JP5111780B2 - バルブ制御装置および流量コントローラ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、化学工場、半導体製造、食品、バイオ等の各種産業分野における流体流路に設けられて、流体の流量を制御するバルブ制御装置ならびにこれを有する流量コントローラに関するものである。

従来、例えば、流体流路を流れる流体の量を制御する流量コントローラにおいて、バルブ（以下、「バルブ」という。）の開閉制御に、パルスモータを使用したものが知られている。
上記パルスモータを用いた流量コントローラでは、例えば、駆動時においては、入力パルス数をカウントすることによりバルブの位置制御を行い、また、駆動停止時には、バルブを原点位置に移動させた後、流量コントローラの装置全体を停止状態としている。このような制御を行うことにより、次回の駆動開始時には、バルブが原点位置にあることを前提に制御を行うことが可能となる。

しかしながら、動作途中において何らかの要因により電源が落ちてしまった場合には、バルブは原点位置に移動されないまま、流量コントローラが停止されることとなる。このように、バルブが原点位置に移動される前に、動作が停止してしまった場合には、次の運転開始時において、まず、バルブを原点位置に復帰させる制御（以下「原点復帰制御」という。）を行う必要がある。

上記原点復帰制御として、例えば、特許文献１に開示される手法がある。
特許文献１には、バルブが閉まる方向にパルスモータを駆動し、モータの脱調が検出された場合には、一旦駆動を停止し、その後、更に、バルブが閉まる方向にパルスモータを所定パルス数、駆動して停止させ、最後に、パルスモータをバルブが開く方向に規定のパルス数、駆動して停止することにより、バルブの原点を検出している。
また、特許文献２には、バルブなどの被駆動体の動作位置に応じて出力信号が変化する位置センサを設け、起動時において、パルスモータを所定方向に駆動させるとともに、この駆動中にモータが所定角度駆動されるごとに上記位置センサの出力信号をサンプリングし、このサンプリングの変化パターンに従ってバルブの現在位置を認識し、認識した現在位置に基づいてバルブの原点を設定する技術が開示されている。この技術によれば、バルブなどの被駆動体の位置変化に伴い、原点を更新させるので、原点復帰させる際にパルスモータの駆動量を少なくでき、迅速に通常制御を行わせることが可能となる。
特開２００４−３４８２２７号公報 特開２００３−３４８８９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている発明では、パルスモータを、可動範囲を超えて回転させるおそれがあることから、バルブを駆動するネジ部に咬み込みが生じやすく、この咬み込みの程度によっては、パルスモータを駆動させることができなくなり、装置の故障を招くという問題があった。
また、特許文献２に記載されている発明では、ロータリエンコーダやセンサなどでバルブ位置を特定して原点の設定を行うことから、装置の大型化やコスト高を招くという問題があった。
また、上記原点復帰を容易にするために、リアルタイムでバルブ位置を不揮発性メモリに書き込むことも考えられるが、不揮発性メモリへのデータ書き込み時間は、モータの回転速度に比べて非常に遅いため、リアルタイムでモータの位置を不揮発性メモリに書き込むことは不可能であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、バルブを駆動するネジ部に生ずる咬み込みの問題を解消するとともに、装置の小型化を図ることのできるバルブ制御装置および流量コントローラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブをネジで駆動するバルブ制御装置であって、前記バルブに連結されたパルスモータと、前記パルスモータを制御するモータ制御装置とを備え、前記モータ制御装置は、前記パルスモータへ駆動パルスを与えるモータ制御手段と、前記パルスモータに与えられた駆動パルス数をカウントするカウント手段と、前記モータ制御手段の駆動電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された場合に、前記カウント手段のパルスモータに与えられた駆動パルス数のカウント値を不揮発性メモリに書き込む書き込み手段と、を具備し、前記モータ制御手段は、パルスモータの駆動開始時において、前記不揮発性メモリに書き込まれている前記カウント値を読み出し、該カウント値に基づいて前記パルスモータを駆動することにより、前記バルブを原点に戻す原点復帰制御を行うバルブ制御装置を提供する。

このような構成によれば、バルブに連結されたパルスモータを制御するモータ制御装置が、パルスモータへ駆動パルスを与えるモータ制御手段と、パルスモータに与えられた駆動パルス数をカウントするカウント手段と、モータ制御手段の駆動電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合に、カウント手段のカウント値を不揮発性メモリに書き込む書き込み手段とを備えているので、パルスモータの動作途中において、何らかの要因により電源が落ちてしまった場合には、この状態が速やかに検出され、現時点でのカウント値が不揮発性メモリに保存されることとなる。
これにより、何らかの要因により、バルブを原点位置に移動させる前にモータの駆動が停止してしまった場合でも、現在の位置を記録しておくことが可能となるので、次の運転開始時において、不揮発性メモリからカウント数を読み出すことにより、バルブの位置を容易に把握することができる。この結果、パルスモータ起動時から通常動作に移行するまでの時間を短縮することが可能となる。
また、パルスモータを移動させることなく、位置を把握することができるので、パルスモータを常に可動範囲内で駆動することができる。これにより、ネジ部の咬み込みを解消することができる。
更に、ロータリエンコーダなどの位置検出センサを不要にできるので、装置の小型化を図ることが可能となる。
このように、パルスモータの駆動開始時においては、不揮発性メモリに書き込まれているカウント値が読み出され、このカウント値に基づいてパルスモータを駆動することにより、バルブを原点に戻す原点復帰制御が行われるので、原点復帰制御に要する時間を短縮することができる。

上記バルブ制御装置は、前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された電圧低下検出時から前記モータ制御手段が駆動を停止する駆動停止時までの駆動終結期間を所定の閾値以上とする期間調整手段を備えていても良い。

このような期間調整手段を備えているので、駆動終結期間内において、カウント手段のカウント値を不揮発性メモリに確実に書き込むことができる。これにより、パルスモータ起動時には、バルブ位置を確実に把握することが可能となるので、信頼性を高めることができる。前記所定の閾値は、少なくとも書き込み手段によりカウント値が不揮発性メモリに書き込まれる書き込み期間よりも長く設定されていることを必要とする。

本発明は、流体流路を流れる流体の量を調整するバルブと、請求項１または請求項２のいずれかに記載のバルブ制御装置とを具備する流量コントローラを提供する。

本発明は、流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブに連結されたパルスモータへ駆動パルスを与えるモータ制御手段と、前記パルスモータに与えられた駆動パルス数をカウントするカウント手段と、前記モータ制御手段の駆動電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された場合に、前記カウント手段の前記パルスモータに与えられた駆動パルス数のカウント値を不揮発性メモリに書き込む書き込み手段と、を具備し、前記モータ制御手段は、前記パルスモータの駆動開始時において、前記不揮発性メモリに書き込まれている前記カウント値を読み出し、該カウント値に基づいて前記パルスモータを駆動することにより、前記バルブを原点に戻す原点復帰制御を行うモータ制御装置を提供する。

本発明は、流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブに連結されたパルスモータと、前記パルスモータを制御する請求項４に記載のモータ制御装置とを具備するパルスモータ装置を提供する。

本発明によれば、バルブを駆動するネジ部に生ずる咬み込みの問題を解消するとともに、装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明のモータ制御装置を流量コントローラに適用する場合の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る流量コントローラの概略構成を示した図である。この流量コントローラ１は、流体流路２に設けられ、流体流路２を流れる流体の流量を調整するバルブ３と、バルブ３を駆動するバルブ制御装置４とを主たる構成要素として備えている。バルブ制御装置４は、バルブ３に連結されるパルスモータ５と、パルスモータ５を制御するモータ制御装置６とを備えている。
図２は、図１に示したバルブ３の概略構成を示す図である。図１に示すように、バルブ３は、例えば、弁体としてダイヤフラムニードル１４を備えている。このダイヤフラムニードル１４は、上記パルスモータ５と一体化されてケース２３内に収納されている。

ケース２３内のパルスモータ５は、ケーブル２９を介してモータ制御装置６に接続されており、このケーブル２９を介して供給される駆動信号に基づいて回転角が制御される。
パルスモータ５の回転軸１５ａには、カップリング１６が連結されている。カップリング１６には、スプリング２１を介してスライダ１７が連結されている。このスライダ１７には、ダイヤフラムニードル１４が連結されている。ダイヤフラムニードル１４は、流体流路２に形成されたポート４３に設けられている。
流体流路２を流れる流体の流量は、ダイヤフラムニードル１４とポート４３の下面部との隙間面積によって調整される。

次に、上記バルブ１０の作用について簡単に説明する。
例えば、今、ダイヤフラムニードル１４とポート４３の下面部とが接触しており、ポート４３に流体が流れていない状態、つまり、バルブ全閉状態において、後述するモータ制御装置６からバルブを開く方向に駆動する駆動信号がパルスモータ５に与えられると、回転軸１５ａは、駆動信号に基づいて、ダイヤフラムニードル１４を上昇させる方向（例えば、図１を上方から見て時計方向）に回転する。

この回転により、回転軸１５ａに連結されたカップリング１６が同一方向に回転し、カップリング１６に連結されたスライダ１７がモータシャフトに沿って上方へ移動する。スライダ１７が上方へ移動すると、スライダ１７に連結されたダイヤフラムニードル１４が上昇し、ダイヤフラムニードル１４とポート４３の下面との間に隙間が生じて、バルブ開状態となる。
これにより、ポート４３内に流体が流入し、ポート４３内を満たした流体は、順次、流体出口部４２へ流れ、流体出口部４２から流出される。

このようなバルブ開動作において、ダイヤフラムニードル１４とポート４３の下面との間の隙間面積は、パルスモータ５に与えられる駆動パルスのパルス数によって調整されることとなる。つまり、モータ制御装置６は、パルスモータ５に与えるパルス数を増加させることにより、隙間面積を増加させて、流体流量を増加させる。これに対し、流体流量を減らす場合、また、バルブを閉じる場合には、パルスモータ５に対して閉方向の駆動パルスを与えることにより、パルスモータ５の回転軸１５ａを上記方向とは逆方向（例えば、図１を上方から見て反時計方向）に回転させることで、ダイヤフラムニードル１４とポート４３の下面との間の隙間面積を徐々に減少させ、最終的に、ダイヤフラムニードル１４を全閉状態とすることで、流量をゼロにすることが可能となる。

次に、上記モータ制御装置６について説明する。
図３は、本実施形態に係るモータ制御装置６の概略構成を示したブロック図である。
モータ制御装置６は、駆動電源６１から５Ｖの動作電圧の供給を受けて作動するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」という。）６２と、駆動電源６１から６Ｖの動作電圧の供給を受けて作動するＡ／Ｄ変換器６３と、ＲＯＭなどの不揮発性メモリ６４と、駆動電源６１の電圧低下を検出する電圧低下検出部（電圧低下検出手段）６５とを備えている。
上記マイコン６２は、パルスモータ５に対して駆動パルスを駆動信号として与えるモータ制御部（モータ制御手段）６６、パルスモータ５に与えた駆動パルス数をカウントするカウント部（カウント手段）６７、および電圧低下検出部６５により電圧低下が検出された場合に、カウント部６７のカウント値を不揮発性メモリ６４に書き込む書き込み部６８を備えている。

このような構成を備えるモータ制御装置６において、バルブ３(図１参照)の駆動中においては、マイコン６２に内蔵されるモータ制御部６６がパルスモータ５に対して、バルブ３の開閉目標値に応じた駆動パルスを与える。これにより、パルスモータ５の回転角が所望の角度に制御され、この結果、上述のように、ダイヤフラムニードル１４が上昇あるいは下降することにより、流体流路２を流れる流体の流量が調整される。また、パルスモータ５に与えられた駆動パルス数は、カウント部６７によりカウントされる。

このようなバルブ制御が行われている途中において、何らかの要因により駆動電源６１からの電源供給が遮断された場合には、電圧低下検出部６５によって駆動電源６１の電圧低下が検出され、マイコン６２に通知される。この電圧低下の通知を受けると、マイコン６２の書き込み部６８がカウント部６７からカウント値を読み出し、このカウント値を不揮発性メモリ６４に書き込む。これにより、電源遮断により、駆動途中でパルスモータ５が停止してしまった場合でも、その位置を不揮発性メモリ６４に保存しておくことが可能となるので、起動再開時においてパルスモータ５の位置を容易に把握することができる。

ここで、上述のように、何らかの要因により駆動電源６１からの電圧供給が遮断された場合、電圧低下検出部６５に供給される駆動電源６１からの電圧（以下「電源電圧」という。）は、図４に実線で示すように、時刻ｔ１から徐々に降下し、時刻ｔ５においてゼロとなる。一方、マイコン６２に供給されるマイコン電圧は、図４に点線で示すように、電源電圧が時刻ｔ１において降下し始めた後も所定の期間５Ｖを維持した後、時刻ｔ３から徐々に降下し、時刻ｔ５においてゼロとなる。
このように、電源電圧が降下し始めてからマイコン電圧が降下し始めるまでに時間差（例えば、１３０ｍｓ程度）があり、この期間に書き込み部６８が不揮発性メモリ６４にカウント値を書き込むこととしている。

より具体的には、書き込み部６８が不揮発性メモリ６４に対して書き込みを実施できる期間は、電源電圧が電圧低下検出部６５が基準としている基準電圧Ｖ１よりも低くなることにより、電源電圧の電圧低下が検出される電圧低下検出時（図４における時刻ｔ２）から、マイコン電圧がマイコンの作動最小電圧Ｖ２以下となることにより、マイコン６２の駆動が停止する駆動停止時（図４における時刻ｔ４）までの駆動終結期間となる。
ここで、駆動終結期間は、モータ制御装置６の回路構成等によって決定される値であるため、個体差があり、場合によっては、書き込み部６８によるカウント値の書き込みが完了する前に、マイコン６２の作動が不可能な状況が発生することも考えられる。

そこで、本実施形態に係るモータ制御装置６は、駆動終結期間を所定の閾値以上とするための期間調整要素（期間調整手段）を備えている。所定の閾値とは、少なくともマイコン６２に内蔵されている書き込み部６８がカウント値を不揮発性メモリ６４に書き込む書き込み期間よりも長く設定されていることを必要とする。

例えば、図５に、上記モータ制御装置６の電源系統を示す。図５に示すように、駆動電源６１から出力される２４Ｖの電圧は、マイコン用のＤＣ／ＤＣコンバータ７０に入力され、ここで安定した５Ｖの電圧に降圧された後、マイコン６２に供給される。また、駆動電源６１の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器用の電力変換器７１に入力され、ここで安定した６Ｖの電圧に降圧された後、Ａ／Ｄ変換器６３に供給される。また、駆動電源６１の出力電圧は、直接的に電圧低下検出部６５に入力される。

この場合において、マイコン用のＤＣ／ＤＣコンバータ７０とマイコン６２との間に、コンデンサ（期間調整手段）７４を設けている。これにより、図４に示したマイコン電圧の電圧降下の時期、つまり、時刻ｔ３を遅らせることが可能となる。これにより、駆動終結期間を長くすることができる。なお、コンデンサ７４の容量を調整することで、マイコン電圧の電圧降下の時期を調整することができる。

また、電圧低下検出部６５は、上記駆動終結期間を長くするために、以下のような構成を備えている。
図６は、電圧低下検出部６５の回路構成の一例を示した図である。図６に示すように、駆動電源６１の電源電圧が入力される入力端子９０は、直列に接続されたツェナーダイオード群９１と分圧抵抗Ｒ２とを介してグランドに接続されている。ツェナーダイオード群９１は、９ＶのツェナーダイオードＤ１と、１０ＶのツェナーダイオードＤ３とが直列に接続されて構成されている。ツェナーダイオード群９１と抵抗Ｒ２との中点は、抵抗Ｒ１を介して、例えば、図示しない比較器に接続されている。

このような電圧低下検出部６５の構成によれば、入力端子９０に入力された駆動電源からの２４Ｖの電源電圧は、ツェナーダイオード群（期間調整手段）９１と抵抗Ｒ２とによって分圧され、抵抗Ｒ１を介して図示しない比較器に入力される（以下、比較器に入力された電圧を「検出電圧」という。）。比較器の一端に入力された検出電圧は、比較器の他端に入力されている基準電圧と比較され、この比較結果がマイコン６２に出力される。これにより、入力端子９０に入力される電源電圧が低下することにより、上記検出電圧が基準電圧よりも低くなった場合には、比較器の出力が反転することにより、マイコン６２に対して電圧低下を通知することが可能となる。

この場合において、上記電圧低下検出部６５では、入力端子９０に入力された電源電圧をツェナーダイオード群９１と抵抗Ｒ２とによって分圧している。このように、１９Ｖ（＝９Ｖ＋１０Ｖ）のツェナーダイオード群９１を用いることにより、常に、電源電圧から１９Ｖを差し引いた電圧が検出電圧として比較器に入力されることとなる。
これにより、例えば、図７に示すように、ツェナーダイオード群９１に代えて、抵抗Ｒ５、Ｒ６を採用する場合に比べて、電源電圧の電圧低下を早期に検出することができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係るモータ制御装置６によれば、駆動電源６１からの電圧供給が遮断された場合には、その状態を速やかに検出し、現時点におけるカウント数を不揮発性メモリ６４に記憶するので、運転再開時において、不揮発性メモリ６４からカウント数を読み出すことにより、パルスモータ５の位置、換言すると、バルブ３の位置を容易に把握することができる。これにより、従来の原点検索制御を不要とすることができるので、起動時から通常動作に移行するまでの時間を短縮することが可能となる。

また、パルスモータ５を移動させることなく、位置を把握することができるので、パルスモータを常に可動範囲内で駆動することができる。これにより、ネジ部の咬み込みを解消することができる。更に、ロータリエンコーダなどの位置検出センサを不要にできるので、装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態に係る流量コントローラの起動時には、例えば、モータ制御装置６は、不揮発性メモリ６４に書き込まれているカウント値を読み出し、該カウント値に基づいてパルスモータ５を原点位置に戻すことで、バルブ３を原点に戻し、その後、通常の駆動制御に移行することとしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
上記実施形態においては、モータ制御装置６を流量コントローラ１のバルブ３の制御に用いる場合について説明したが、モータ制御装置６は、上記バルブだけでなく、他の被駆動体の位置制御に使用することも可能である。

本発明の一実施形態に係る流量コントローラの概略構成を示した図である。 図１に示したバルブとパルスモータとが収納されたケースの縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るモータ制御装置の概略構成を示すブロック図である。 駆動電源からの電力供給が遮断された場合の電源電圧の推移と、マイコン電圧の推移とを示した図である。 図３に示したモータ制御装置の電源系統の一例を示した図である。 図３に示した電圧低下検出部の内部構成の一例を示した回路図である。 図３に示した電圧低下検出部の内部構成の他の例を示した回路図である。

符号の説明

１ 流量コントローラ
２ 流体流路
３ バルブ
４ バルブ制御装置
５ パルスモータ
６ モータ制御装置
１４ ダイヤフラムニードル
１５ａ 回転軸
１６ カップリング
１７ スライダ
２１ スプリング
２３ ケース
２９ ケーブル
４３ ポート
６１ 駆動電源
６２ マイクロコンピュータ
６３ Ａ／Ｄ変換器
６４ 不揮発性メモリ
６５ 電圧低下検出部
６６ モータ制御部
６７ カウント部
６８ 書き込み部
７４ コンデンサ
９１ ツェナーダイオード群

Claims (5)

1. 流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブをネジで駆動するバルブ制御装置であって、
   前記バルブに連結されたパルスモータと、
   前記パルスモータを制御するモータ制御装置と
   を備え、
   前記モータ制御装置は、
   前記パルスモータへ駆動パルスを与えるモータ制御手段と、
   前記パルスモータに与えられた駆動パルス数をカウントするカウント手段と、
   前記モータ制御手段の駆動電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
   前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された場合に、前記カウント手段のパルスモータに与えられた駆動パルス数のカウント値を不揮発性メモリに書き込む書き込み手段と、を具備し、
   前記モータ制御手段は、パルスモータの駆動開始時において、前記不揮発性メモリに書き込まれている前記カウント値を読み出し、該カウント値に基づいて前記パルスモータを駆動することにより、前記バルブを原点に戻す原点復帰制御を行うバルブ制御装置。
2. 前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された電圧低下検出時から前記モータ制御手段が駆動を停止する駆動停止時までの駆動終結期間を所定の閾値以上とする期間調整手段を具備する請求項１に記載のバルブ制御装置。
3. 流体流路を流れる流体の量を調整するバルブと、
   請求項１または請求項２に記載のバルブ制御装置と
   を具備する流量コントローラ。
4. 流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブに連結されたパルスモータへ駆動パルスを与えるモータ制御手段と、
   前記パルスモータに与えられた駆動パルス数をカウントするカウント手段と、
   前記モータ制御手段の駆動電源の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
   前記電圧低下検出手段により前記電圧低下が検出された場合に、前記カウント手段の前記パルスモータに与えられた駆動パルス数のカウント値を不揮発性メモリに書き込む書き込み手段と、を具備し、
   前記モータ制御手段は、前記パルスモータの駆動開始時において、前記不揮発性メモリに書き込まれている前記カウント値を読み出し、該カウント値に基づいて前記パルスモータを駆動することにより、前記バルブを原点に戻す原点復帰制御を行うモータ制御装置。
5. 流体流路を流れる流体の流量を調整するバルブに連結されたパルスモータと、
   前記パルスモータを制御する請求項４に記載のモータ制御装置と
   を具備するパルスモータ装置。

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