EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

真・MFC千夜一夜物語 第424話 MFCの応答性能 その6

章を改めて巻線型熱式流量センサーを搭載したマスフローメーター(MFM)の応答がマスフローコントローラー(MFC)のそれよりも決して早くはない理由のお話です。
流体に腐食性ガス、毒性、可燃性ガスが多い半導体製造分野では、やはり流体に非接触である巻線型流量センサーが好まれます。
しかし、流体に直接触れない巻線型は応答性の面で不利な方式です。
巻線型流量センサーを搭載したMFCはどうやって応答性能を向上させたのでしょうか?
前回のお話で、流量信号の応答性を良くする方法を検討しましたが、そもそも応答性能1秒以下などという仕様に到達できる程、熱の移動を捉える熱式流量センサーは速くはなりません。
 そこで考えたのは、先に流量制御バルブを動かし始める方法でした。
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どういう意味かというと、これは当然MFCに限られます。
MFCは入力された流量設定信号(以下S.V.)に基づき流量制御を行います。
原則的には流量信号(以下P.V.)とS.V.が一致するように、流量制御バルブを駆動する操作量(以下M.V.)
を可変させているのですが、P.V.が遅いという条件下ではこれをやっていては、高速流量制御はとてもできないですね?
そこで応答時には少し工夫をします。
具体的にはM.V.の波形を補正するのです。
ここからはDecoの推測した方法です。
(必ずしも全てのMFCメーカーがやっている訳ではありませんし、メーカーにより色々なアプローチもありますので、あくまで一例です。) 
“MFCはPID制御をしている”のが前提ですが、応答時は実はPIDでは制御せず、MVに予めSVを何分割(下図は仮に3分割 50/80/100)したステップを踏ませて立ち上がりを制御させます。

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意図的に流量を流し始める事で実際の熱式流量センサー信号レベルでの立ち上がりよりも速く流量制御を高速でやってのけられるようにしているのです。
当然この芸当はMFMではできません。
だから巻線型熱式流量センサーを搭載したMFMの応答がMFCのそれよりも決して早くはないという現象が生じるのです。
これに関してはPIDシュミレータで同じような制御を行わせる為の波形も作ってもらって検証してありますので、興味を持たれた方は講習会などでDecoに聞いてみて頂いても結構ですよ。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan


マスフロー千夜一夜物語を紹介頂きました

今日はDecoがうれしかったことを書かせて頂きます。

一般社団法人半導体産業人協会さんの会報”Encore” No.123(2024年1月)に(株)堀場エステック フェロー(元副社長)理学博士 原清明 さんが”マスフローコントローラの技術的発展と動向”を寄稿されたのですが、その中で日本工業種出版(株) ”計測技術”誌上で連載してます”マスフロー千夜一夜物語”をご紹介頂きました!

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計測技術誌 出典:日本工業出版(株)

原さんと言えば、Decoがマスフローの営業としてデビューした頃には、既に業界の雲の上の方のイメージの方でして、当時(株)リンテックの小野弘文社長(現会長)さんから紹介頂き、お会いした時は大変緊張したものでした。
今の業界の若い方にはわかりにくいかもしれませんが、当時の業界には「俺が誰か知らないのか!」的な強面な方が多かったものですから・・・
ところが原さんは紳士的で丁重かつ気さくに駆け出しの若造に声をかけて頂いた記憶があります。
以後、Decoは競合会社の営業の立場でいる事が多かったにもかかわらず、お会いすると必ず声をかけて頂いてました。
昨年のセミコンジャパン2023でお目にかかった際に「マスフローの寄稿文を書いているんだよ。」とおっしゃっていて、「貴方の連載を参考にさせてもらうから。」と!
まさか業界の重鎮からそんな事を言って頂けるとは思わず、驚いて「いやいや、そんな畏れ多いです!」と声を大きくしてしまいましたが、文中でここまで取り上げて紹介頂けるとは感激の極みです。

業界の大先輩も読んで頂いているのだし、ますます頑張って書き続けねばという気持ちと、もっと”書く”というスキルを上げていかねば!という決意を新たにしました。

原さん、ほんとうにありがとうございます。
先達の皆さんが築いてこられたマスフローコントローラという工業製品のお話を、これからも書き連ねて次世代に語り継いでいこうと思っております。

EZ-Japan Decoこと 黒田 誠




真・MFC千夜一夜物語 第423話 MFCの応答性能 その5

章を改めて巻線型熱式流量センサーを搭載したマスフローメーター(MFM)の応答がマスフローコントローラー(MFC)のそれよりも決して早くはない理由のお話です。
流体に腐食性ガス、毒性、可燃性ガスが多い半導体製造分野では、やはり流体に非接触である巻線型流量センサーが好まれます。
しかし、流体に直接触れない巻線型は応答性の面で不利な方式です。
巻線型流量センサーを搭載したMFCはどうやって応答性能を向上させたのでしょうか?

下図のように実際の流量に対して、巻線型流量センサーのブリッジ回路から得られる生の信号は遅れて出力されます。(あくまで遅れのイメージを説明する為の図ですので、あえて実流量を理想的なステップ応答波形にしていますが、実際はガスではそうなりません。)
この流量信号を用いて設定信号と比較し、流量制御バルブ開度の制御を行えば当然制御が遅れる事になります。
応答性の1秒以内とかいうのは夢の世界なのです。
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このままではよろしくないので、センサー信号に図のような微分信号を加味する方法が考案されました。
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これによりセンサーの応答性は若干改善されるのですが、半導体製造装置、特にエッチャー等で要求された高速応答と言うレベルには至りません。
応答が遅いというのは、流量制御ではただ単にガスの導入が遅れるだけではなく、下手すると過大なガスが流れてしまっているのに、流量制御が間に合わず、そのまま放置してしまいかねないので危険です。
そこで考えられたのが、前回の解説で登場した図なのです。

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【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

MFCとは不思議な機器だと思いませんか?

Decoのマスフロー徒然日記です。
これでもう30年近くこのマスフローコントローラー(MFC)という機器と付き合っているのですが、MFCって不思議な機器だと思うことがあります。

「MFCって流量計ですか?」という質問に対して、「違いますね。」とお答えします。
「MFCって要はバルブだよな?」という投げかけに対しても「違いますね。」とお答えしてます。
後者はDecoの亡くなった親父からの投げかけでした。
実はDecoの父は、船で使われていた大型のバルブの設計者だったんです。
身の丈くらいのサイズの大きなバルブと写真に納まった若き日の親父を見て育ちました。
なので、親父は「なんやかんやいっても、こいつも俺と同じ仕事で飯を食ってるんだ」という思いで、先の言葉を投げてきたんですが、それに理屈で返してしまう優しくない息子でした。

MFCとは流量センサーと流量制御バルブと調整計(PIDコントローラー)を一体にした機器です。
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計装の世界ではこういったオールインワンスタイルで流体制御を行うものは実は稀です。
MFCという存在の方が異端児なんです。
本来流量計とニードルバルブを作業者が目視で流量を読み、手動でニードルバルブを調整していた手動流量制御がこれになります。
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それを自動化したのが、下の図です。
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流量出力が出る流量計に調整計と自動制御弁を組み合わせたスタイルが基本なんですね。
では、MFCがこの3つを一つの器に統合した理由は何でしょう?
それは”大きさ”なんです。
「フットプリントを小さくしたい。」という要求にこたえたわけですが、それはMFCの主戦場である半導体製造装置では非常に重要な要素だったのです。
半導体の製造には危険なガス種が多く、しかもそんなガスを多系統搭載する装置が必要になります。(例えばエッチャーだと1チャンバーに16系統のMFCを接続して、それを4-6チャンバー搭載します。)できるだけリークポイントを少なくするためには一体化が有利です。
そしてそれらをガスボックスに収納して除害システムへ集中排気するレイアウトを取りたいのです。
半導体製造装置で必要な流量レンジが比較的小さいということが幸いし、この統合はうまくいきました。

しかし、この統合を行った故にMFCは非常に独特な機器として、制御屋さんの頭を悩ませる機器になってしまったとも言えるのです。
「あちらを立てれば、こちらが立たず。」なんですねぇ・・・

マスフロー徒然日記 by EZ-Japan Deco













ブロンコスト大流量APC EL-PRESS

ブロンコスト(Bronkhorst High-Tech B.V.)APC(Automatic Pressure Controller)EL-PRESSシリーズは、国内メーカーの製品よりも大変ユニークです。

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図のようにMFC(Mass Flow Controller)とAPCはセンサーが流量センサーなのか?それとも圧力センサーなのかというところが大きな違いで、制御系、流量制御バルブは同じようなものだと再三ご説明してきたともいます。

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出典:ブロンコスト・ジャパン(株)
でも、ブロンコストにはこんなMFCとは異なる形のAPCも存在しているのです。
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出典:ブロンコスト・ジャパン(株)
このタイプはP-502C(圧力センサー+PIDコントローラー)と流量制御バルブを別々にしたものです。つまりAPCを二つに割った形ですね。
なぜこんな形なのでしょう?

それは大流量対応の為なのです。
圧力コントローラーは圧力制御なのになんで大流量対応が必要なの?という疑問には、そもそもこの種のAPCが圧力値を検知して、設定圧力値と一致させるために、流量制御バルブで流量を制御する事である空間にガスを流し込んだり、逆に抜いたりすることで、結果的に圧力を上下させる仕組みだという事を思い出してください。

容器の容積が大きくて、一体型のEL-PRESSのバルブのキャパシティーをオーバーしてしまう場合、こういったKv値の設定が大きい大流量用バルブと組合わせる事でどこまでも大きくできるのです。
上図のような配置も可能です。
P-502Cの出口側はプラグで封止してしまって使用します。

ブロンコストのEL-PRESSに関するお問い合わせはEZ-Japanまで。

EZ-Japanここでもう一押し EZ-Japan Deco



EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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