压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法
压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法
【专利摘要】本发明提供压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法，即使在PID系数等增益设定得大的情况下也能防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在使设定了大的设定压力值时也能在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。阀控制部（3）包括：开度操作量输出部（31），根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部（32），根据设定压力值设定开度操作量的上限值，当从所述开度操作量输出部（31）输出的开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量控制压力控制阀（2）。
【专利说明】压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制流体的压力的压力控制装置、通过所述压力控制装置的压力控制进行流体的流量控制的流量控制装置、压力控制方法、以及流量控制方法。
【背景技术】
[0002]在半导体制造工序等中，为了以规定的一定压力向保持真空的室Y > 〃'一)内导入材料气体等流体，使用压力控制装置。
[0003]具体而言，所述压力控制装置设置在所述室的上游的流路上，由压力传感器、压力控制阀和阀控制部构成，所述阀控制部控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值。
[0004]以往，在通过所述压力控制装置进行的流体的压力控制中，仅有从初始状态经过规定时间后的稳定状态中的压力控制的精度受到重视，但是近年，从初始状态到稳定状态的过渡状态中的压力控制的精度和响应性也逐渐受到重视。
[0005]例如，在半导体制造工序中，要求尽可能缩短过渡状态持续的时间，即，要求尽可能缩短作为从初始状态到成为稳定状态所需的时间的响应时间，并且进一步提高过渡状态中的压力控制的精度和响应性。具体而言，如果设定压力值大，则需要向所述室内填充的流体的流量也会变大，因此存在下述问题:与设定压力值小的情况相比，响应时间变长，从而导致响应性变差。
[0006]作为对这种问题的一个解决方法，可以例举当所述阀控制部通过PID控制来控制所述压力控制阀的开度操作量时，通过设定大的值作为各PID系数(增益)来优化压力控制的响应性。
[0007]然而，如果简单地设定大的值作为PID系数等增益，则虽然在设定压力值大的情况下，通过输入大的开度操作量能缩短响应时间，但是在作为目标值的设定压力值小的情况下，尽管无需向室内填充那么大程度的流体，但由于以过大的开度操作量控制压力控制阀，从而导致压力控制变得不稳定。即，如果以设定压力值大的情况作为基准来设定大的PID系数，则在设定压力值小的情况下会破坏控制的稳定性，如图10所示，在过渡状态中会产生阻尼振荡P」> O义)，还会发生大的上冲(才一A—卜)。为了在所有的设定压力值时都能够兼顾响应性与稳定性，可以根据设定压力值改变PID系数，从而优化响应性并且保持稳定性，但是需要对各设定压力值以实验的方式预先确定PID系数，因此使参数调整非常费事。
[0008]另一方面，专利文献I公开的压力控制装置，不是根据设定压力值适当地改变所述的PID系数，而是通过对过渡状态中的压力控制阀的开度操作量设置上限值(极限)，来防止产生上冲并且得到令人满意的响应性。
[0009]所述压力控制装置包括:PID控制部，对设定压力值和测量压力值的偏差进行PID计算，并输出压力控制阀的开度操作量；以及限制部，在从升压开始时的初始状态到达到稳定状态的过渡响应期间，对从PID控制部输出的开度操作量设定上限值。
[0010]所述限制部以相对于从升压开始时到成为稳定状态所经过的时间成比例的方式提高开度操作量的上限值。即，在以开度操作量的上限值对所述压力控制阀从升压开始时起持续控制的情况下，开度相对于所经过的时间逐渐变大。
[0011]然而，按照所述压力控制装置，由于所述压力控制阀的开度操作量的上限值相对于从升压开始起所经过的时间固定，因此根据设定压力值，达到稳定状态所需的时间会大幅度地变化。具体而言，即使在设定压力值被设定为100%等大的值，并希望在短时间内使压力上升到设定压力值的情况下，由于所述限制部在升压开始时设定的开度操作量的上限值小，所以导致流体不怎么向下游流入，从而压力的上升量也变小。因而，与设定压力值被设定为50%等值的情况相比，设定压力值大的情况下达到达到稳定状态所需的响应时间变得非常长。
[0012]从别的方面考虑，如专利文献I所示，如果使开度操作量的上限值相对于所经过的时间变化，则根据设定压力值，从初始状态到成为稳定状态所需的响应时间会各不相同，不能达到一致。因此，在半导体制造工序中，为了能够将材料气体稳定地导入至室内，将达到稳定状态所需的时间最长的值设定为等待时间，但是特别是在设定压力值小的情况下，将产生多余的待机时间，导致成品率降低。
[0013]此外，在根据从压力式的流量传感器输出的测量流量值进行流量控制的所谓的基于压力的流量控制装置中也同样会发生所述的问题。即，在压力式的流量传感器的情况下，根据产生压力损失的流体阻力的上游和下游的压力来测量流量，例如如果在下游连接室等，则下游的压力变成保持在大体真空或一定值，实际上与通过流量控制阀控制流体阻力的上游的流体的压力的值大体等价。因而，与所述的压力控制装置相同，如果为了在设定流量值大的情况下也能够缩短响应时间而设定大的PID系数，则在设定流量值小的情况下会破坏稳定性，导致产生上冲和阻尼振荡。
[0014]现有技术文献
[0015]专利文献1:日本专利公开公报特开2001-241841号
【发明内容】
[0016]鉴于所述的问题，本发明的目的是提供一种压力控制装置以及压力控制方法，SP使在例如PID系数等增益设定得大的情况下也能够防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在设定了大的设定压力值的情况下也能够在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。此外，本发明的另一个目的是提供一种流量控制装置以及流量控制方法，能够解决流量控制中的与压力控制对应的技术问题。
[0017]S卩，本发明提供一种压力控制装置，其包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；压力控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制部包括:开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
[0018]在此，本说明书中的“开度操作量”是表示所述压力控制阀的绝对开度的量。
[0019]按照所述的压力控制装置，在使压力上升的控制中，所述限制部根据设定压力值来设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，因此在例如设定压力值大、到产生上冲为止比较充裕的情况下，设定大的上限值作为开度操作量的极限值，从而缩短达到达到稳定状态所需的时间，反之，在设定压力值小、如果开度操作量过大则立即产生上冲等的区域中，设定小的开度操作量的上限值使稳定性优先。
[0020]另外，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值时，所述限制部以所设定的上限值的开度操作量控制所述压力控制阀，因此即使例如PID系数等增益设定得大，也能够防止产生上冲等。而且，如果PID系数等增益设定得大，则能够使过渡状态和稳定状态中的对指令值的跟随性和响应性得到优化。
[0021]反之，在从保持为一定压力值的状态到使压力下降到设定压力值的控制中，所述限制部根据设定压力值设定下限值作为开度操作量的极限值，并设定开度操作量的容许范围，因此不论设定压力值有多大都能够缩短响应时间，并且在压力降低量小的情况下能够防止产生上冲和阻尼振荡。
[0022]在从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为所述限制部中所设定的开度操作量的上限值以下的情况下，为了在兼顾响应性和稳定性的状态下进行压力控制，优选的是，所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。
[0023]为了在设定了任意设定压力值的情况下使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。按照该结构，设定压力值越大将开度操作量的上限值设定得越大，因此设定压力值越大就能够使通过所述压力控制阀的流体的量越多，设定压力值越大就能够使每单位时间的压力变化量越大。因此，对于各设定压力值，能够使从初始状态到成为稳定状态所需的时间基本固定。
[0024]为了使设定压力值与从初始状态到成为稳定状态的每单位时间的压力变化量大致成比例、且为了不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，所述限制部对于所经过的时间使开度操作量的上限值针对设定压力值非线性地变化。按照该结构，即使所述压力控制阀的开度和通过的流体的流量之间的关系为非线性关系，也能够以反映这种非线性关系的方式来确定开度操作量的上限值，因此能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。
[0025]例如，为了即使作为压力控制对象的室等的容积发生变化，也使从初始状态到成为稳定状态之间所需的时间总是保持一定而不论设定压力值为多少，优选的是，在过渡状态中所述限制部根据所述压力控制阀的下游的容积来设定开度操作量的上限值。
[0026]特别是在所述压力控制阀的下游的容积大的情况下，为了一边保持响应性和稳定性一边使压力能够在短时间内从初始状态变化到稳定状态，优选的是，所述压力控制阀的下游的容积越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。
[0027]作为用于不论设定压力值为多少都使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致的开度操作量的上限值的设定方法的具体例子，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于在从压力控制开始起经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。
[0028]为了通过更改现有压力控制装置中的程序等来实现作为本发明的压力控制装置的功能，使用以下的压力控制方法即可。所述压力控制方法用于压力控制装置，所述压力控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上，所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制步骤包括:开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
[0029]为了不论设定流量值的大小都能够使从初始状态到达到稳定状态的响应时间基本一致、并且能够防止上冲和阻尼振荡，使用以下的流量控制装置即可。所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；流量控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制部包括:开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
[0030]另外，为了通过更改现有流量控制装置的程序来附加不论设定流量值为多少都使响应时间保持一定且能防止上冲和阻尼振荡的功能，使用以下的流量控制方法即可。所述流量控制方法用于流量控制装置，所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上，所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制步骤包括:开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
[0031]按照本发明的压力控制装置，所述限制部不根据从初始状态经过的时间来改变所述压力控制阀的开度操作量的上限值，而是根据设定压力值确定开度操作量的上限值，因此即使设定压力值是不同的值也能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。另夕卜，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过所述限制部中所设定的开度操作量的上限值时，以该上限值对所述压力控制阀进行控制，所以即使在例如PID系数等增益设定得大而具有高响应的情况下，也能够防止产生上冲等。
【专利附图】
【附图说明】[0032]图1是表示本发明的第一实施方式的压力控制装置的示意图。
[0033]图2是表示第一实施方式的压力控制装置的控制系统的示意性框图。
[0034]图3是表示第一实施方式的压力控制阀的阀特性的图。
[0035]图4是表示第一实施方式的设定压力值与所需的流体的流量的关系的图。
[0036]图5是表示第一实施方式的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。
[0037]图6是表示第一实施方式的压力控制装置的动作的流程图。
[0038]图7是表示第一实施方式的压力控制装置的压力控制结果的一个例子的图。
[0039]图8是表示第一实施方式的压力控制装置的变形例的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。
[0040]图9是表示第二实施方式的流量控制装置的示意图。
[0041]图10是表示在以往的压力控制装置中提高PID系数时产生的问题的图。
[0042]附图标记说明
[0043]100压力控制装置
[0044]I 压力传感器
[0045]2 压力控制阀
[0046]3 阀控制部
[0047]31开度操作量输出部
[0048]32限制部
[0049]4 流量传感器
[0050]5 室
[0051]6 真空泵
[0052]7 流路
【具体实施方式】
[0053]装置结构
[0054]以下参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。
[0055]第一实施方式的压力控制装置100设置在室5的上游，用于在半导体制造工序中以规定的一定压力向室5内导入材料气体和载气等流体。第一实施方式的压力控制装置100不仅在稳定状态中跟随性具有特征，而且在过渡状态中的响应性和稳定性也具有特征，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态过渡到稳定状态所需的时间基本固定。
[0056]若对所述半导体制造工序的概况进行说明，则如图1的示意图所示，从上游开始依次设置有:用于监控流量的流量传感器4、所述压力控制装置100、有规定容积的室5、以及将所述室5内抽成真空的真空泵6。
[0057]如图1所示，所述压力控制装置100包括:压力传感器1，测量流过流路7的流体的压力；压力控制阀2，设置在所述流路7上；以及阀控制部3，根据所述压力传感器I测量出的测量压力值和设定压力值对所述压力控制阀2进行控制。所述压力控制阀2、所述压力传感器1、所述阀控制部3构成一个模块，并且各部件收容在未图示的外壳内。而且，在半导体制造工序的流路7上安装所述压力控制装置100的流入口和流出口，由此可以向二次侧的室5内以规定的压力导入流体。另外，图2表示该压力控制装置100的控制系统的框图。[0058]以下对所述压力控制装置100的各部分进行说明。
[0059]所述压力传感器I设置在所述压力控制阀2的下游，可以测量所述流路7以及所述室5内的压力。
[0060]所述压力控制阀2例如为电磁阀，可以根据从所述阀控制部3施加的电压改变其开度。具体而言，所述压力控制阀2可以是从开度状态为0%的全闭状态到开度状态为100%的全开状态的各种开度状态。如图3的图所示，该压力控制阀2的开度和在该开度时通过的流体的流量具有非线性关系。即，开度和通过的流体的流量的关系具有以下特点:开度小时流量缓慢上升、达到规定的开度以上则流量急剧上升、接近全开时流量的上升量再次变小，在第一实施方式中，在考虑该压力控制阀2的流量特性的基础上进行压力控制。
[0061]所述阀控制部3由具有CPU、存储器、A/D、D/A转换器、输入输出设备等的所谓的计算机或微型计算机等构成，并且通过执行存储在存储器中的程序来实现其功能。所述阀控制部3对所述压力控制阀2进行控制，使得由所述压力传感器I测量出的测量压力值成为设定压力值，并且至少具有作为图2的框图中所示的开度操作量输出部31和限制部32的功能。
[0062]所述开度操作量输出部31根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀2的开度操作量。在此，开度操作量表示所述压力控制阀2的绝对开度，例如在全开开度为100%、全闭开度为0%的情况下，开度操作量对应于与O?100%的数值相对应的指令值、电压值、信号量。即，开度操作量不是表示从当前的压力控制阀2的开度只要变化多少开度即可的相对值，而是表示绝对值。
[0063]具体而言，如图2的框图所示，所述开度操作量输出部31接收测量压力值和设定压力值的偏差，并使用预先设定的PID系数对该偏差进行PID计算，将开度操作量输出至所述限制部32。在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数在本实施方式中相对于设定压力值总是使用相同值，例如，考虑稳定状态中的设定压力值和测量压力值的容许差、过渡状态中的响应性、对干扰的稳健性等来设定在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数。此外，由于以稳定状态中的响应性和对干扰的稳定性为优先来设定在所述开度操作量输出部31中设定的PID系数，因此当直接使用从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量时，在过渡状态中有发生阻尼振荡和上冲等的可能性。
[0064]所述限制部32接收作为指令值输入的设定压力值，根据设定压力值设定开度操作量的上限值(极限值)，并设定开度操作量的容许范围，并且接收从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量，当该开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量来控制所述压力控制阀2。另外，当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量在上限值以下时，所述限制部32以从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2。换句话说，所述限制部32具有以下功能:作为极限值设定部(未图示)的功能，根据设定压力值来设定极限值；以及作为开度控制部(未图示)的功能，根据由极限值设定部设定的极限值和从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2的开度。
[0065]接下来，对用于确定所述限制部32的开度操作量的上限值、设定开度操作量的容许范围的结构进行详细说明。
[0066]所述限制部32根据设定压力值、在第一实施方式中由室5的容积V代表的所述压力控制阀2的下游的容积、以及所述压力控制阀2的流量特性来设定开度操作量的上限值。[0067]具体而言，在第一实施方式中，所述开度操作量的上限值根据在目标响应时间内达到设定压力所需的流体的流量来确定，所述目标响应时间是从开始进行压力控制的初始状态到以设定压力值附近的压力保持在大体一定压力的稳定状态所需的时间的目标值。
[0068]从初始状态到成为设定压力值所需的流量可以根据气体的状态方程式用以下的计算式I计算。
[0069]计算式1:
【权利要求】
1.一种压力控制装置，其特征在于， 所述压力控制装置包括: 压力传感器，测量流过流路的流体的压力； 压力控制阀，设置在所述流路上；以及 阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值， 所述阀控制部包括: 开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及 限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀， 所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
2.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于， 所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值， 当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。
3.根据权利要求2所述`的压力控制装置，其特征在于，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。
4.根据权利要求2所述的压力控制装置，其特征在于，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于从压力控制开始经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。
5.一种压力控制方法，用于压力控制装置，所述压力控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上， 所述压力控制方法的特征在于， 所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值， 所述阀控制步骤包括: 开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及 限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀， 在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
6.一种流量控制装置，其特征在于， 所述流量控制装置包括: 压力传感器，测量流过流路的流体的压力； 流量控制阀，设置在所述流路上；以及 阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值， 所述阀控制部包括: 开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及 限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀， 所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
7.一种流量控制方法，用于流量控制装置，所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上， 所述流量控制方法的特征在于， 所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值， 所述阀控制步骤包括: 开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及 限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀， 在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
【文档编号】G05D16/20GK103529869SQ201310275956
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】瀧尻兴太郎 申请人:株式会社堀场Stec
【专利摘要】本发明提供压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法，即使在PID系数等增益设定得大的情况下也能防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在使设定了大的设定压力值时也能在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。阀控制部（3）包括：开度操作量输出部（31），根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部（32），根据设定压力值设定开度操作量的上限值，当从所述开度操作量输出部（31）输出的开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量控制压力控制阀（2）。
【专利说明】压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制流体的压力的压力控制装置、通过所述压力控制装置的压力控制进行流体的流量控制的流量控制装置、压力控制方法、以及流量控制方法。
【背景技术】
[0002]在半导体制造工序等中，为了以规定的一定压力向保持真空的室Y > 〃'一)内导入材料气体等流体，使用压力控制装置。
[0003]具体而言，所述压力控制装置设置在所述室的上游的流路上，由压力传感器、压力控制阀和阀控制部构成，所述阀控制部控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值。
[0004]以往，在通过所述压力控制装置进行的流体的压力控制中，仅有从初始状态经过规定时间后的稳定状态中的压力控制的精度受到重视，但是近年，从初始状态到稳定状态的过渡状态中的压力控制的精度和响应性也逐渐受到重视。
[0005]例如，在半导体制造工序中，要求尽可能缩短过渡状态持续的时间，即，要求尽可能缩短作为从初始状态到成为稳定状态所需的时间的响应时间，并且进一步提高过渡状态中的压力控制的精度和响应性。具体而言，如果设定压力值大，则需要向所述室内填充的流体的流量也会变大，因此存在下述问题:与设定压力值小的情况相比，响应时间变长，从而导致响应性变差。
[0006]作为对这种问题的一个解决方法，可以例举当所述阀控制部通过PID控制来控制所述压力控制阀的开度操作量时，通过设定大的值作为各PID系数(增益)来优化压力控制的响应性。
[0007]然而，如果简单地设定大的值作为PID系数等增益，则虽然在设定压力值大的情况下，通过输入大的开度操作量能缩短响应时间，但是在作为目标值的设定压力值小的情况下，尽管无需向室内填充那么大程度的流体，但由于以过大的开度操作量控制压力控制阀，从而导致压力控制变得不稳定。即，如果以设定压力值大的情况作为基准来设定大的PID系数，则在设定压力值小的情况下会破坏控制的稳定性，如图10所示，在过渡状态中会产生阻尼振荡P」> O义)，还会发生大的上冲(才一A—卜)。为了在所有的设定压力值时都能够兼顾响应性与稳定性，可以根据设定压力值改变PID系数，从而优化响应性并且保持稳定性，但是需要对各设定压力值以实验的方式预先确定PID系数，因此使参数调整非常费事。
[0008]另一方面，专利文献I公开的压力控制装置，不是根据设定压力值适当地改变所述的PID系数，而是通过对过渡状态中的压力控制阀的开度操作量设置上限值(极限)，来防止产生上冲并且得到令人满意的响应性。
[0009]所述压力控制装置包括:PID控制部，对设定压力值和测量压力值的偏差进行PID计算，并输出压力控制阀的开度操作量；以及限制部，在从升压开始时的初始状态到达到稳定状态的过渡响应期间，对从PID控制部输出的开度操作量设定上限值。
[0010]所述限制部以相对于从升压开始时到成为稳定状态所经过的时间成比例的方式提高开度操作量的上限值。即，在以开度操作量的上限值对所述压力控制阀从升压开始时起持续控制的情况下，开度相对于所经过的时间逐渐变大。
[0011]然而，按照所述压力控制装置，由于所述压力控制阀的开度操作量的上限值相对于从升压开始起所经过的时间固定，因此根据设定压力值，达到稳定状态所需的时间会大幅度地变化。具体而言，即使在设定压力值被设定为100%等大的值，并希望在短时间内使压力上升到设定压力值的情况下，由于所述限制部在升压开始时设定的开度操作量的上限值小，所以导致流体不怎么向下游流入，从而压力的上升量也变小。因而，与设定压力值被设定为50%等值的情况相比，设定压力值大的情况下达到达到稳定状态所需的响应时间变得非常长。
[0012]从别的方面考虑，如专利文献I所示，如果使开度操作量的上限值相对于所经过的时间变化，则根据设定压力值，从初始状态到成为稳定状态所需的响应时间会各不相同，不能达到一致。因此，在半导体制造工序中，为了能够将材料气体稳定地导入至室内，将达到稳定状态所需的时间最长的值设定为等待时间，但是特别是在设定压力值小的情况下，将产生多余的待机时间，导致成品率降低。
[0013]此外，在根据从压力式的流量传感器输出的测量流量值进行流量控制的所谓的基于压力的流量控制装置中也同样会发生所述的问题。即，在压力式的流量传感器的情况下，根据产生压力损失的流体阻力的上游和下游的压力来测量流量，例如如果在下游连接室等，则下游的压力变成保持在大体真空或一定值，实际上与通过流量控制阀控制流体阻力的上游的流体的压力的值大体等价。因而，与所述的压力控制装置相同，如果为了在设定流量值大的情况下也能够缩短响应时间而设定大的PID系数，则在设定流量值小的情况下会破坏稳定性，导致产生上冲和阻尼振荡。
[0014]现有技术文献
[0015]专利文献1:日本专利公开公报特开2001-241841号
【发明内容】
[0016]鉴于所述的问题，本发明的目的是提供一种压力控制装置以及压力控制方法，SP使在例如PID系数等增益设定得大的情况下也能够防止阻尼振荡和上冲而不改变所述增益，即使在设定了大的设定压力值的情况下也能够在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。此外，本发明的另一个目的是提供一种流量控制装置以及流量控制方法，能够解决流量控制中的与压力控制对应的技术问题。
[0017]S卩，本发明提供一种压力控制装置，其包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；压力控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制部包括:开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
[0018]在此，本说明书中的“开度操作量”是表示所述压力控制阀的绝对开度的量。
[0019]按照所述的压力控制装置，在使压力上升的控制中，所述限制部根据设定压力值来设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，因此在例如设定压力值大、到产生上冲为止比较充裕的情况下，设定大的上限值作为开度操作量的极限值，从而缩短达到达到稳定状态所需的时间，反之，在设定压力值小、如果开度操作量过大则立即产生上冲等的区域中，设定小的开度操作量的上限值使稳定性优先。
[0020]另外，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过上限值时，所述限制部以所设定的上限值的开度操作量控制所述压力控制阀，因此即使例如PID系数等增益设定得大，也能够防止产生上冲等。而且，如果PID系数等增益设定得大，则能够使过渡状态和稳定状态中的对指令值的跟随性和响应性得到优化。
[0021]反之，在从保持为一定压力值的状态到使压力下降到设定压力值的控制中，所述限制部根据设定压力值设定下限值作为开度操作量的极限值，并设定开度操作量的容许范围，因此不论设定压力值有多大都能够缩短响应时间，并且在压力降低量小的情况下能够防止产生上冲和阻尼振荡。
[0022]在从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为所述限制部中所设定的开度操作量的上限值以下的情况下，为了在兼顾响应性和稳定性的状态下进行压力控制，优选的是，所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。
[0023]为了在设定了任意设定压力值的情况下使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。按照该结构，设定压力值越大将开度操作量的上限值设定得越大，因此设定压力值越大就能够使通过所述压力控制阀的流体的量越多，设定压力值越大就能够使每单位时间的压力变化量越大。因此，对于各设定压力值，能够使从初始状态到成为稳定状态所需的时间基本固定。
[0024]为了使设定压力值与从初始状态到成为稳定状态的每单位时间的压力变化量大致成比例、且为了不论设定压力值为多少都能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间基本固定，优选的是，所述限制部对于所经过的时间使开度操作量的上限值针对设定压力值非线性地变化。按照该结构，即使所述压力控制阀的开度和通过的流体的流量之间的关系为非线性关系，也能够以反映这种非线性关系的方式来确定开度操作量的上限值，因此能够使从初始状态到达到稳定状态所需的响应时间一致。
[0025]例如，为了即使作为压力控制对象的室等的容积发生变化，也使从初始状态到成为稳定状态之间所需的时间总是保持一定而不论设定压力值为多少，优选的是，在过渡状态中所述限制部根据所述压力控制阀的下游的容积来设定开度操作量的上限值。
[0026]特别是在所述压力控制阀的下游的容积大的情况下，为了一边保持响应性和稳定性一边使压力能够在短时间内从初始状态变化到稳定状态，优选的是，所述压力控制阀的下游的容积越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。
[0027]作为用于不论设定压力值为多少都使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致的开度操作量的上限值的设定方法的具体例子，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于在从压力控制开始起经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。
[0028]为了通过更改现有压力控制装置中的程序等来实现作为本发明的压力控制装置的功能，使用以下的压力控制方法即可。所述压力控制方法用于压力控制装置，所述压力控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上，所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值，所述阀控制步骤包括:开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀，在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
[0029]为了不论设定流量值的大小都能够使从初始状态到达到稳定状态的响应时间基本一致、并且能够防止上冲和阻尼振荡，使用以下的流量控制装置即可。所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；流量控制阀，设置在所述流路上；以及阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制部包括:开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
[0030]另外，为了通过更改现有流量控制装置的程序来附加不论设定流量值为多少都使响应时间保持一定且能防止上冲和阻尼振荡的功能，使用以下的流量控制方法即可。所述流量控制方法用于流量控制装置，所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上，所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值，所述阀控制步骤包括:开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀，在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
[0031]按照本发明的压力控制装置，所述限制部不根据从初始状态经过的时间来改变所述压力控制阀的开度操作量的上限值，而是根据设定压力值确定开度操作量的上限值，因此即使设定压力值是不同的值也能够使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。另夕卜，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量超过所述限制部中所设定的开度操作量的上限值时，以该上限值对所述压力控制阀进行控制，所以即使在例如PID系数等增益设定得大而具有高响应的情况下，也能够防止产生上冲等。
【专利附图】
【附图说明】[0032]图1是表示本发明的第一实施方式的压力控制装置的示意图。
[0033]图2是表示第一实施方式的压力控制装置的控制系统的示意性框图。
[0034]图3是表示第一实施方式的压力控制阀的阀特性的图。
[0035]图4是表示第一实施方式的设定压力值与所需的流体的流量的关系的图。
[0036]图5是表示第一实施方式的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。
[0037]图6是表示第一实施方式的压力控制装置的动作的流程图。
[0038]图7是表示第一实施方式的压力控制装置的压力控制结果的一个例子的图。
[0039]图8是表示第一实施方式的压力控制装置的变形例的设定压力值和开度操作量的上限值的关系的图。
[0040]图9是表示第二实施方式的流量控制装置的示意图。
[0041]图10是表示在以往的压力控制装置中提高PID系数时产生的问题的图。
[0042]附图标记说明
[0043]100压力控制装置
[0044]I 压力传感器
[0045]2 压力控制阀
[0046]3 阀控制部
[0047]31开度操作量输出部
[0048]32限制部
[0049]4 流量传感器
[0050]5 室
[0051]6 真空泵
[0052]7 流路
【具体实施方式】
[0053]装置结构
[0054]以下参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。
[0055]第一实施方式的压力控制装置100设置在室5的上游，用于在半导体制造工序中以规定的一定压力向室5内导入材料气体和载气等流体。第一实施方式的压力控制装置100不仅在稳定状态中跟随性具有特征，而且在过渡状态中的响应性和稳定性也具有特征，不论设定压力值为多少都能够使从初始状态过渡到稳定状态所需的时间基本固定。
[0056]若对所述半导体制造工序的概况进行说明，则如图1的示意图所示，从上游开始依次设置有:用于监控流量的流量传感器4、所述压力控制装置100、有规定容积的室5、以及将所述室5内抽成真空的真空泵6。
[0057]如图1所示，所述压力控制装置100包括:压力传感器1，测量流过流路7的流体的压力；压力控制阀2，设置在所述流路7上；以及阀控制部3，根据所述压力传感器I测量出的测量压力值和设定压力值对所述压力控制阀2进行控制。所述压力控制阀2、所述压力传感器1、所述阀控制部3构成一个模块，并且各部件收容在未图示的外壳内。而且，在半导体制造工序的流路7上安装所述压力控制装置100的流入口和流出口，由此可以向二次侧的室5内以规定的压力导入流体。另外，图2表示该压力控制装置100的控制系统的框图。[0058]以下对所述压力控制装置100的各部分进行说明。
[0059]所述压力传感器I设置在所述压力控制阀2的下游，可以测量所述流路7以及所述室5内的压力。
[0060]所述压力控制阀2例如为电磁阀，可以根据从所述阀控制部3施加的电压改变其开度。具体而言，所述压力控制阀2可以是从开度状态为0%的全闭状态到开度状态为100%的全开状态的各种开度状态。如图3的图所示，该压力控制阀2的开度和在该开度时通过的流体的流量具有非线性关系。即，开度和通过的流体的流量的关系具有以下特点:开度小时流量缓慢上升、达到规定的开度以上则流量急剧上升、接近全开时流量的上升量再次变小，在第一实施方式中，在考虑该压力控制阀2的流量特性的基础上进行压力控制。
[0061]所述阀控制部3由具有CPU、存储器、A/D、D/A转换器、输入输出设备等的所谓的计算机或微型计算机等构成，并且通过执行存储在存储器中的程序来实现其功能。所述阀控制部3对所述压力控制阀2进行控制，使得由所述压力传感器I测量出的测量压力值成为设定压力值，并且至少具有作为图2的框图中所示的开度操作量输出部31和限制部32的功能。
[0062]所述开度操作量输出部31根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀2的开度操作量。在此，开度操作量表示所述压力控制阀2的绝对开度，例如在全开开度为100%、全闭开度为0%的情况下，开度操作量对应于与O?100%的数值相对应的指令值、电压值、信号量。即，开度操作量不是表示从当前的压力控制阀2的开度只要变化多少开度即可的相对值，而是表示绝对值。
[0063]具体而言，如图2的框图所示，所述开度操作量输出部31接收测量压力值和设定压力值的偏差，并使用预先设定的PID系数对该偏差进行PID计算，将开度操作量输出至所述限制部32。在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数在本实施方式中相对于设定压力值总是使用相同值，例如，考虑稳定状态中的设定压力值和测量压力值的容许差、过渡状态中的响应性、对干扰的稳健性等来设定在所述开度操作量输出部31中使用的PID系数。此外，由于以稳定状态中的响应性和对干扰的稳定性为优先来设定在所述开度操作量输出部31中设定的PID系数，因此当直接使用从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量时，在过渡状态中有发生阻尼振荡和上冲等的可能性。
[0064]所述限制部32接收作为指令值输入的设定压力值，根据设定压力值设定开度操作量的上限值(极限值)，并设定开度操作量的容许范围，并且接收从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量，当该开度操作量超过上限值时，以上限值的开度操作量来控制所述压力控制阀2。另外，当从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量在上限值以下时，所述限制部32以从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2。换句话说，所述限制部32具有以下功能:作为极限值设定部(未图示)的功能，根据设定压力值来设定极限值；以及作为开度控制部(未图示)的功能，根据由极限值设定部设定的极限值和从所述开度操作量输出部31输出的开度操作量来控制所述压力控制阀2的开度。
[0065]接下来，对用于确定所述限制部32的开度操作量的上限值、设定开度操作量的容许范围的结构进行详细说明。
[0066]所述限制部32根据设定压力值、在第一实施方式中由室5的容积V代表的所述压力控制阀2的下游的容积、以及所述压力控制阀2的流量特性来设定开度操作量的上限值。[0067]具体而言，在第一实施方式中，所述开度操作量的上限值根据在目标响应时间内达到设定压力所需的流体的流量来确定，所述目标响应时间是从开始进行压力控制的初始状态到以设定压力值附近的压力保持在大体一定压力的稳定状态所需的时间的目标值。
[0068]从初始状态到成为设定压力值所需的流量可以根据气体的状态方程式用以下的计算式I计算。
[0069]计算式1:
【权利要求】
1.一种压力控制装置，其特征在于， 所述压力控制装置包括: 压力传感器，测量流过流路的流体的压力； 压力控制阀，设置在所述流路上；以及 阀控制部，控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值， 所述阀控制部包括: 开度操作量输出部，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及 限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀， 所述限制部根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
2.根据权利要求1所述的压力控制装置，其特征在于， 所述限制部设定上限值作为开度操作量的极限值， 当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量为上限值以下时，以从所述开度操作量输出部输出的开度操作量控制所述压力控制阀。
3.根据权利要求2所述`的压力控制装置，其特征在于，设定压力值越大，所述限制部将开度操作量的上限值设定得越大。
4.根据权利要求2所述的压力控制装置，其特征在于，所述限制部将与所需的流量值对应的开度操作量设定为上限值，所述所需的流量值用于从压力控制开始经过目标时间后使所述压力控制阀的下游的容积中的压力成为设定压力值。
5.一种压力控制方法，用于压力控制装置，所述压力控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力；以及压力控制阀，设置在所述流路上， 所述压力控制方法的特征在于， 所述压力控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值， 所述阀控制步骤包括: 开度操作量输出步骤，根据测量压力值和设定压力值输出所述压力控制阀的开度操作量；以及 限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当在所述开度操作量输出步骤中输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述压力控制阀， 在所述限制步骤中，根据设定压力值设定开度操作量的极限值。
6.一种流量控制装置，其特征在于， 所述流量控制装置包括: 压力传感器，测量流过流路的流体的压力； 流量控制阀，设置在所述流路上；以及 阀控制部，控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值， 所述阀控制部包括: 开度操作量输出部，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及 限制部，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀， 所述限制部根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
7.一种流量控制方法，用于流量控制装置，所述流量控制装置包括:压力传感器，测量流过流路的流体的压力，以及流量控制阀，设置在所述流路上， 所述流量控制方法的特征在于， 所述流量控制方法包括阀控制步骤，所述阀控制步骤控制所述流量控制阀，使得根据由所述压力传感器测量出的测量压力值计算出的测量流量值成为设定流量值， 所述阀控制步骤包括: 开度操作量输出步骤，根据测量流量值和设定流量值输出所述流量控制阀的开度操作量；以及 限制步骤，设定开度操作量的极限值，并且设定开度操作量的容许范围，当从所述开度操作量输出部输出的开度操作量是容许范围外的值时，以极限值的开度操作量控制所述流量控制阀， 在所述限制步骤中，根据设定流量值设定开度操作量的极限值。
【文档编号】G05D16/20GK103529869SQ201310275956
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】瀧尻兴太郎 申请人:株式会社堀场Stec
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