、メモリデバイス１０３から解放されるのは、２つの直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧である。図８に示す例では、電圧が１０Ｖから５０Ｖに上昇するとき、電圧は４０Ｖの目盛りを通過する。３０Ｖおよび２０Ｖの転換点は解放したので、この時点で、２番目に直近に印加されかつ解放されていない電圧は、印加した２番目の電圧すなわち４０Ｖである。したがって、現在の電圧が２番目の４０Ｖよりも大きいので、１０Ｖおよび４０Ｖの転換点ならびに対応するヒステリシス調節電圧を後続の全ての計算から除去する。
【００３５】
さらに、現在の電圧がゼロ電圧を含むとき、全ての電圧をメモリデバイスから解放することができる。加えて、上記の１つまたは複数の動作方法を実施することにより、所望の質量流量の２パーセントの範囲内の実流量でＭＦＣ１００に流れるようにガスを適合させることができる。
【００３６】
上記に記載した本発明の諸実施形態を、図７Ａおよび図７Ｂにおいてさらに提供する。図７Ａは、デバイスの出力に応じてヒステリシスを特徴付ける方法についての表現である。７０５で、この方法の一実施形態は、第１の入力信号範囲（例えば入力信号範囲２１１、３１１、５１１）にわたる入力信号を適用すること（ステップ）を含むように示される。図７Ａに示すように、ある入力信号は、第１の出力値範囲（例えば第１の出力値範囲２０９、３０９）を伴う第１の出力（ガス流量など）を有するデバイスの機能（これだけに限定されないが、制御バルブの変位など）を誘発することができる。一実施形態は、第１の入力信号範囲２１１、３１１、５１１に依拠する第１の出力値範囲２０９、３０９を含むことができる。
【００３７】
７１５で、その入力信号を第２の入力信号範囲（例えば図３Ａおよび図５に示す第２の入力範囲３１３、５１３）にわたってそのデバイスに適用する。その入力信号は、第２の出力値範囲（例えば第２の出力値範囲３０７）を伴う第２の出力をデバイスが有する状態で、そのデバイスが自らの機能を実行することを誘発する。ある方法における第２の出力値範囲３０７は、（ｉ）第２の入力信号範囲３１３、５１３、および（ｉｉ）デバイスのヒステリシスに依拠する。最後に７２５で、第１の出力値範囲および第２の出力値範囲にわたり、第２の入力信号範囲３１３、５１３と、第１の入力信号範囲２１１、３１１、５１１との差（例えば差３１２、５１２）を測定する。
【００３８】
図７Ｂは、質量流量コントローラバルブ１０４を動作させる方法についての表現である。７５５で、ある方法は複数の電圧を質量流量コントローラバルブ１０４に逐次的に印加すること（ステップ）を含む。７６５で、その複数の電圧のうちの少なくとも１つが、質量流量コントローラ１００により１つまたは複数の所望の質量流量を得るために、バルブ１０４を調節するようになされることが見られる。さらに７７５で、その複数の電圧のうちの少なくとも１つが、（ｉ）指定される上り傾斜電圧と、（ｉｉ）所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる調節済み電圧を含む。
【００３９】
流量を調節するためにバルブの変位量を変えるのとは対照的に、ガス圧力の変化を補償する目的でバルブの変位量を変えるために同様の方法を適用することができる。バルブの変位量を調節することは、変化する圧力および変化する流量の両方を補償するために行うことができることも考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスの出力に応じてヒステリシスを特徴付ける方法であって、
第１の入力信号範囲にわたる入力信号をデバイスに適用すること（ステップ）であって、前記入力信号は、前記第１の入力信号範囲に依拠する第１の出力値範囲を伴う第１の出力を有するデバイスの機能を誘発する、適用すること（ステップ）と、
前記入力信号を第２の入力信号範囲にわたって前記デバイスに適用すること（ステップ）であって、前記入力信号は、（ｉ）前記第２の入力信号範囲および（ｉｉ）デバイスのヒステリシスに依拠する第２の出力値範囲を伴う第２の出力を有する前記デバイスの機能を誘発する、適用すること（ステップ）と、
前記第１の出力値範囲および前記第２の出力値範囲にわたり、前記第２の入力信号範囲と前記第１の入力信号範囲との差を測定すること（ステップ）と
を含む、方法。
【請求項２】
前記デバイスには質量流量コントローラバルブが含まれ、
前記入力信号には電圧が含まれ、
前記第１の入力信号範囲には、連続的に上昇する電圧の範囲が含まれ、
デバイスの機能を誘発することには、質量流量コントローラバルブの変位量の変化を誘発することが含まれ、
前記第２の入力信号範囲には、連続的に低下する電圧の範囲が含まれ、
前記第１の出力および前記第２の出力にはガス流量が含まれ、
前記第２の入力信号範囲と前記第１の入力信号範囲との差を測定すること（ステップ）は、複数のガス流量について、複数の第２の入力信号値から複数の第１の入力信号値を減算することにより、複数のヒステリシス調節電圧を造り出すこと（ステップ）を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記質量流量コントローラバルブには、圧電アクチュエータが含まれる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記連続的に上昇する電圧の範囲は、
０ボルトの開始電圧と、
電圧における一連の段階的上昇と、
第１の転換点からなる終止電圧と
を含み、
前記連続的に低下する電圧の範囲は、
前記第１の転換点からなる開始電圧と、
電圧における一連の段階的低下と、
０ボルトからなる終止電圧と
を含み、
前記複数のガス流量は、最大ガス流量未満である、
請求項２に記載の方法。
【請求項５】
複数のヒステリシス調節電圧を造り出すこと（ステップ）は、
１つまたは複数の所望の流量を決定すること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の所望の流量に対応する１つまたは複数の上り傾斜電圧を得るために、第１の近似式を使用すること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の上り傾斜電圧と、以前印加した上り傾斜電圧との差を求めること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の上り傾斜電圧と、前記以前印加した上り傾斜電圧との差に対応する電圧を得るために、第２の近似式を使用すること（ステップ）と
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記連続的に上昇する電圧の範囲は、質量流量コントローラにより前記ガス流量を連続的に増加させるようになされ、
前記連続的に低下する電圧の範囲は、質量流量コントローラにより前記ガス流量を連続的に減少させるようになされ、
前記バルブの変位量を測定すること（ステップ）と、
前記バルブの変位量にガス流量を相関させること（ステップ）と
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のヒステリシス調節電圧、および前記第１の転換点からの関連する電圧の変化をメモリデバイスに記憶すること（ステップ）をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
質量流量コントローラバルブを動作させる方法であって、
複数の電圧を前記質量流量コントローラバルブに逐次的に印加すること（ステップ）を含み、
前記複数の電圧は、質量流量コントローラにより１つまたは複数の所望の質量流量を得るために前記バルブを調節するようになされ、
前記複数の電圧のうちの少なくとも１つは調節済み電圧を含み、前記調節済み電圧は、（ｉ）指定される上り傾斜電圧と、（ｉｉ）所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる、方法。
【請求項９】
前記印加する複数の電圧および前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧のそれぞれの値をメモリデバイスに記憶すること（ステップ）と、
前記質量流量コントローラバルブに現在の電圧を印加すること（ステップ）と、
前記現在の電圧が（ｉ）上昇しており、（ｉｉ）前記複数の電圧のうちの２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以上であるとき、前記複数の電圧の２つの直近に印加した電圧を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）と、
前記現在の電圧が（ｉ）低下しており、（ｉｉ）前記複数の電圧の前記２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以下であるとき、前記複数の電圧の２つの直近に印加した電圧を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）と
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記指定される上り傾斜電圧は、第１の出力値範囲に沿って所望の質量流量をもたらすようになされる電圧を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧は、
第１の上り傾斜終止電圧未満の複数の上り傾斜電圧について、下り傾斜電圧の範囲と上り傾斜電圧の範囲との間の複数の第１の電圧差を測定し、
複数の第１の上り傾斜電圧の変化のうちの１つに、前記測定した複数の第１の電圧差のそれぞれを相関させ、
所望の流量を入力し、
前記所望の流量に相関する第２の上り傾斜電圧を得るために、第１の近似式を使用し、
前記第２の上り傾斜電圧と第１の上り傾斜終止電圧との間の第２の電圧差を求め、
前記第２の電圧に相関するヒステリシス調節電圧を得るために、第２の近似式を使用する
ことによって得られる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧を得るために、ファームウェア、ソフトウェア、およびハードウェアのうちの少なくとも１つを実装すること（ステップ）をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の近似式と前記第２の近似式とが同じである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記現在の電圧が０であるとき、全ての終止方向電圧（ｆｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ）を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
１つまたは複数のヒステリシス調節電圧は、負電圧を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記質量流量コントローラから、実際のガス流量を有するガスを放出すること（ステップ）であって、前記実際の質量流量は前記所望の質量流量の２パーセントの範囲内にある、放出すること（ステップ）をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
指定されるフィードフォワード電圧は、（ｉ）前記質量流量コントローラにより前記ガスの前記流量を変えること、および（ｉｉ）変化するガス圧力の下、前記質量流量コントローラにより前記ガスの前記流量を維持することのうちの少なくとも１つのために印加される、
請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
ガスの流動経路と、
前記ガスの流動経路に流れるガスの流量を制御するようになされるヒステリシス制御バルブと、
前記制御バルブに信号を発するようになされる制御モジュールであって、前記信号は（ｉ）ガスが所望の質量流量で前記ガスの流動経路に流れることができるように前記制御バルブを調節し、（ｉｉ）バルブのヒステリシスを補償するように構成される、制御モジュールと
を備える、質量流量コントローラ。
【請求項１９】
前記制御信号には、要求される制御信号電圧および補償電圧が含まれる、請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２０】
前記制御モジュールは、デジタルコントローラおよびメモリデバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２１】
前記信号には電圧が含まれ、
前記制御モジュールは、少なくとも１つのヒステリシス調節電圧を実装する公式を利用するようにさらになされる、
請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１】
デバイスの出力に応じてヒステリシスを特徴付ける方法であって、
第１の入力信号範囲にわたる入力信号をデバイスに適用すること（ステップ）であって、前記入力信号は、前記第１の入力信号範囲に依拠する第１の出力値範囲を伴う第１の出力を有するデバイスの機能を誘発する、適用すること（ステップ）と、
前記入力信号を第２の入力信号範囲にわたって前記デバイスに適用すること（ステップ）であって、前記入力信号は、（ｉ）前記第２の入力信号範囲および（ｉｉ）デバイスのヒステリシスに依拠する第２の出力値範囲を伴う第２の出力を有する前記デバイスの機能を誘発する、適用すること（ステップ）と、
前記第１の出力値範囲および前記第２の出力値範囲にわたり、前記第２の入力信号範囲と前記第１の入力信号範囲との差を測定すること（ステップ）と
を含む、方法。
【請求項２】
前記デバイスには質量流量コントローラバルブが含まれ、
前記入力信号には電圧が含まれ、
前記第１の入力信号範囲には、連続的に上昇する電圧の範囲が含まれ、
デバイスの機能を誘発することには、質量流量コントローラバルブの変位量の変化を誘発することが含まれ、
前記第２の入力信号範囲には、連続的に低下する電圧の範囲が含まれ、
前記第１の出力および前記第２の出力にはガス流量が含まれ、
前記第２の入力信号範囲と前記第１の入力信号範囲との差を測定すること（ステップ）は、複数のガス流量について、複数の第２の入力信号値から複数の第１の入力信号値を減算することにより、複数のヒステリシス調節電圧を造り出すこと（ステップ）を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記質量流量コントローラバルブには、圧電アクチュエータが含まれる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記連続的に上昇する電圧の範囲は、
０ボルトの開始電圧と、
電圧における一連の段階的上昇と、
第１の転換点からなる終止電圧と
を含み、
前記連続的に低下する電圧の範囲は、
前記第１の転換点からなる開始電圧と、
電圧における一連の段階的低下と、
０ボルトからなる終止電圧と
を含み、
前記複数のガス流量は、最大ガス流量未満である、
請求項２に記載の方法。
【請求項５】
複数のヒステリシス調節電圧を造り出すこと（ステップ）は、
１つまたは複数の所望の流量を決定すること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の所望の流量に対応する１つまたは複数の上り傾斜電圧を得るために、第１の近似式を使用すること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の上り傾斜電圧と、以前印加した上り傾斜電圧との差を求めること（ステップ）と、
前記１つまたは複数の上り傾斜電圧と、前記以前印加した上り傾斜電圧との差に対応する電圧を得るために、第２の近似式を使用すること（ステップ）と
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記連続的に上昇する電圧の範囲は、質量流量コントローラにより前記ガス流量を連続的に増加させるようになされ、
前記連続的に低下する電圧の範囲は、質量流量コントローラにより前記ガス流量を連続的に減少させるようになされ、
前記バルブの変位量を測定すること（ステップ）と、
前記バルブの変位量にガス流量を相関させること（ステップ）と
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のヒステリシス調節電圧、および前記第１の転換点からの関連する電圧の変化をメモリデバイスに記憶すること（ステップ）をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
質量流量コントローラバルブを動作させる方法であって、
複数の電圧を前記質量流量コントローラバルブに逐次的に印加すること（ステップ）を含み、
前記複数の電圧は、質量流量コントローラにより１つまたは複数の所望の質量流量を得るために前記バルブを調節するようになされ、
前記複数の電圧のうちの少なくとも１つは調節済み電圧を含み、前記調節済み電圧は、（ｉ）指定される上り傾斜電圧と、（ｉｉ）所望のガス流量を得るための少なくとも１つのヒステリシス調節電圧との合計からなる、方法。
【請求項９】
前記印加する複数の電圧および前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧のそれぞれの値をメモリデバイスに記憶すること（ステップ）と、
前記質量流量コントローラバルブに現在の電圧を印加すること（ステップ）と、
前記現在の電圧が（ｉ）上昇しており、（ｉｉ）前記複数の電圧のうちの２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以上であるとき、前記複数の電圧の２つの直近に印加した電圧を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）と、
前記現在の電圧が（ｉ）低下しており、（ｉｉ）前記複数の電圧の前記２番目に直近に印加されかつ解放されていない以前の電圧以下であるとき、前記複数の電圧の２つの直近に印加した電圧を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）と
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記指定される上り傾斜電圧は、第１の出力値範囲に沿って所望の質量流量をもたらすようになされる電圧を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧は、
第１の上り傾斜終止電圧未満の複数の上り傾斜電圧について、下り傾斜電圧の範囲と上り傾斜電圧の範囲との間の複数の第１の電圧差を測定し、
複数の第１の上り傾斜電圧の変化のうちの１つに、前記測定した複数の第１の電圧差のそれぞれを相関させ、
所望の流量を入力し、
前記所望の流量に相関する第２の上り傾斜電圧を得るために、第１の近似式を使用し、
前記第２の上り傾斜電圧と第１の上り傾斜終止電圧との間の第２の電圧差を求め、
前記第２の電圧に相関するヒステリシス調節電圧を得るために、第２の近似式を使用する
ことによって得られる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのヒステリシス調節電圧を得るために、ファームウェア、ソフトウェア、およびハードウェアのうちの少なくとも１つを実装すること（ステップ）をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の近似式と前記第２の近似式とが同じである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記現在の電圧が０であるとき、全ての終止方向電圧（ｆｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ）を前記メモリデバイスから解放すること（ステップ）をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
１つまたは複数のヒステリシス調節電圧は、負電圧を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記質量流量コントローラから、実際のガス流量を有するガスを放出すること（ステップ）であって、前記実際の質量流量は前記所望の質量流量の２パーセントの範囲内にある、放出すること（ステップ）をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
指定されるフィードフォワード電圧は、（ｉ）前記質量流量コントローラにより前記ガスの前記流量を変えること、および（ｉｉ）変化するガス圧力の下、前記質量流量コントローラにより前記ガスの前記流量を維持することのうちの少なくとも１つのために印加される、
請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
ガスの流動経路と、
前記ガスの流動経路に流れるガスの流量を制御するようになされるヒステリシス制御バルブと、
前記制御バルブに信号を発するようになされる制御モジュールであって、前記信号は（ｉ）ガスが所望の質量流量で前記ガスの流動経路に流れることができるように前記制御バルブを調節し、（ｉｉ）バルブのヒステリシスを補償するように構成される、制御モジュールと
を備える、質量流量コントローラ。
【請求項１９】
前記制御信号には、要求される制御信号電圧および補償電圧が含まれる、請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２０】
前記制御モジュールは、デジタルコントローラおよびメモリデバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項２１】
前記信号には電圧が含まれ、
前記制御モジュールは、少なくとも１つのヒステリシス調節電圧を実装する公式を利用するようにさらになされる、
請求項１８に記載の質量流量コントローラ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【公表番号】特表２０１２−５１５９５８（Ｐ２０１２−５１５９５８Ａ）
【公表日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４６４４１（Ｐ２０１１−５４６４４１）
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２１４９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０８５４８２
【国際公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２１４９３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０８５４８２
【国際公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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