JPH079607B2 - 質量流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば半導体、IC等の製造プロセスで用い
られる各種ガスの流量（以下、「流量」というときに
は、質量流量を指す。）制御に好適な質量流量制御装置
のの改良に関するものである。

［従来技術］ 従来、熱式質量流量センサを用い、金属の熱膨張をを利
用したバルブを具備した第４図の如き質量流量制御装置
１が知られている。同図において、２はガスの入口部を
示し、３はガスの出口部を示す。ガスは入口部２を入る
と、バイパス部４とセンサ管５とに分岐される。センサ
管５には、ガス流の上流側と下流側とに一対の抵抗発熱
体6A、6Bが巻回されている。抵抗発熱体6A、6Bはブリッ
ヂ回路７に接続されている。ガスがセンサ管５を通過す
るときに、抵抗発熱体6A、6Bが熱を奪われる。このと
き、抵抗発熱体6Aが抵抗発熱体6Bより温度低下し、これ
によって生じる温度差をブリッヂ回路７において抵抗値
変化として取出す。この抵抗値変化に基づき、センサ管
５を流れるガスの質量流量を検出できる。一方、センサ
管５とバイパス部４との分流比率が所定となっているた
め、センサ管５を流れるガスの質量流量が、流れるガス
全体の質量流量を反映した値となる。８は、バイパス部
４に介装された金属メッシュを示し、このメッシュ８に
より、バイパス部４とセンサ管５とを流れるガスの分流
比を所定に保っている。また、９はセンサ部のケーシン
グであり、このケーシング９により抵抗発熱体6A、6Bが
外部から影響されぬようにし、精度の良い質量流量の検
出を可能にしている。ブリッヂ回路７の出力信号は、増
幅回路10により増幅され、センサ出力端子11から外部の
図示せぬ表示器等へ出力されると共に、比較回路12へ出
力される。比較回路12には、外部から所望の質量流量の
所定値に対応した設定信号が設定信号入力端子13を介し
て与えられる。比較回路12は、増幅回路10の出力信号と
設定信号とを比較して、その差に応じた信号を出力す
る。この信号は、バルブ駆動回路14に与えられ、バルブ
駆動回路14は上記信号に基づきバルブヒータ15へ駆動電
圧を与える。16はバルブを示す。このバルブ16はノーマ
リーオープンタイプ（電圧無印加時に弁が（開）状態で
あり、電圧印加時に弁が（閉）状態となる）である。金
属ピン17内にバルブヒータ15が入れられており、バルブ
ヒータ15の発熱による金属ピン17の膨張によって、金属
ピンの先端に固着された球状弁体18が上下し、ガスの通
路部に対するオリフィスを調整する。

このように構成された質量流量制御装置１によれば、セ
ンサ管５の部分で検出される質量流量に対応する信号
が、ガス全体の質量流量を反映しているから、この信号
と設定信号との差が無くなるようにバルブ16を制御する
ことにより、適切な質量流量の制御が可能である。

ところで、質量流量制御装置は、半導体やICの製造プロ
セスに用いられるガスの質量制御等に使用されるので、
半導体やICの加工精度を向上させるために高い信頼性が
要求される。そこで、質量流量制御装置の異常を報知す
るために、増幅回路10より出力される信号と設定信号と
の間に所定以上の差が生じていることを検出する手段を
具備させたものが提案されている。

［発明が解決しようとする問題点及び発明の目的］ しかしながら、上記の手段によると、質量流量制御装置
１の機能が完全に損なわれるまで異常を検知できないこ
とがあった。例えば、センサ管５内に微少なゴミ等が付
着すると、センサの出力が低下し、増幅回路12から出力
される信号は、実際のガスの流量より少ない流量に相当
する信号となる。このため、比較回路12の出力はバルブ
16を開くように作用する。これによって、バルブ16が動
作範囲であれば、バイパス部４を流れるガスの流量が増
大し、増幅回路10の出力信号と設定信号との値が均衡す
る。このようにして、見かけ上の均衡が保たれるので、
実際には異常が生じているにもかかわらず、異常検出で
きなかった。

この他、ゴミ等は、バイパス部４や球状弁体18と弁座と
の間等に付着するが、上記手段では前述と同様に異常検
出されなかった。このため、上記の質量流量制御装置を
半導体、IC等の製造プロセスに使用していた場合には、
異常を発見したときには既に製造中の大量の半導体、IC
等が被害を受けた後であることが多く、大きな問題とな
っていた。また、異常を発見した後に製造ラインの稼働
を停止して点検保守にかかる工数及び時間が多大であっ
た。更に、HC1、BF3、NH3等の危険性ガスを使用する場
合には、安全性が確保できないという問題も生じてい
た。

また、バルブ16がノーマリークローズタイプであれば、
定格以上の電圧が印加される頻度が多くなり、バルブ16
の寿命を著しく短縮する可能性が大きかった。

そこで、第４図に示した如くの質量流量制御装置におい
て、流量センサにより得られる流量データと外部から入
力される設定流量データとの比較結果により発生される
バルブ駆動信号に基づき、正常異常を判定する判定部を
有させるようする。

このような構成の質量流量制御装置によると、バルブ駆
動信号がその正常値より外れることが異常となる。即
ち、バルブ駆動信号という絶対的な信号を用いているの
で、このような異常検出は、質量流量制御装置の機能が
全く損なわれる前になされる。

第１図には、上記の発想に係る装置のブロック図が示さ
れている。同図において、第４図と同一の構成要素には
同一の番号を付してある。21はバルブヒータ15の抵抗を
示し、その抵抗値は通常60Ω〜70Ωで、その一端はアー
スに接続され、他端は判定部22内の判別回路23に接続さ
れている。また抵抗21のアースと接続されていない端部
は、トランジスタ24のコレクタに接続されている。トラ
ンジスタ24のエミッタには−15Vの電圧が与えられてい
る。また、トランジスタ24のベースは抵抗27を介して比
較回路10の出力側に接続されている。判別回路23には、
バルブ16が正常動作する時のバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒの最大
値|MAXV_Ｒ｜及び最小値|MINV_Ｒ｜を保持する正常値指示
手段が含まれている。判別回路23は、バルブヒータ15か
らバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒを得て、 |MAXV_Ｒ｜≧|V_Ｒ｜≧|MINV_Ｒ｜…（１）が成立するか否
か判別する。この判別結果の信号はタイマ回路25に与え
られる。タイマ回路25は（１）式が不成立であることを
示す信号を、所定時間連続して検出すると、異常を示す
信号を出力端子26へ出力する。このようにタイマ回路25
は、バルブ駆動電圧Ｖ_Ｒが一時的に大きく変動する―例
えば、設定信号を急激に変化させると大きく変動する―
ことにより、誤って異常を示す信号が出力されないよう
にしている。

このような構成を第４図の質量流量制御装置１に付加す
ることにより、次のように動作する。

例えば、センサ管５にゴミ等が付着すると、前述のよう
にバルブ16が開くようにバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒが印加され
る。このバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒが上記（１）式を満足しな
くなり、所定時間この状態が継続されると、タイマ回路
25から異常を示す信号が出力される。この信号を出力端
子26から図示せぬ表示器（例えば、LED等）に与え、点
灯表示によ異常を知らせることができる。

上記構成例では|MAXV_Ｒ｜＝｜−13.3|（Ｖ）|MINV_Ｒ｜
＝｜−1.7|（Ｖ）としたとき、最大流量（100％）の流
量をを得るように設定信号が入力されていれば、10％の
流量誤差が生じたとき異常検知できる。また、タイマ回
路25が監視する所定時間を30秒とすることにより、設定
信号の急激な変化があっても、これにより誤動作を吸収
して正確に異常を検出できる。

本構成例によれば、バルブ駆動電圧Ｖ_Ｒが規格を越えて
印加されることを未然に防止することができるので、バ
ルブ16の寿命を長くすることができ、また、半導体やIC
の製造プロセスに決定的な被害が現われる前に対策を講
じることができ極めて便利なものである。

しかしながら、上記構成例においても質量流量を検出す
る対象の流体の圧力や温度の変動により、正確には質量
流量制御装置の異常を検出できないことが生じる。

本発明は係る点を改善せんとしてなされたもので、その
目的は、質量流量を検出する対象の流体の圧力や温度の
変動に対応して、異常を正確に検出することのできる質
量流量制御装置を提供することである。

［問題を解決するための手段］ そこで本発明では、質量流量センサと、該質量流量セン
サから得られる質量流量データと設定入力される設定質
量流量データとを比較し、この比較結果に基づきバルブ
駆動信号を発生する手段と、この手段により発生された
バルブ駆動信号により開度調整されるバルブとを具備す
る質量流量制御装置に、 前記質量流量センサが質量流量を検出する対象の流体の
圧力を検出する圧力センサと、前記質量流量センサが質
量流量を検出する対象の流体の温度を検出する温度セン
サと、前記質量流量センサにより得られた質量流量信号
と前記圧力センサにより得られた圧力信号と前記温度セ
ンサにより得られた温度信号とから、当該質量流量制御
装置の正常時のバルブ駆動信号に対応するデータを演算
して指示する正常値指示手段と、この正常値指示手段に
より指示されたデータと前記バルブ駆動信号をモニタし
た信号のデータとに基づき、当該質量流量制御装置の正
常異常を判定する判定部とを備えさせることを特徴とす
る。

［発明の作用］ この様な構成の質量流量制御装置によれば、質量流量信
号と圧力信号と温度信号とから、当該質量流量制御装置
の正常時のバルブ駆動信号に対応するデータを演算し、
演算して得たデータとバルブ駆動信号をモニタした信号
のデータとに基づき、当該質量流量制御装置の正常異常
を判定し、当該装置が完全にその機能を損なう前に異常
を高精度で検出する。

［発明の実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例に係る質量流
量制御装置を説明する。第２図は本発明の実施例の要部
ブロック図である。

この実施例では、圧力センサ31と温度センサ32とを、第
４図に示した質量流量制御装置１のバイパス部４と入口
部２との間の通路に設置する。圧力センサ31により得ら
れた信号を増幅回路33で増幅し、判別部34へ送出する。
また、温度センサ32により得られた信号を増幅回路35で
増幅し、判別部34へ送出する。判別部34には10bitのA/D
コンバータ36に、バルブ駆動信号Ｖ_Ｒ、流量信号Ｆ、圧
力信号Ｐ、温度信号Ｔが与えられ、これらはディジタル
化されて演算回路37へ送出される。演算回路37は所謂マ
イクロコンピュータの構成となっており、８ビットのマ
イクロプロセッサとプログラム用ROMと、ワーキングレ
ジスタ用RAMと、必要なバス及びポートから成る。この
マイクロプロセッサは、プログラム用ROM内の第３図に
示されるようなフローチャートのプログラムに従って、
バルブ16が正常動作してるときのバルブ16の開度調整に
必要な信号の値を演算して、これを指示する正常値指示
手段の機能を有する。

次に、第３図を参照して演算回路37の動作を説明する。
先ず、演算回路37はステップ101ににおいて、A/Dコンバ
ータ36からディジタル化された流量データＦ、圧力デー
タＰ、温度データＴ、バルブ駆動データＶ_Ｒを取込む。
次に、演算回路37は、ステップ102において流量データ
Ｆと圧力データＰとによって決定されるバルブ16の基準
電圧データV₁を、 V₁＝ｇ（F,P） …（２） より求める。ここに、ｇ（F,P）はガスの種類によって
一定に決定される関数であり、プログラムROM内に保持
されている。

次に、演算回路37はステップ103において、（２）式に
より求めた基準電圧V₁と温度データＴとによって決定さ
れるバルブ16の正常駆動電圧データV₂を V₂＝V₁・ｈ（Ｔ） …（３） より求る。ここに、ｈ（Ｔ）は基準電圧データ V₁を温度補正するための関数であり、ガスの種類によっ
て一定に決定され、プログラムROM内に保持されてい
る。

次に、演算回路37はステップ104において、許容される
バルブ駆動電圧の誤差Ｋが、|V₂-V_Ｒ｜＜Ｋとなってい
るか否か判定する。即ち、現にバルブ16に与えられてい
るバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒが正常駆動電圧データV₂の誤差Ｋ
の範囲であれば、正常であるからステップ105でレジス
タｎをクリヤしてステップ101へ戻り、誤差Ｋを越える
と、異常であるから、ステップ106においてレジスタｎ
に１を加えて、異常期間（時間）を示す。更に演算回路
37は、ステップ107へ進み、レジスタｎ内のデータｎが
所定値Ｍより小か否かを判定し、異常期間がＭ秒継続し
たか否かを調べる。ここで、ｎ＜Ｍであればステップ10
1へ戻り、ｎ＝Ｍあればステップ108において演算回路37
は異常である旨の信号を出力する。

このように本実施例ではガスの現実の流量、圧力、温度
から一義的に正常なバルブ駆動電圧が決定されることを
利用して、これと実際のバルブ駆動電圧Ｖ_Ｒとの誤差が
所定以上となったときに異常とし、より精度良く質量流
量制御装置の異常を検出することができる。本実施例の
場合において、誤差の電圧を数10〜数100mV以内に設定
すると、流量誤差２〜５％を有するとき異常を検出でき
る。

尚、この実施例ではガスの種類により、前述の（２）、
（３）式の関数が異なり、演算条件を変更しなければな
らぬときに、プログラムROMを変換するだけで対応でき
便利なものである。

また、実施例では、（２）、（３）式を用いて演算を行
なったが、ガスの種類により様々に流量Ｆ、圧力Ｐ、温
度Ｔを変化させて予めV₁、V₂を求めて、これをプログラ
ムROM内に格納しておき、取込んだ流量Ｆ、圧力Ｐ、温
度Ｔに基づくテーブルサーチにより、V₁、V₂を求めるよ
うにしても良い。更に、プログラムROM内に第１図の構
成で用いた|MAXV_Ｒ｜、|MINV_Ｒ｜を格納させておき、マ
イクロプロセッサに判別回路23、タイマ回路25の機能を
この実施例に加えて行なわせるようにしても良い。

更に、以上の実施例では、バルブ駆動電圧を判定の対象
としたが電流を判定の対象として良い。バルブの駆動方
式としては、駆動信号をパルスとして与える方式がある
が、これについても与えられる信号（パルス）を判定の
対象とすることができる。また熱膨脹を利用する以外に
モータソレノイドによりバルブの開度調整を行なうもの
についても制御する信号を判定の対象とすることにより
本発明を実現できる。

更に判定部は質量流量制御装置１内または外に設けるこ
とができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、質量流量信号と圧
力信号と温度信号とから、当該質量流量制御装置の正常
時のバルブ駆動信号に対応するデータを演算し、このデ
ータとバルブ駆動信号に基づいて質量流量制御装置の異
常を判定するので、当該装置が完全にその機能を損なう
前に異常を高精度で検出できる。このため、本発明の装
置を半導体やICの製造プロセスに用いた場合には、製造
プロセスに大きな害が及ぶ前に異常を知ることができ、
その対策を講じる時期を早くでき、保守等の時間を大幅
に短縮できる。従って、シラン系のガスを用いる半導体
の製造プロセスにおいては、センサ管やバルブやバイパ
ス部に微小なゴミが付着するが、このような場合に本発
明は特に有効である。もちろん、本発明はバルブに駆動
信号を与える信号線等が断線した場合やショートした場
合にも、異常検出可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は異常検出機能を有する質量流量制御装置の構成
例の要部ブロック図、第２図は本発明の一実施例の要部
ブロック図、第３図は第２図の装置の動作を説明するた
めのフローチャート、第４図は従来の質量流量制御装置
のブロック図である。 １……質量流量制御装置、２……バイパス部、 ５……センサ管、6A,6B……抵抗発熱体、 12……比較回路、13……設定信号入力端子、 14……バルブ駆動回路、15……バルブヒータ、 16……バルブ、22,34……判定部、 23……判別回路、25……タイマ、 31……圧力センサ、32……温度センサ、 36……A/Dコンバータ、37……演算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−52306（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−101910（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−88712（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量流量センサと、該質量流量センサから
   得られる質量流量データと設定入力される設定質量流量
   データとを比較し、この比較結果に基づきバルブ駆動信
   号を発生する手段と、この手段により発生されたバルブ
   駆動信号により開度調整されるバルブとを具備する質量
   流量制御装置において、 前記質量流量センサが質量流量を検出する対象の流体の
   圧力を検出する圧力センサと、 前記質量流量センサが質量流量を検出する対象の流体の
   温度を検出する温度センサと、 前記質量流量センサにより得られた質量流量信号と前記
   圧力センサにより得られた圧力信号と前記温度センサに
   より得られた温度信号とから、当該質量流量制御装置の
   正常時のバルブ駆動信号に対応するデータを演算して指
   示する正常値指示手段と、 この正常値指示手段により指示されたデータと前記バル
   ブ駆動信号をモニタした信号のデータとに基づき、当該
   質量流量制御装置の正常異常を判定する判定部とを備え
   ることを特徴とする質量流量制御装置。