CN101523319B - 压力调节器及减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在下游侧发生流量变动的情况下也可以高响应高精度地进行压力控制的压力调节器。压力调节器(1)通过伺服阀(11)来限制从气体供给源(10)供给的气体向等温压力容器(13)的流入流量，使等温压力容器(13)内的压力保持恒定。在此，操作伺服阀(11)的压力控制单元(计算机16)将对压力计(14)所测量出的等温压力容器(13)内的压力进行反馈控制的压力控制系统作为主环路，在该主环路内侧构成有：对流量计(12)所测量出的流入流量进行反馈控制的流入流量控制系统；根据流入流量和压力微分计(15)所测量出的等温压力容器(13)内的压力微分值来推测从等温压力容器(13)流出的流出流量的观测器；以及将所推测出的流出流量反馈至流入流量控制系统的模型跟踪控制系统。

Description

压力调节器及减振装置

技术领域

本发明涉及使压力保持恒定的压力调节器及使用该压力调节器的气垫式减振装置。

背景技术

气体的压力控制在半导体制造过程中的惰性气体控制中、以及在作为半导体制造用曝光装置的基座的气垫式减振台、各种气体的分析装置等中不可或缺。以这种用于半导体制造的装置为首的许多领域，都需要精密的压力控制。

在使压力保持恒定的压力调节器中，使用机械反馈机构的压力调节器的售价便宜，因此例如广泛使用带机械反馈功能的导流式精密调节器，不过，当流过较大流量时，会受到其影响，从而在精密测量及控制方面有很大问题。为了避免该情况而可以采用如下方法，即：设置容积大的容器作为缓冲器来降低由使用流量变动引起的影响。不过，当设置容积大的容器时，存在为了设置该容器而要占据较大空间的问题。

因此，本申请的发明人等在专利文献1中提出了一种压力控制装置，该压力控制装置利用气压伺服阀来限制流入压力容器中的空气量，由此将该压力容器内的压力控制为恒定，在该压力控制装置中具有级联控制机构，该级联控制机构包括主环路和次环路，在主环路中，在气压伺服阀的气体出口处配置流量计以测量流入压力容器内的空气的流入流量，并且在压力容器中配置压力计以测量压力容器内的气压，对压力计所测量出的压力进行反馈控制，在次环路中，对流量计所测量出的流入流量进行反馈控制。由此，可高速控制通过气压伺服阀流出的空气的压力。

此外，本申请的发明人等在专利文献2中提出了一种将使用流量控制型伺服阀的气垫作为支撑座的减振装置。

专利文献1：日本特开2004-310478号公报(段落0016～段落0021，图1及图2)

专利文献2：日本特开2006-144859号公报(段落0024～段落0044，图10)

在专利文献1中所提出的压力控制装置通过对流入压力容器的空气的流入流量进行反馈控制而实现了高速压力控制，不过，为了进一步在下游侧也产生流量变动的情况下进行高速压力控制，必须检测并控制从压力容器流出的空气的流出流量。

因此，例如考虑到了还在压力容器的下游侧设置流量计以测量从压力容器流出的流出流量的方法，不过，配置在下游侧的流量计会发生压力损失，所以，难以进行精密的压力控制。

并且，对于专利文献2中所提出的减振装置，为了进一步提高响应性及精度，不仅需要控制气垫的压力，还需要高速高精度地控制向气垫供给空气的供给源的压力。

发明内容

本发明正是鉴于这些问题而完成的，其目的在于提供一种即使在下游侧产生流量变动的情况下也能够进行高响应高精度的压力控制的压力调节器。

另外，本发明的另一目的在于提供一种能够进行高速响应和高精度定位的气垫式减振装置。

本发明正是为了实现上述目的而创造的，权利要求1所述的压力调节器具有：伺服阀，其限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体的流入流量；等温压力容器，其使经由上述伺服阀而流入的压缩性流体保持为等温状态；压力检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力；压力微分值检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值；以及压力控制单元，其操作上述伺服阀，将等温压力容器内的压缩性流体控制为规定的压力，上述压力控制单元具有：压力控制系统，其对上述压力检测单元所检测出的压力进行反馈控制；流入流量控制系统，其对流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流 量进行反馈控制；以及流出流量推测单元，其根据上述压力微分值检测单元所检测出的压力微分值来推测从上述等温压力容器内流出的压缩性流体的流出流量，上述压力控制单元构成有模型跟踪控制系统，该模型跟踪控制系统构成在上述压力控制系统的控制环路内侧，并将上述流出流量推测单元所推测出的流出流量反馈至上述流入流量控制系统。

根据该结构，压力调节器将等温压力容器用作缓冲器，从而可以将该等温压力容器的以空气等气体为代表的压缩性流体的流入过程及流出过程看作等体积及等温变化，所以，可简单地进行压力控制。

为了将该等温压力容器内的压缩性气体控制为规定的压力，而通过伺服阀来限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体向等温压力容器的流入流量。此时，压力调节器利用将对等温压力容器内的压缩性流体的压力进行反馈控制的压力控制系统作为主环路的压力控制单元，来操作伺服阀以抑制流入流量，从而将等温压力容器内的压缩性气体控制为恒压。

在此，压力控制单元利用形成在压力控制系统内侧的作为次环路的流入流量控制系统来对流入等温压力容器的压缩性气体的流入流出流量进行反馈控制，并且通过流出流量推测单元，根据等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值来推测从等温压力容器流出的压缩性流体的流出流量，然后通过将所推测出的流出流量反馈至流入流量控制系统的模型跟踪控制系统来进行补偿。

权利要求2所述的压力调节器具有：伺服阀，其限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体的流入流量；等温压力容器，其使经由上述伺服阀而流入的压缩性流体保持为等温状态；流入流量取得单元，其取得通过上述伺服阀而流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量；压力检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力；压力微分值检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值；以及压力控制单元，其操作上述伺服阀，将上述等温压力容器内的压缩性流体控制为规定的压力，上述压力控制单元具有：压力控制系统，其对上述压力检测单元所检测出的压力进行反馈控制；流入流量控制系统， 其对上述流入流量取得单元所取得的流入流量进行反馈控制；以及流出流量推测单元，其根据上述压力微分值检测单元所检测出的压力微分值和上述流入流量取得单元所取得的流入流量来推测从上述等温压力容器流出的压缩性流体的流出流量，上述流入流量控制系统构成在上述压力控制系统的控制环路内侧，并且上述压力控制单元构成有模型跟踪控制系统，该模型跟踪控制系统将上述流出流量推测单元所推测出的流出流量反馈至上述流入流量控制系统。

根据该结构，压力调节器将等温压力容器用作缓冲器，从而可以将该等温压力容器的以空气等气体为代表的压缩性流体的流入过程及流出过程看作等体积及等温变化，所以，可简单地进行压力控制。

为了将该等温压力容器内的压缩性气体控制为规定的压力，而通过伺服阀来限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体向等温压力容器的流入流量。此时，压力调节器利用将对等温压力容器内的压缩性流体的压力进行反馈控制的压力控制系统作为主环路的压力控制单元，来操作伺服阀以抑制流入流量，从而将等温压力容器内的压缩性气体控制为恒压。

在此，压力控制单元利用形成在压力控制系统内侧的作为次环路的流入流量控制系统来对流入等温压力容器的压缩性流体的流入流量进行反馈控制，并且通过流出流量推测单元，根据等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值和流入等温压力容器的压缩性流体的流入流量来推测从等温压力容器流出的压缩性流体的流出流量，然后通过将所推测出的流出流量反馈至流入流量控制系统的模型跟踪控制系统来进行补偿。

权利要求3所述的压力调节器是在权利要求1或2所述的压力调节器中，上述伺服阀为滑阀式伺服阀。

根据该结构，压力调节器使用作为流量控制型伺服阀的滑阀式伺服阀来进行流入流量控制，所以，例如与使用作为压力控制型的喷嘴挡板式伺服阀的情况相比，可以减少排气量。

权利要求4所述的压力调节器是在权利要求1～3中任意一项所述的压力调节器中，上述压力微分值检测单元是压力微分计，该压力微分计 具有压力室、隔膜式差压计或流速计、连通上述等温压力容器和上述压力室的圆柱形狭缝通道。

根据该结构，由于采用了使用圆柱形狭缝通道的压力微分计，因此可以增大通道剖面积，并减小时间常数。因此，可以作为高速响应的压力微分计。

权利要求5所述的压力调节器是在权利要求2～4中任意一项所述的压力调节器中，上述流入流量取得单元是层流型流量计，该层流型流量计测量经由上述伺服阀而流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量。

根据该结构，使用了压力损失较小的层流型流量计来取得流入流量，所以，可减少流量测量对压力的影响。

权利要求6所述的压力调节器是在权利要求2～5中任意一项所述的压力调节器中，上述流入流量取得单元根据经由上述伺服阀流入上述等温压力容器的压缩性流体的上述伺服阀的前后压力及开度来推测流入流量。

根据该结构，根据经由伺服阀流入上述等温压力容器的压缩性流体的上述伺服阀的前后压力及开度来推测流入流量，并使用动态特性优良的压力传感器将等温压力容器内的压缩性流体高速控制为规定的压力。

权利要求7所述的压力调节器是在权利要求1～6中任意一项所述的压力调节器中，上述流出流量推测单元根据流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量Gin和上述压力微分值检测单元所检测出的上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值(dP/dt)，通过下式(8)来计算从上述等温压力容器流出的压缩性流体的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)。

${\hat{G}}_{\mathrm{out}}=G_{\mathrm{in}}-\frac{V}{\mathrm{R\θ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}...\left(8\right)$

在此，R为气体常数[J/(kg·K)]，V为等温压力容器的容积[m³]，θ为等温压力容器内的空气温度[K]，P为等温压力容器内的压力[Pa]，t为时 间[s]。

根据该结构，构成了将流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)反馈至流入流量控制系统的加法接合点的模型跟踪控制系统，由此能够与下游的流出流量的细微变化对应地进行压力控制，可以构成高速响应外部干扰的压力调节器。

权利要求8所述的减振装置具有：平台；气垫，其支撑上述平台；伺服阀，其限制上述气垫的空气的流入流量和流出流量；权利要求1～7中任意一项所述的压力调节器，其将从空气供给源供给的空气控制为规定的压力并供给至上述伺服阀；位置检测单元，其检测上述平台的位置；加速度检测单元，其检测上述平台的加速度；以及气垫控制单元，其根据上述位置检测单元所检测出的位置和上述加速度检测单元所检测出的加速度来操作上述伺服阀，将上述平台控制在规定位置。

根据该结构，减振装置向伺服阀供给通过压力调节器控制为规定压力的空气，并通过气垫控制单元，根据位置检测单元所检测出的平台的位置和加速度检测单元所检测出的平台的加速度来操作伺服阀，限制气垫的流入流量及流出流量，由此将平台控制在规定位置。

权利要求9所述的减振装置是在权利要求8中所述的减振装置中，上述伺服阀为滑阀式伺服阀。

根据该结构，使用了流量控制型的滑阀式伺服阀来作为向气垫供给空气和使气垫排出空气的伺服阀，因此可以减少排气量。而且，在压力调节器所使用的伺服阀也是滑阀式伺服阀的情况下，能够进一步减少排气量。

根据权利要求1所述的发明，与下游的流出流量的细微变化对应地进行压力控制，因此可以形成高强响应外部干扰的压力调节器。并且，根据压力微分值来推测流出流量，因此与直接测量流出流量的情况相比，可以进行高精度的压力控制。

根据权利要求3所述的发明，由于可以减少排气量，因此可以降低环境负担。

根据权利要求4所述的发明，由于使用了高速响应的压力微分计， 因此可以进一步提高压力调节器的响应性。

根据权利要求5所述的发明，由于减少了流入流量的测量对压力的影响，因此压力调节器可以进行高精度的压力控制。

根据权利要求6所述的发明，可以使用动态特性优良的压力传感器将等温压力容器内的压缩性流体高速控制为规定的压力。

根据权利要求7所述的发明，能够与下游的流出流量的细微变化对应地进行压力控制，从而构成了高强响应外部干扰的压力调节器。

根据权利要求8所述的发明，压力调节器高响应高精度地保持向气垫提供空气的供给源的压力，所以，减振单元可以迅速高精度地稳定平台的位置。

根据权利要求9所述的发明，可以降低使用减振装置所导致的环境负担。

附图说明

图1是示意性示出第1实施方式的压力调节器的结构的结构图。

图2是示意性示出第1实施方式的压力微分计的结构的剖面图。

图3是示意性示出第1实施方式的压力调节器的控制系统的框线图。

图4是示意性示出第2实施方式的压力调节器的结构的结构图。

图5是示意性示出第2实施方式的压力调节器的控制系统的框线图。

图6是示意性示出实验1的实验装置的结构的结构图。

图7是示出实验1中的供给压力的变化的曲线图。

图8是示出实验1的实验结果的曲线图。

图9是示意性示出实验2的实验装置的结构的结构图。

图10是示出实验2中的流出流量的测量值和推测值的曲线图。

图11是示出实验2的实验结果的曲线图。

图12是示出实验3的实验结果的曲线图。

图13是示出压力微分计所测量出的压力微分值和对压力计所测量出的压力值进行离散微分而求出的压力微分值的曲线图。

图14是示意性示出使用本发明的压力调节器的气垫式减振单元的 结构的结构图。

标号说明

1压力调节器；10气体供给源(压缩性流体供给源)；10A空气供给源；11伺服阀；12流量计(流入流量取得单元)；13等温压力容器；14压力计(压力检测单元)；15压力微分计(压力微分值检测单元)；16计算机(压力控制单元、气垫控制单元)；20压力控制系统；23流入流量控制系统；27观测器(流出流量推测单元)；28模型跟踪控制系统；46计算机(压力控制单元)；100减振单元；110减振台；111气垫；112平台；113位置检测器(位置检测单元)；114加速度检测器(加速度检测单元)；115伺服阀；120气垫控制部(气垫控制单元)；151等温压力容器(压力室)；152狭缝通道；153差压计。

具体实施方式

适当参照图面对本发明的实施方式进行详细说明。

(第1实施方式)

<压力调节器的结构>

图1是示意性示出本发明第1实施方式的压力调节器的结构的结构图。

图1所示的压力调节器1包括伺服阀11、流量计12、等温压力容器13、压力计14、压力微分计15、计算机16、A/D(模拟/数字)转换器17以及D/A(数字/模拟)转换器18。各压力设备之间通过导管19a，19b，19c，19d而连接。

本发明第1实施方式的压力调节器1通过伺服阀11来限制从气体供给源10供给的气体流入等温压力容器13的流入流量，以将从等温压力容器13的流出口13b经由导管19d输出的气体保持为规定的恒压。

此外，在本发明的第1实施方式中，将空气作为压缩性流体的例子来进行说明，然而也可以应用于空气以外的、例如以氮气、氢气、二氧化碳等气体为代表的压缩性流体。

此外，在本发明第1实施方式的说明中所使用的主要标记如下所示。

fc：截止频率[Hz]

Gin：流入流量[kg/s]

Gout：流出流量[kg/s]

Kgi：积分增益[Pa·s²/kg]

Kp：压力控制环路的比例增益[kg/(Pa·s)]

Kv：滑阀(spool)式伺服阀的电压/流量增益[kg/(Pa·s)]

L：圆柱式狭缝通道的长度[m]

P：等温压力容器内的压力[Pa]

Pc：压力微分计的容器内的压力[Pa]

Pj：压力微分计的差压计的差压[Pa]

Pref：目标设定压力[Pa]

Ps：从气体供给源供给的空气的供给压力[Pa]

R：气体常数[J/(kg·K)]

r1：狭缝通道的外径(半径)[m]

r2：狭缝通道的内径(半径)[m]

T：时间常数[s]

V：等温压力容器的容积[m³]

Vd：压力微分计的容器的容积[m³]

θ：等温压力容器内的空气温度[K]

μ：空气粘度[Pa·s]

ρa：空气密度[kg/m³]

(气体供给源)

气体供给源(压缩性流体供给源)10是供给作为压缩性流体的空气的供给源，可以使用高压填充有用于供给的空气的贮气瓶。并且，也可以使用压缩机等泵类来供给压缩空气。

(伺服阀)

伺服阀11为流量控制型伺服阀，其控制从气体供给源10经由导管19a而供给的空气向等温压力容器13的流入流量，并且，控制从等温压力容器13逆流回来的空气的流出流量(负流入流量)。为了达到理想效果， 可以使用压力损失少的滑阀式伺服阀。

本发明第1实施方式的伺服阀11是设有吸气口11a、排气口11b以及控制口11c的滑阀式三通阀。根据从计算机16经由D/A转换器18而输出的控制信号(控制电压Ei1)来操作控制口11c、吸气口11a或排气口11b的连接及开度，从而限制流入流量及其方向。

吸气口11a经由导管19a连接至气体供给源10，排气口11b通向大气。并且，控制口11c经由导管19b连接至流量计12。

此外，在使用了具有例如毒性、易燃性或臭味等的、不宜排放到大气中的气体的情况下，只要进行如下废弃处理即可，即：使排气口11b不通向大气，而是通过适当地连接导管来回收所排放的气体，以不对人体等产生影响。

(流量计)

流量计(流入流量取得单元)12用来测量从气体供给源10通过伺服阀11而供给给等温压力容器13的气体的流入流量。与所测量出的空气的流入流量有关的检测信号经由A/D转换器17而发送到计算机16。

此外，在等温压力容器13内的空气从伺服阀11的排气口11b流出的情况下，将其作为负流入流量来测量。在后面的说明中，流入等温压力容器13的“流入流量”也包含该负流入流量的情况。

流量计12可使用层流型流量计、锐孔(orifice)流量计、热流量之类的流量计等，尤其，由于层流型流量计的压力损失小，因此优选使用层流型流量计。另外，流量计可使用差压计，该差压计测量经由伺服阀11流入等温压力容器13的压缩性流体的伺服阀11的前后差压。

并且，层流型流量计例如可以使用本申请发明人等在参考文献1中所提出的层流型流量计。

(参考文献1)

舩木達也、川嶋健嗣、香川利春，“高速応答を有する気体用層流流量計の特性解析”，計測自動制御学会論文集，Vol.40，No.10，pp.1008-1013(2004)

(等温压力容器)

等温压力容器13将通过导管19c从流入口13a流入的气体保持为恒温状态。该等温压力容器13通常由金属形成。

该等温压力容器13的形状可以采用圆柱体、棱柱体、球体、椭圆体等各种形状。例如，在采用圆柱体形状时，使空气从设置在任意一方的底面侧的流入口13a流入，从设置在另外一个底面上的流出口13b流出。此时，空气的流入方向的深度(圆柱高度)优选为剖面的最大宽度(底面直径)的2倍以下。当圆柱高度(深度)处于该范围内时，可抑止空气流入时产生压力梯度。并且，在采用棱柱体形状的情况下，空气的流入方向的深度为剖面中的最大宽度，在为椭圆体时，空气的流入方向的深度为深度方向的中心的剖面上的直径。

该等温压力容器13具有缓冲槽的功能，因此等温压力容器13的内容积V优选为，相对于空气的体积流出流量Qout[NL/min]而处于5.0×10^-6Qout～7.0×10^-5Qout[m³]的范围内，不过也可以根据压力调节器1的响应性的规格适当地确定该内容积V。

在该等温压力容器13的内部填充有由金属细线的捆束体或多孔质金属体构成的表面积较大的导热材料。通过将该导热材料填充到等温压力容器13的内部，可以增大内部的导热面积。另外，可以通过该导热材料来抑制气体流入等温压力容器13以及空气从等温压力容器13流出时等温压力容器13内的空气温度变化。而且，当等温压力容器13也具有较高的导热性时，该导热材料对温度变化的抑制更加有效。

该表面积较大的导热材料可以例如采用钢棉等金属细线的捆束体、铜线等多孔质金属体、或者由棉花或塑料制成的棉状体等。即，在采用金属细线的捆束体、或者由棉花、或塑料制成的棉状体等纤维状的形态时，其纤维直径处于10～50[μm]的范围内，不过优选将导热面积加大。并且，该导热材料的导热率优选为0.05[W/mK]以上。通过调节该导热材料的材质以及填充到等温压力容器13中的填充量等，能够将等温压力容器13所保持的空气的温度变化抑制在3[K]左右。这样，通过在等温压力容器13中填充钢棉等导热材料，可增大等温压力容器13的导热面积。

此外，导热材料的填充密度优选处于200～400[kg/m³]的范围内。当 填充密度处于该范围内时，可充分抑制等温压力容器13内的空气温度变化。

(压力计)

压力计(压力检测单元)14测量等温压力容器13内的空气压力P，并将与其测量结果(压力值)有关的检测信号经由A/D转换器17发送至计算机16。该压力计14只要能够将空气的压力值作为电信号输出，就没有特别的限制。例如，可使用半导体式压力传感器等。另外，压力计14所能够测量的范围优选覆盖大气压～从气体供给源10供给的空气的供给压力Ps的范围。

(压力微分计)

压力微分计(压力微分值检测单元)15测量等温压力容器13内的空气压力P的微分值dP/dt，之后经由A/D转换器17将与该测量结果(压力微分值)有关的检测信号发送至计算机16。

压力微分计15例如可以使用本申请发明人等在参考文献2中提出的压力微分计。

(参考文献2)

日本特开2005-98991号公报

在本发明的第1实施方式中，使用了与上述参考文献2中提出的使用平板狭缝型通道的压力微分计相比，响应性更高的压力微分计。

以下参照图2，说明本发明第1实施方式的压力微分计15的结构。

另外，图2是示意性示出本发明第1实施方式的压力微分计的结构的剖面图。

图2所示的压力微分计15具有等温压力容器151、狭缝通道152及差压计153。

压力微分计15在图2中具有左右端的底面半径为r1的圆柱状外形，在左端侧的底面上形成有开口部154。该开口部154连接至等温压力容器13。

在开口部154的右侧，设有底面半径为r2的圆柱形等温压力容器151，压力微分计15的侧面和该等温压力容器151的侧面构成圆柱形狭 缝通道152。狭缝通道152左端的开口部152a处的空气压力为作为测量对象的等温压力容器13内的空气压力P，并且，与开口部152a相隔通道长度L的右端开口部152b与等温压力容器151的内部连通，开口部152b处的空气压力为等温压力容器151内的空气压力Pc。此外，在压力微分计15的侧面设有差压计153，该差压计153用来测量狭缝通道152的开口部152a和开口部152b处的空气压力差Pj。

等温压力容器(压力室)151与图1所示的压力调节器1的等温压力容器13相同，在内部填充有铜线等导热材料，当空气通过狭缝通道152流入或流出时，迅速吸收或供给热量，将等温压力容器151内的空气温度保持为恒定。等温压力容器151的容积优选处于1.0×10^-8～1.0×10^-4[m³]的范围内。当容积为1.0×10^-8[m³]以上时，具有容易构成等温压力容器151的优点。并且，当容积为1.0×10^-4[m³]以下时，可进行响应快速的测量。

此外，导热材料可以使用与等温压力容器13相同的材料，并以相同的体积比进行填充。

狭缝通道152是被压力微分计15的侧面和等温压力容器151的侧面所包围的圆柱形通道。测量时流过狭缝通道152的空气优选为层流。由此，可使压力和流量具有比例关系，进而可以高精度地测量压力微分值。

差压计153为具有隔膜153a的隔膜式差压计，输出与隔膜153a两面的压力差Pj相应的信号。

此外，例如，也可以使用如具有风箱的差压计的其他方式的差压计。

在此，说明压力微分计15的动作原理。

在测定压力P发生变化时，空气通过狭缝通道152向等温压力容器151流动，从而等温压力容器151内的压力Pc在稍晚时发生变化。当测定此时所产生的差压Pj(＝P-Pc)时，压力微分值dP/dt和差压Pj表示为式(1)所示的一次延迟关系(参考文献3)。

(参考文献3)

川嶋健嗣、藤田壽憲、香川利春，“容器内压力变化にょる压縮性流体の流量計測法”，計測自動制御学会論文集，Vol.32，No.11，pp.1485-1492(1996)

$P_j=\frac{T}{1+\mathrm{Ts}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}...\left(1\right)$

在此，时间常数T表示为式(2)。

$T=\frac{K}{P}=\frac{6P_a\mathrm{\&mu;L}{V}_d}{P{\mathrm{\&rho;}}_a\mathrm{\&pi;}{r}_2{(r_1-r_2)}^3\mathrm{R\&theta;}}...\left(2\right)$

此外，r1及r2分别代表圆柱形狭缝通道152的外径(半径)及内径(半径)。

根据以上，截止频率fc如式(3)所示。

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;T}}=\frac{P{\mathrm{\&rho;}}_a{r}_2{(r_1-r_2)}^3\mathrm{R\&theta;}}{12P_a\mathrm{\&mu;L}{V}_d}...\left(3\right)$

本发明第1实施方式的压力微分计15使用圆柱形狭缝通道，因此，与参考文献2中所提出的使用平板狭缝型通道的压力微分计相比，可加大通道剖面积。因此，可减小时间常数T，可以作为高速响应的压力微分计。

返回图1，继续说明压力调节器1的结构。

(导管)

导管19a、导管19b、导管19c及导管19d分别连接气体供给源10和伺服阀11的吸气口11a、伺服阀11的控制口11c和流量计12、流量计12和等温压力容器13的流入口13a、等温压力容器13的流出口13b和例如减振装置等外部设备。

此外，导管19a、19b、19c、19d的剖面积优选为伺服阀11的有效剖面积的4倍以上。这是因为，当导管19a、19b、19c、19d的剖面积在 此范围内时，几乎可忽略导管所导致的压力下降。

(A/D转换器、D/A转换器)

A/D转换器17将流量计12、压力计14及压力微分计15所检测出的模拟信号转换为数字信号，并将其输出给计算机16。并且，D/A转换器18将来自计算机16的与伺服阀11的开闭或开度有关的数字信号转换为模拟信号，并将其输出给伺服阀11。

(计算机)

计算机(压力控制单元)16经由A/D转换器17而接收如下数字信号：与流量计12所测量出的空气流入流量Gin有关的检测信号、与压力计14所测量出的等温压力容器13内的空气压力P有关的检测信号、以及与压力微分计15所测量出的等温压力容器13内的压力的微分值dP/dt有关的检测信号，并根据这些检测信号，经由D/A转换器18向伺服阀11发送控制电压Ei1，该控制电压Ei1控制经由伺服阀11流入等温压力容器13的空气的流入流量Gin(也包含从伺服阀11的排气口11b流出空气的“负流入流量”的情况)。

在该计算机16中，适当使用流量计12所测量出的空气流入流量Gin、压力计14所测量出的等温压力容器13内的空气压力P、以及压力微分计15所测量出的等温压力容器13内的空气的压力微分值dP/dt，进行用来控制伺服阀11的开闭或开度的运算。

<压力的控制方法>

接着，参照图3(并适当参照图1)，来说明本发明第1实施方式的压力调节器1所进行的压力控制。在此，图3是示意性示出本发明第1实施方式的压力调节器的控制系统的框线图。

如图3所示，本发明第1实施方式的压力调节器1的控制系统的结构将压力控制系统20作为主环路，该压力控制系统20将等温压力容器13内的空气压力P反馈给目标设定压力Pref，进行PI(比例动作、积分动作)控制。

在该主环路内侧，将流入流量控制系统23构成为一个次环路，并且构成有观测器(流入流量推测单元)27，并将模型跟踪控制系统28作为另 一次环路，其中，流入流量控制系统23对经由伺服阀11流入等温压力容器13的空气的流入流量Gin进行反馈控制，观测器27根据流入流量Gin和等温压力容器13内的空气的压力微分值dP/dt来推测从等温压力容器13流出的流出流量Gout，模型跟踪控制系统28将观测器27所推测出的流出流量Gout(上方标有“^”)反馈给流入流量控制系统23来进行补偿。

在压力控制系统20中，反馈作为控制量的压力P，在加法接合点21计算与目标值Pref的偏差。在此，压力P由压力计14来测量。

所计算出的压力偏差被传送至控制组件22，由控制组件22来进行将比例增益设定为Kp的PI控制。由此，计算用来消除压力P的偏差的、向等温压力容器13流入的空气的流入流量的目标值，来作为流入流量控制系统23的控制量，即，流入流量Gin的目标值Gref。此外，压力控制系统20的控制组件22也可以进行PID(比例动作、积分动作、微分动作)控制来取代PI控制。

流入流量控制系统23是在作为主环路的压力控制系统20的内侧所构成的级联环路，进行流入流量Gin的反馈控制。

在流入流量控制系统23中，首先，反馈流量计12所测量出的流入流量Gin，在加法接合点231计算与控制组件22的输出、即流入流量的目标值Gref之间的偏差。并且，对加法接合点231加上观测器27所输出的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)，然后计算将流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)计算在内的流入流量Gin的偏差。

在加法接合点231所计算出的流入流量Gin的偏压传送至控制组件232，由控制组件232乘以积分增益Kgi，计算用于消除流入流量Gin的偏差的、赋予了流入流量Gin的伺服阀11的控制电压Ei1。该控制电压Ei1经由D/A转换器18而发送至伺服阀11，由此，伺服阀11敞开与控制电压Ei1对应的开度，使空气流入等温压力容器13中。

此外，在伺服阀11使用滑阀式伺服阀的情况下，在控制电压Ei1与流入流量Gin之间具有式(4)所示的将Kv作为电压-流量增益的近似比例关系。

Gin＝Kv·Ei1...(4)

于是，可以取代使用流量计12测量流入流量Gin，而使用控制电压Ei1通过式(4)计算并取得流入流量Gin。

这样，通过对流入流量Gin进行反馈控制，可以对偏离电压-流量特性的比例关系的非线性进行补偿，提高压力控制系统20的压力控制精度。

通过将控制电压Ei1发送至伺服阀11，从而在等温压力容器13中从流入口13a流入与控制电压Ei1对应的流入流量Gin的空气，另一方面，经由连接外部设备的导管19d而加上从流出口13b流出的流出流量Gout来作为外部干扰。在图3中，由加法接合点24来表示该外部干扰。

另外，为了进行高响应高精度的压力控制，在压力控制系统20中，需要对该流出流量Gout进行补偿。

可以通过在等温压力容器13的流出口13b的下游侧连接流量计并进行测量来检测流出流量Gout。不过，由于连接流量计，从而流量计导致的压力损失会成为新的外部干扰，因此，肯定存在不利于高响应高精度的压力控制的问题。例如，即使使用压力损失少的层流型流量计，也会因为层流电阻管而产生数百帕的压力损失，所以最好不在下游侧设置流量计。

因此在本发明中设置观测器27，该观测器27根据比流量计的压力损失更少的压力微分计15所测量出的压力微分值dP/dt和流入流量Gin来推测流出流量Gout。

在此，说明流出流量Gout的推测方法。

首先，说明从伺服阀11向等温压力容器13的流入流量Gin、来自等温压力容器13的流出流量Gout以及等温压力容器13内的压力P之间的关系。气体的状态方程式如式(5)所示。其中，V代表等温压力容器13的容积，W代表等温压力容器13内的空气的质量。

PV＝WRθ...(5)

当对式(5)作全微分时，成为式(6)。其中，G＝dW/dt。

$P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}V=\mathrm{GR\&theta;}+\mathrm{WR}\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}...\left(6\right)$

在此，关于等温压力容器13内的空气，当考虑等体积变化(dV/dt＝0)和等温变化(dθ/dt＝0)时，等温压力容器13的流入流量Gin、流出流量Gout以及等温压力容器13内的压力P之间具有式(7)的关系。

$G_{\mathrm{in}}-G_{\mathrm{out}}=\frac{V}{\mathrm{R\&theta;}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}...\left(7\right)$

于是，可根据流入流量Gin和等温压力容器13内的压力微分值dP/dt，通过式(8)来计算流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)。

${\hat{G}}_{\mathrm{out}}=G_{\mathrm{in}}-\frac{V}{\mathrm{R\&theta;}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}...\left(8\right)$

因此，观测器27可以通过利用控制组件271对流入流量Gin及流出流量Gout所伴随的压力变化(压力微分值)dP/dt乘以V/(Rθ)来计算“Gin-Gout”，并在加法接合点272由流入流量Gin减去该值，由此计算出流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)。

模型跟踪控制系统28将该流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)反馈至流入流量控制系统23的加法接合点231，通过构成该模型跟踪控制系统28，能够与下游的流出流量的细微变化对应地进行压力控制，从而可以构成高强响应外部干扰的压力调节器1。

此外，压力微分值dP/dt可以通过对压力计14所测量出的压力P进行离散微分(数值微分)而得到。不过，压力P的离散微分中含有对于细微的压力变动而言显得较大的噪声成分，难以得到良好的反馈信号，所以，优选设置压力微分计15来进行测量。

以上所说明的压力调节器1的压力控制系统20的运算由计算机16来进行，计算机16所计算出的控制电压Ei1经由D/A转换器18而发送至伺服阀11，由此，可将等温压力容器13内的空气控制为规定的恒压。

此外，压力控制系统20的运算可以使用例如PC(Personal Computer：个人计算机)这样的通用计算机来进行，也可以构成专用的运算电路来进 行运算。

<压力调节器的动作>

接着，参照图1说明压力调节器1的动作。

首先，假定处于如下状态：压力调节器1启动，等温压力容器13内的空气压力P稳定在规定的目标值Pref。此时，伺服阀11调节到这样的开度，该开度使从等温压力容器13的流出口13b流出的流出流量Gout与从流入口13a流入的流入流量Gin相平衡。

在此，当气体供给源10的压力Ps或从等温压力容器13流出的流出流量Gout发生变动而导致等温压力容器13内的压力P从目标值Pref变化时，压力调节器1为了补偿气压的变动而通过计算机16，根据经由A/D转换器17接收到的如下这些测量数据来计算针对伺服阀11的控制电压Ei1，并经由D/A转换器18将所计算出的控制电压Ei1发送至伺服阀11，所述测量数据是：流量计12所测量出的流入流量Gin、压力计14所测量出的压力P以及压力微分计15所测量出的压力微分值dP/dt。

伺服阀11将阀门调节为与计算机16所计算出的控制电压Ei1对应开度，使空气以与该开度对应的流入流量Gin流入等温压力容器13。由此来等控制温压力容器13内的空气压力P使其稳定在目标值Pref。

(第2实施方式)

图4是示意性示出本发明第2实施方式的压力调节器的结构的结构图。此外在第4图中，对与图1所示的压力调节器1相同的设备、部位赋予相同的标号。

图4所示的压力调节器41没有在伺服阀11与等温压力容器13之间的导管19b中设置流量计12，而且计算机46中的运算不同，除此之外具有与第1实施方式的压力调节器1相同的结构。因此，以下省略伺服阀11、等温压力容器13、压力计14、压力微分计15、A/D(模拟/数字)转换器17、D/A(数字/模拟)转换器18以及导管19a、19b、19d的说明。

本发明第2实施方式的压力调节器41通过伺服阀11来限制从气体供给源10供给的气体流入等温压力容器13的流入流量，以将从等温压力容器13的流出口13b经由导管19d输出的气体保持为规定的恒压。

此外，在本发明的第2实施方式中，与第1实施方式相同，将空气作为压缩性流体的例子来进行说明，然而也可以应用于空气以外的、例如以氮气、氢气、二氧化碳等气体为代表的压缩性流体。

此外，在本发明第2实施方式中所使用的主要标记(fc，Gin，Gout，Kgi，Kp，Kv，L，P，Pc，Pj，Pref，Ps，R，r1，r2，T，V，Vd，θ，μ，ρa)与上述相同。

(计算机)

在本发明的第2实施方式中，计算机(压力控制单元)46经由A/D转换器17而接收如下数字信号：与压力计14所测量出的等温压力容器13内的空气压力P有关的检测信号、以及与压力微分计15所测量出的等温压力容器13内的压力的微分值dP/dt有关的检测信号，并根据这些检测信号，经由D/A转换器18向伺服阀11发送控制电压Ei2，该控制电压Ei2控制经由伺服阀11流入等温压力容器13的空气的流入流量Gin(也包含从伺服阀11的排气口11b流出空气的“负流入流量”的情况)。

在本发明第2实施方式的计算机46中，适当使用压力计14所测量出的等温压力容器13内的空气压力P、以及压力微分计15所测量出的等温压力容器13内的空气的压力微分值dP/dt，进行用来控制伺服阀11的开闭或开度的运算。

<压力的控制方法>

接着，参照图5(并适当参照图4)来说明本发明第2实施方式的压力调节器41所进行的压力控制。在此，图5是示意性示出本发明第2实施方式的压力调节器的控制系统的框线图。

如图5所示，本发明第2实施方式的压力调节器41的控制系统的结构将压力控制系统50作为主环路，该压力控制系统50将等温压力容器13内的空气压力P反馈给目标设定压力Pref，进行PI(比例动作、积分动作)控制。

在该主环路内侧，构成有观测器(流入流量推测单元)57，并将模型跟踪控制系统58作为次环路，其中，观测器57根据等温压力容器13内的空气的压力微分值dP/dt来推测从等温压力容器13流出的流出流量Gout(上方标有“^”)，模型跟踪控制系统58将观测器57所推测出的流出 流量Gout(上方标有“^”)反馈给流入流量控制系统53来进行补偿。

在压力控制系统50中，反馈作为控制量的压力P，在加法接合点51计算与目标值Pref的偏差。在此，压力P由压力计14来测量。

所计算出的压力偏差被传送至控制组件52，由控制组件52来进行将比例增益设定为Kp的PI控制。由此，计算用来消除压力P的偏差的、向等温压力容器13流入的空气的流入流量的目标值，来作为流入流量控制系统53的控制量，即，流入流量Gin的目标值Gref。此外，压力控制系统50的控制组件52也可以进行PID(比例动作、积分动作、微分动作)控制来取代PI控制。

流入流量控制系统53是在作为主环路的压力控制系统50的内侧所构成的级联环路，进行流入流量Gin的反馈控制。

在流入流量控制系统53中，在加法接合点531计算与控制组件52的输出、即流入流量的目标值Gref之间的偏差。并且，对加法接合点531加上观测器57所输出的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)，然后计算将流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)计算在内的流入流量Gin的偏差。

在加法接合点531所计算出的流入流量Gin的偏压传送至控制组件532，由控制组件532乘以积分增益Kgi，计算用于消除流入流量Gin的偏差的、赋予了流入流量Gin的伺服阀11的控制电压Ei2。该控制电压Ei2经由D/A转换器18而发送至伺服阀11，由此，伺服阀11敞开与控制电压Ei2对应的开度，使空气流入等温压力容器13中。

此外，在伺服阀11使用滑阀式伺服阀的情况下，在控制电压Ei2与流入流量Gin之间具有式(4)所示的将Kv作为电压-流量增益的近似比例关系。

Gin＝Kv·Ei2...(4)

于是，可以使用控制电压Ei2通过式(4)计算并取得流入流量Gin。

这样，通过对流入流量Gin进行反馈控制，可以对偏离电压-流量特性的比例关系的非线性进行补偿，提高压力控制系统50的压力控制精度。

通过将控制电压Ei2发送至伺服阀11，从而在等温压力容器13中从 流入口13a流入与控制电压Ei2对应的流入流量Gin的空气，另一方面，经由连接外部设备的导管19d而加上从流出口13b流出的流出流量Gout来作为外部干扰。

另外，为了进行高响应高精度的压力控制，在压力控制系统50中，需要对该流出流量Gout进行补偿。

在本发明的第2实施方式中设置了观测器57，该观测器57根据比流量计的压力损失更少的压力微分计15所测量出的压力微分值dP/dt来推测流出流量Gout。

在此，说明本发明第2实施方式中的流出流量Gout的推测方法。

首先，说明等温压力容器13的流入流量Gin、来自等温压力容器13的流出流量Gout以及等温压力容器13内的压力P之间的关系。

首先，气体的状态方程式与前面相同，如式(5)所示。其中，V代表等温压力容器13的容积，W代表等温压力容器13内的空气的质量。

PV＝WRθ...(5)

然后，当对式(5)作全微分时，成为上述式(6)。

在此，关于等温压力容器13内的空气，当考虑等体积变化(dV/dt＝0)和等温变化(dθ/dt＝0)时，等温压力容器13的流入流量Gin、流出流量Gout以及等温压力容器13内的压力P之间具有上述式(7)的关系。

因此，观测器57可以通过利用控制组件571对流入流量Gin及流出流量Gout所伴随的压力变化(压力微分值)dP/dt乘以V/(Rθ)来计算“Gin-Gout”。

模型跟踪控制系统58将该流入流量减去流出流量“Gin-Gout”反馈至流入流量控制系统53的加法接合点531，通过构成该模型跟踪控制系统58，能够与下游的流出流量的细微变化对应地进行压力控制，从而可以构成高强响应外部干扰的压力调节器41。

此外，压力微分值dP/dt可以通过对压力计14所测量出的压力P进行离散微分(数值微分)而得到。不过，压力P的离散微分中含有对于细微的压力变动而言显得较大的噪声成分，难以得到良好的反馈信号，所以，优选设置压力微分计15来进行测量。

以上所说明的压力调节器41的压力控制系统50的运算由计算机46来进行，计算机46所计算出的控制电压Ei2经由D/A转换器18而发送至伺服阀11，由此，可将等温压力容器13内的空气控制为规定的恒压。

此外，压力控制系统50的运算可以使用例如PC(Personal Computer：个人计算机)这样的通用计算机来进行，也可以构成专用的运算电路来进行运算。

<压力调节器的动作>

接着，参照图4说明压力调节器41的动作。

首先，假定处于如下状态：压力调节器41启动，等温压力容器13内的空气压力P稳定在规定的目标值Pref。此时，伺服阀11调节到这样的开度，该开度使从等温压力容器13的流出口13b流出的流出流量Gout与从流入口13a流入的流入流量Gin相平衡。

在此，当气体供给源10的压力Ps或从等温压力容器13流出的流出流量Gout发生变动而导致等温压力容器13内的压力P从目标值Pref变化时，压力调节器41为了补偿气压的变动而通过计算机46，根据经由A/D转换器17接收到的如下这些测量数据来计算针对伺服阀11的控制电压Ei2，并经由D/A转换器18将所计算出的控制电压Ei2发送至伺服阀11，所述测量数据是：压力计14所测量出的压力P以及压力微分计15所测量出的压力微分值dP/dt。

伺服阀11将阀门调节为与计算机46所计算出的控制电压Ei2对应开度，使空气以与该开度对应的流入流量Gin流入等温压力容器13。由此来控制等温压力容器13内的空气压力P使其稳定在目标值Pref。

<实验例>

接着，使用本发明的压力调节器1来说明评价针对压力调节器1的上游侧的压力变动和下游侧的流出流量的变动的响应的实验结果。

(压力调节器的构造)

构造出图1所示的压力调节器。各部分的详细规格如下所示。

(伺服阀11)：

滑阀式伺服阀使用五口的“FESTO公司”制造的MYPE-5-M5-SA。塞 住不使用的两个口，仅使用吸气、排气及控制这3个口。

(等温压力容器13)：

使用“东京メ一タ株式会社”制造的容积1.0×10^-3[m³]的容器中以容积率5％封入线径50[μm]的铜线的容器。此外，铜线表面施以涂层。

(流量计12)：

层流型流量计使用插入约320根外径0.5[mm]、内径0.3[mm]、长度50[mm]的细管来构成层流组件的流量计(详细内容参照参考文献1)。

(压力计14)：

压力计使用“豊田工機”公司制造的半导体式PD-64S500K。

(压力微分计15)：

使用图2所示的设置有圆柱形狭缝通道的压力微分计。狭缝通道的外径r1＝1.0×10^-2[m]，内径r2＝0.99×10^-2[m]，通道长度L＝2.5×10^-2[m]，等温压力容器的容量Vd＝8.06×10^-6[m³]。截止频率fc的理论值根据式(3)，在压力P＝300[kPa]下，为67[Hz]。差压计使用“Allsensors”公司制造的测量范围为±1英寸水柱(249[Pa])的差压计，并且，通过产生正弦波形的脉动流的事前实验，确认到该压力微分计可在30[Hz]左右的范围内充分响应。

(控制参数的设定)：

控制参数设定如下。

在图3所示的框线图中，当假定流入流量Gin的控制充分快于压力控制时，压力控制的传递函数如式(9)所示。

$\frac{P}{P_{\mathrm{ref}}}=\frac{1}{1+T_{p}s}=\frac{1}{1+\frac{V}{K_p\mathrm{R\&theta;}}s}...\left(9\right)$

在上游侧或下游侧发生压力变动等外部干扰时压力恢复的稳定时间(到达目标值的95％的时间)以0.3[s]以内为目标，为了达到Tp＝0.1[s]，将压力控制系统20的比例增益设定为Kp＝1.19×10^-7[kg/(Pa·s)]。

接着，在流入流量控制系统23中，在将来自压力控制系统20的控制组件22的输入设为Gref、将伺服阀11的控制电压Ei1所对应的流量增益设为Kv、将流入流量控制系统23的积分增益设为Kgi时，流入流量控制的传递函数如式(10)所示。

$\frac{G_{\mathrm{in}}}{G_{\mathrm{ref}}}=\frac{1}{1+T_{G}s}=\frac{1}{1+\frac{1}{K_v{K}_{\mathrm{gi}}}s}...\left(10\right)$

Kv严格来说为非线性，不过，本实验所使用的滑阀式伺服阀11在将伺服阀11的上游侧的供给压力设为Ps＝500[kPa(abs)]、将下游侧的压力设为P＝800[kPa(abs)]的实验条件下，根据事前测量的静态特性而线性近似为Kv＝2.155×10^-4[kg/(s·V)]。流入流量控制系统23的环路为压力控制系统20的环路中的次环路，所以，控制周期必须充分快于压力控制系统20。于是，为了使Tgi＝0.0075[s](Tp∶TG＝15∶1)而设定为Kgi＝6.19×10⁵[s²·V/kg]。在后述的实验2中设Pref＝300[kPa(abs)]。

为了进行比较，将本发明的压力调节器1置换为市场上所出售的精密调节器(导流式压力调节器)及电空调节器来进行实验。

(精密调节器)：

使用“SMC”公司制造的IR2010-02G。

(电空调节器)：

使用“SMC”公司制造的ITV2050-212BL5。

(实验1：上游侧的压力的变动实验)

在实验1中，使压力调节器1的上游侧产生压力变动，测量通过压力调节器1来稳定压力的状态。

实验装置如图6所示，针对图1所示的压力调节器1，在连接气体供给源10和伺服阀11的导管19a中设置有分支管30和压力计32。来自分支管30的排气流量Gout_up可由可调节流阀进行调节，并在分支管30的下游侧设置有层流型流量计31。通过分支管30将供给至伺服阀11的 空气的一部分排出而使供给压力Ps变动。

排气流量Gout_up及供给至伺服阀11的空气的压力Ps分别由流量计31和压力计32来测量。

此外，在图6中，省略了作为压力调节器1的控制单元的计算机16、A/D转换器17及D/A转换器18(参照图1)的叙述。并且，本实验装置的压力计32及流量计31的测量数据经由A/D转换器17而发送至计算机16，并在计算机16中与流量计12、压力计14及压力微分计15的测量数据一起进行数据处理。

(实验操作)

在图6所示的实验装置中，当压力P充分稳定后，在t≥30[s]时，敞开位于伺服阀11的上游的分支管30的手动阀，放出Gout_up＝6.47×10^-3[kg]的空气。此时的供给压力Ps的变化如图7所示。并且，作为比较对象，使用上述市场上所销售的精密调节器及电空调节器进行相同的实验。

(实验结果)

图8是示出实验1的实验结果的曲线图。在图8中，“A”表示使用本发明的压力调节器1时的压力变化，“B”表示使用精密调节器时的压力变化，“C”表示使用电空调节器时的压力变化。

如图8所示，在使用本发明的压力调节器1的情况下，压力P毫无偏差地稳定在目标值300[kPa]，几乎没有受到供给压力Ps的变动的影响。相对于此，在使用精密调节器及电空调节器的情况下，观察到相对于压力目标值的固定偏差。在使用精密调节器时，下游侧的压力P随着供给压力Ps下降而下降。另一方面，当使用电空调节器时，虽然看不到供给压力Ps的变动的影响，但在t≥39[s]时，压力P上升。这是因为，在t＝39[s]时，供给压力Ps低于电空调节器的阈值而导致调节器的开关动作。

(实验2：下游侧的流出流量的变动实验)

在实验2中，使压力调节器1的下游侧产生使用流量(流出流量)的变动，测量通过压力调节器1来稳定压力的状态。

实验装置如图9所示，针对图1所示的压力调节器1，在压力调节器1的输出侧的导管19d的下游端连接有滑阀式伺服阀33，并且在伺服 阀33的下游侧连接有层流型流量计34。通过对伺服阀33施加控制电压E2来调节伺服阀33的开度，从而使流出流量Gout变动。流出流量Gout由流量计34来测量。

此外，在图9中，省略了作为压力调节器1的控制单元的计算机16、A/D转换器17及D/A转换器18(参照图1)的叙述。并且，本实验装置的流量计34的测量数据经由A/D转换器17而发送至计算机16，并在计算机16中与流量计12、压力计14及压力微分计15的测量数据一起进行数据处理。此外，计算机16经由D/A转换器18向伺服阀33发送控制电压E2，来驱动伺服阀33。

(实验操作)

在图9所示的实验装置中，使针对设置在压力调节器1下游侧的伺服阀33的控制电压E2按照以下方式阶段性变化，使压力调节器1的下游侧产生外部干扰。

当t＜20[s]时，E2＝6.5[V]

当t≥20[s]时，E2＝8.0[V]

图10是示出实验2中的流出流量的测量值和推测值的曲线图。在图10中，“A”表示流量计34所测量出的流出流量Gout，“B”表示通过式(8)推测出的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)。此外，在实验2中也使用上述市场上出售的精密调节器及电空调节器作为比较对象，来进行相同的实验。

(实验结果)

图11是示出实验2的实验结果的曲线图。在图11中，“A”表示使用本发明的压力调节器1时的压力变化，“B”表示使用精密调节器时的压力变化，“C”表示使用电空调节器时的压力变化。

在实验2的结果中，在使用本发明的压力调节器1的情况下，也是毫无偏差地稳定在压力目标值300[kPa]，以0.3[s]左右的时间迅速补偿下游的外部干扰的影响，表现出相对于市场上出售的调节器的优势。

(实验3：对压力计的测量值进行离散微分后来使用的控制实验)

在实验3中，利用图9所示的实验装置，使用对压力计14所测量出 的压力P进行离散微分而求出的压力微分值代替压力微分计15所测量出的压力微分值dP/dt，来计算式(8)的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)。此外，对压力P进行离散微分的数字滤波器与压力微分计15同样地作为不完全微分器，截止频率fc设为67[Hz]。

其他实验条件与实验2相同。

(实验结果)

图12是示出实验3的实验结果的曲线图。在图12中，“A”表示使用压力微分计所测量出的压力微分值的情况，“B”表示使用压力计所测量出的压力值的离散微分的情况。

如图12所示可知，与使用压力微分计的测量值的情况相比，使用离散微分时的固定变动变大。这是因为，对压力计14的测量值进行离散微分导致噪声成分放大。

图13是示出压力微分计所测量出的压力微分值和对压力计所测量出的压力值进行离散微分而求出的压力微分值的曲线图。在图13中，“A”表示压力微分计所测量出的压力微分值，“B”表示对压力计所测量出的压力值进行离散微分而求出的压力微分值。

如图13所示可知，与对压力计14的测量值进行离散微分的压力微分值相比，使用压力微分计15所测量出的压力微分值所导致的变动更小，噪声成分更少。因此可知，使用压力微分计15对于进行高精度的压力控制十分有效。

<减振单元的构造>

接着参照图14，作为本发明的压力调节器1的应用例而说明使用压力调节器1的气垫式减振装置100。在此，图14是示意性示出使用本发明的压力调节器的气垫式减振单元的结构的结构图。

如图14所示，减振装置100由减振台110和气垫控制部120构成。

减振装置100通过伺服阀115来限制气垫111的供气及排气，由此来控制由于振动等而发生位移的平台112的位置，使其稳定在设定位移处。并且，供给至伺服阀115的空气是从空气供给源10A经由压力调节器1而被高精度地保持为恒压来供给的。

在本发明的实施方式中采用如下结构：通过气垫控制部120对平台112的位置及加速度进行反馈控制，计算针对伺服阀115的控制电压E3，来操作伺服阀115。

(减振台)

减振台110由空气供给源10A、压力调节器1、伺服阀115、气垫111、平台112、位置检测器113及加速度检测器114构成。

空气供给源10A是用于向气垫111供给空气的供给源，使用压缩机等泵类来供给压缩空气。此外，还可以使用高压填充有供给空气的贮气瓶。从空气供给源10A供给的空气流入压力调节器1中，调节为规定的压力。

压力调节器1将从空气供给源10A供给的空气调节为规定的压力，并经由伺服阀115将其供给至气垫111，该压力调节器1是图1所示的本发明的压力调节器。

伺服阀115限制针对气垫111的供气及排气。图14所示的本实施方式的伺服阀115是具有吸气口115a、排气口115b及控制口115c的滑阀式伺服阀，也可以使用与图1所示的压力调节器1的伺服阀11相同的伺服阀。

只要能够限制针对气垫111的供气及排气，则伺服阀115也可以使用例如喷嘴挡板式伺服阀，尤其，使用作为排气流量较少的流量控制型伺服阀的滑阀式伺服阀还有助于降低环境负担。

伺服阀115的控制口115c连接至气垫111，吸气口115a连接至压力调节器1，排气口115b通向大气，根据从气垫控制部120经由D/A转换器(未图示)而发送来的控制电压E3，调节控制口115c、吸气口115a或排气口115b的连接切换以及阀门的开度。由此，可以控制针对气垫111的供气及排气。

气垫111由缓冲槽部111a及橡胶风箱111b构成，是橡胶风箱111b随着内部空气压力而伸缩的致动器，也是支撑平台112的支持座。

气垫111与伺服阀115的控制口115c连接，根据伺服阀115的阀门的连接方向及开度来向气垫111供气以及使其排气。

平台112是在减振状态下使用的载物台，例如载置曝光装置等设备。平台112由气垫111支撑，并且，由位置检测器113及加速度检测器114来检测平台112的位置(位置)及加速度。

位置检测器113检测平台112的位置(位移)，并经由A/D转换器(未图示)将所检测出的信号输出至气垫控制部120。位置检测器113可以使用涡电流式位移传感器、静电电容传感器、应用了光电转换元件的位置检测传感器等。

加速度检测器114检测平台112的加速度，并经由A/D转换器(未图示)将所检测出的信号输出至气垫控制部120。加速度检测器114可以使用压电型加速度传感器、静电电容型加速度传感器等。

(气垫控制部)

气垫控制部(气垫控制单元)120在结构上包括滤波器121、滤波器122、比较器123、PI补偿器124及减法器125，并经由A/D转换器(未图示)来接收由减振台110的位置检测器113及加速度检测器114所测量出的平台112的位置及加速度，对所接收到的位置及加速度进行反馈控制，计算针对伺服阀115的控制电压E3，然后经由D/A转换器(未图示)将其发送至伺服阀115。由此来控制伺服阀115，使平台112的位置稳定在作为目标值的设定位移处，并将加速度的变化抑制为最小限度。

气垫控制部120与压力调节器1的控制系统相同，可以使用计算机来实现。并且，压力调节器1的计算机16(参照图1)也可以兼作气垫控制部120。

滤波器121利用适当的放大率和时间常数对位置检测器113所检测出的平台112的位置信号进行滤波处理，并将其输出至比较器123。

滤波器122利用适当的放大率和时间常数对加速度检测器114所检测出的平台112的加速度信号进行滤波处理，并将其输出至减法器125。

比较器123比较平台112的位置目标值即设定位移、和由滤波器121进行滤波处理后的平台112的位置信号(位移信号)，计算位置信号与设定位置之间的偏差，并将其输出至PI补偿器124。

PI补偿器124根据PI控制的控制量即平台112的位置偏差，来计算 用于消除该偏差的针对伺服阀115的控制电压，并将其输出至减法器125。

减法器125将PI补偿器124所计算出的控制电压减去滤波器122对加速度信号进行滤波处理后的信号，而计算出控制电压E3。由此，对加速度进行负反馈，成为附带衰减的控制系统环路，因此可以实现控制机构的稳定。所算出的控制电压E3经由D/A转换器(未图示)而发送至伺服阀115，对伺服阀115的开度进行调节。

在本实施方式中，构成了PI控制系统的反馈环路，不过，也可以构成PID控制系统的反馈环路。并且，虽然对平台112的位置和加速度进行了反馈控制，不过反馈控制的控制量不限于这些控制量，例如，也可以进一步测量气垫111内的空气气压或空气气压的微分值来构成反馈控制系统。

此外，本申请案发明人等在专利文献2中所提出的减振装置对减振装置的控制进行了详细说明。

<减振装置的动作>

接着，参照图14(并适当参照图14)来说明减振装置100的动作。

首先，假定减振单元启动后经过足够长的时间，平台112处于稳定在设定位移处的状态。此时，伺服阀115为关闭状态，不向气垫111流入空气并且不从气垫111流出空气。

在此，当由于来自减振台110的放置面的振动或设置在平台112上的设备的动作等而使平台112的位置发生变动时，根据经由A/D转换器(未图标)接收、并由位置检测器113及加速度检测器114检测出的位置信号及加速度信号，来计算气垫控制部120将平台112的位置稳定在设定位移处所使用的控制电压E3，并经由D/A转换器(未图标)将该控制电压E3输出至伺服阀115。

伺服阀115使阀门敞开与气垫控制部120所算出的控制电压E3对应的开度，向气垫111供给来自吸气口115a的空气或使气垫111向排气口115b排出空气。由此来调剂气垫111内的空气气压，控制气垫111所支撑的平台112的位置，使其稳定在设定位移处。

另一方面，在从空气供给源10A经由压力调节器1向气垫111供气 的情况下，压力调节器1内的气压发生变动。因此，压力调节器1为了补偿气压变动而根据流量计12、压力计14及压力微分计15所分别测量出的流入流量Gin、压力P、压力微分值dP/dt，通过计算机16来计算针对伺服阀11的控制电压Ei1，并将其发送至伺服阀11。

伺服阀11使阀门开启与发送来的控制电压Ei1对应的开度，使空气流入等温压力容器13。由此来控制等温压力容器13内的空气的压力P，使其稳定在目标值Pref。

如以上所说明的那样，本实施方式的减振装置100通过压力调节器1来控制供给至气垫111的空气压力，使其保持在规定的压力。因此，减振单元100以得到压力稳定的空气供给并控制气垫111，能够迅速高精度地稳定由平台112的振动等导致的位移偏差。

Claims (9)

1.一种压力调节器，其特征在于，该压力调节器具有：

伺服阀，其限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体的流入流量；

等温压力容器，其使经由上述伺服阀而流入的压缩性流体保持为等温状态；

压力检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力；

压力微分值检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值；以及

压力控制单元，其操作上述伺服阀，将等温压力容器内的压缩性流体控制为规定的压力，

上述压力控制单元具有：

压力控制系统，其对上述压力检测单元所检测出的压力进行反馈控制；

流入流量控制系统，其对流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量进行反馈控制；以及

流出流量推测单元，其根据上述压力微分值检测单元所检测出的压力微分值来推测从上述等温压力容器内流出的压缩性流体的流出流量，

上述压力控制单元构成有模型跟踪控制系统，该模型跟踪控制系统构成在上述压力控制系统的控制环路内侧，并将上述流出流量推测单元所推测出的流出流量反馈至上述流入流量控制系统。

2.一种压力调节器，其特征在于，该压力调节器具有：

伺服阀，其限制从压缩性流体供给源供给的压缩性流体的流入流量；

等温压力容器，其使经由上述伺服阀而流入的压缩性流体保持为等温状态；

流入流量取得单元，其取得通过上述伺服阀而流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量；

压力检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力；

压力微分值检测单元，其检测上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值；以及

压力控制单元，其操作上述伺服阀，将上述等温压力容器内的压缩性流体控制为规定的压力，

上述压力控制单元具有：

压力控制系统，其对上述压力检测单元所检测出的压力进行反馈控制；

流入流量控制系统，其对上述流入流量取得单元所取得的流入流量进行反馈控制；以及

流出流量推测单元，其根据上述压力微分值检测单元所检测出的压力微分值和上述流入流量取得单元所取得的流入流量来推测从上述等温压力容器流出的压缩性流体的流出流量，

上述流入流量控制系统构成在上述压力控制系统的控制环路内侧，并且上述压力控制单元构成有模型跟踪控制系统，该模型跟踪控制系统将上述流出流量推测单元所推测出的流出流量反馈至上述流入流量控制系统。

3.根据权利要求1或2所述的压力调节器，其特征在于，

上述伺服阀为滑阀式伺服阀。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的压力调节器，其特征在于，

上述压力微分值检测单元是压力微分计，该压力微分计具有压力室、隔膜式差压计或流速计、连通上述等温压力容器和上述压力室的圆柱形狭缝通道。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的压力调节器，其特征在于，

上述流入流量取得单元是层流型流量计，该层流型流量计测量经由上述伺服阀而流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的压力调节器，其特征在于，

上述流入流量取得单元根据经由上述伺服阀流入上述等温压力容器的压缩性流体的上述伺服阀的前后压力及开度来推测流入流量。

7.根据权利要求2～6中任意一项所述的压力调节器，其特征在于，

上述流出流量推测单元根据流入上述等温压力容器的压缩性流体的流入流量Gin和上述压力微分值检测单元所检测出的上述等温压力容器内的压缩性流体的压力微分值(dP/dt)，通过下式(8)来计算从上述等温压

${\hat{G}}_{\mathrm{out}}=G_{\mathrm{in}}-\frac{V}{\mathrm{R\&theta;}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

力容器流出的压缩性流体的流出流量的推测值Gout(上方标有“^”)，

在此，R为气体常数[J/(kg·K)]，V为等温压力容器的容积[m³]，θ为等温压力容器内的空气温度[K]，P为等温压力容器内的压力[Pa]，t为时间[s]。

8.一种减振装置，其特征在于，该减振装置具有：

平台；

气垫，其支撑上述平台；

伺服阀，其限制上述气垫的空气的流入流量和流出流量；

权利要求1～7中任意一项所述的压力调节器，其使从空气供给源供给的空气的压力保持恒定并供给至上述伺服阀；

位置检测单元，其检测上述平台的位置；

加速度检测单元，其检测上述平台的加速度；以及

气垫控制单元，其根据上述位置检测单元所检测出的位置和上述加速度检测单元所检测出的加速度来操作上述伺服阀，将上述平台控制在规定位置。

9.根据权利要求8所述的减振装置，其特征在于，

上述伺服阀为滑阀式伺服阀。

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