CN104220946A - 流量控制装置以及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够实现无过冲且高速的响应控制的流量控制装置以及程序。流量控制装置具备：压电元件，其与构成流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；接收单元，其接收目标流量；以及输出单元，为了使流量变化为与上述接收单元接收到的目标流量一致，该输出单元将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，在该流量控制装置中，在上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元过渡性地输出与对应于变化后的目标流量的目标电压值不同的电压值对应的信号，之后输出与收敛到该目标电压值的电压变化对应的信号。

Description

流量控制装置以及程序

技术领域

本发明涉及一种对流体的流量进行控制的流量控制装置以及程序。

背景技术

针对在半导体、液晶面板等的制造工序中使用的流量控制装置，要求与流量设定值的变化对应的高速的流量响应。因此，存在一种对于流量设定值的变化迅速地改变流量的技术(例如参照专利文献1、2、3)。

专利文献1：美国专利第7603186号公报

专利文献2：日本特开2001-147723号公报

专利文献3：日本特开2012-168822号公报

发明内容

发明要解决的问题

另外，在用于打开和关闭流路的阀的致动器为压电致动器的情况下，其压电元件的电容大。因此，针对流量设定值的变化的压电致动器的位移响应慢，其结果是流量变化的响应也延迟。

专利文献1所涉及的技术为调整用于对流量进行PI控制的参数的技术，无法缩短由压电致动器的位移响应延迟引起的流量响应。在专利文献2所涉及的流量控制方法中，将比流体开始流动时的电压稍低的初始电压施加到压电元件，之后过渡到速度型PID控制。因此，为了加快响应，考虑提高专利文献2所涉及的初始电压。但是，在上述情况下，产生过冲而产品品质下降。专利文献3所涉及的流量控制装置通过数字运算对阀开度的操作量中的相位偏移进行补偿，但是其响应性与以往的流量控制装置中的响应性相同。

本申请是鉴于所述情形而完成的。其目的在于提供一种能够实现无过冲且高速的响应控制的流量控制装置以及程序。

用于解决问题的方案

本申请所涉及的流量控制装置具备：压电元件，其与构成流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；接收单元，其接收目标流量；以及输出单元，为了使流量变换为与上述接收单元接收到的目标流量一致，该输出单元将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，该流量控制装置的特征在于，在上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元过渡性地输出与不同于变化后的目标流量所对应的目标电压值的电压值对应的信号，之后输出与收敛到该目标电压值的电压变化对应的信号。

本申请所涉及的流量控制装置具备输出单元，该输出单元将与驱动电路要施加于压电元件的电压对应的信号输出至驱动电路。在接收到的目标流量发生变化时，输出单元过渡性地输出与不同于变化后的目标流量所对应的目标电压值的电压值对应的信号。输出单元之后输出与收敛到变化后的目标电压值的电压变化对应的信号。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，与在该流量调整阀不处于关闭状态的情况下该目标流量发生变化时相比，上述输出单元向上述驱动电路输出与相对于变化后的目标流量所对应的目标电压值示出更大振幅的电压变化对应的信号。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在流量调整阀处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时，与在流量调整阀不处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时相比，输出单元向驱动电路输出与相对于变化后的目标流量所对应的目标电压值示出更大的振幅的电压变化对应的信号。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元将与钉状的电压变化对应的信号输出到上述驱动电路。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在流量调整阀处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时，输出单元将与钉状的电压变化对应的信号输出到驱动电路。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元输出与阶梯状地上升至比变化后的目标流量所对应的目标电压值高的电压值的电压变化对应的信号，之后将与收敛到该目标电压值的电压变化对应的信号输出到上述驱动电路。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在流量调节阀处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时，输出单元向驱动电路输出与阶梯状地高速地向比目标流量所对应的电压高的电压上升的电压变化对应的信号。

在本申请所涉及的流量控制装置具备：检测单元，其检测流过流路的流体的流量；压电元件，其与构成打开和关闭上述流路的流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；接收单元，其接收流体的目标流量；以及控制单元，其根据该接收单元接收到的目标流量与上述检测单元检测出的流量之间的偏差，将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，由此经由该驱动电路和该压电元件来控制流量，该流量控制装置的特征在于，上述控制单元具有：生成单元，其生成与上述偏差对应的信号；以及补偿单元，其通过包含与上述压电元件的电特性有关的数值以及与该压电元件的响应特性相应的常数的控制要素，对上述生成单元生成的信号进行补偿，其中，将上述补偿单元补偿后的信号输出到上述驱动电路。

在本申请所涉及的流量控制装置中，控制部生成与接收到的目标流量和所检测出的流量之间的偏差对应的信号。控制部所具有的补偿单元通过包含与压电元件的电特性有关的数值及与压电元件的响应特性相应的常数的控制要素来对所生成的信号进行补偿。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述控制要素具有：第一传递函数，其包含与上述压电元件的电特性有关的增益；以及第二传递函数，其包含与上述压电元件的响应特性相应的常数和上述增益。

在本申请所涉及的流量控制装置中，补偿单元所涉及的控制要素具有第一传递函数和第二传递函数。第一传递函数包含与压电元件的电特性有关的增益。第二传递函数包含与压电元件的电特性有关的增益和与压电元件的响应特性相应的常数。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述第一传递函数和上述第二传递函数还包含与上述驱动电路的电特性有关的增益。

在本申请所涉及的流量控制装置中，第一传递函数和第二传递函数包含与驱动电路的电特性有关的增益。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述控制要素与从上述控制单元向上述驱动电路输入信号起至上述压电元件使上述阀体动作为止的响应有关。

在本申请所涉及的流量控制装置中，补偿单元所涉及的控制要素与从控制部向驱动电路输入信号起至压电元件使阀体动作为止的响应有关。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，在关闭上述流量调整阀的情况下，上述控制单元使上述驱动电路施加到上述压电元件的电压向进一步关闭该流量调整阀的方向与使该流量调整阀的阀门开度成为零的电压相差规定电压Vc，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述Vc所得到的信号进行补偿。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在关闭流量控制阀的情况下，控制部使驱动电路施加到压电元件的电压向进一步关闭流量调整阀的方向与使流量调整阀的阀门开度成为零的电压相差规定电压Vc。在流量调整阀处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时，补偿单元对所生成的信号叠加规定电压Vc。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述驱动电路具有输出单元，该输出单元将与施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述控制单元，上述控制单元还具有信号生成单元，该信号生成单元根据上述输出单元输出的信号来生成用于调整上述压电元件的响应特性的反馈信号，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述Vc所得到的信号以及上述信号生成单元生成的反馈信号进行补偿。

在本申请所涉及的流量控制装置中，驱动电路将与施加到压电元件的电压对应的信号输出到控制部。控制部根据驱动电路输出的信号来生成用于调整压电元件的响应特性的反馈信号。补偿单元对所生成的信号叠加规定电压Vc所得到的信号和所生成的反馈信号进行补偿。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，还具备变换单元，该变换单元根据上述第二传递函数来对与上述Vc对应的信号进行变换，上述信号生成单元通过对上述输出单元输出的信号以及上述变换单元变换得到的信号进行补偿来生成反馈信号。

在本申请所涉及的流量控制装置中，变换单元根据第二传递函数对与规定电压Vc对应的信号进行变换。流量控制装置通过对驱动电路输出的信号和变换单元变换得到的信号进行补偿，来生成用于调整压电元件的响应特性的反馈信号。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，还具备缓和单元，该缓和单元使上述Vc的变化缓和，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述缓和单元缓和后的Vc所得到的信号进行补偿。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在关闭流量控制阀的情况下，使驱动电路要施加到压电元件的电压向进一步关闭流量调整阀的方向与使流量调整阀的阀门开度成为零的电压相差规定电压Vc。流量控制装置使该Vc缓和。在流量调整阀处于关闭状态的情况下接收到的目标流量发生变化时，补偿单元对所生成的信号叠加缓和后的Vc。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，还具备缓和单元，该缓和单元使上述Vc的变化缓和，上述变换单元对与上述缓和单元缓和后的Vc对应的信号进行变换，在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述缓和单元缓和后的Vc所得到的信号以及上述信号生成单元生成的反馈信号进行补偿。

在本申请所涉及的流量控制装置中，在关闭流量控制阀的情况下，使驱动电路要施加到压电元件的电压向进一步关闭流量调整阀的方向与使流量调整阀的阀门开度成为零时的电压相差规定电压Vc。流量控制装置使该Vc缓和。变换单元根据第二传递函数对与缓和后的Vc对应的信号进行变换。流量控制装置通过对驱动电路输出的信号和变换单元对与缓和后的Vc对应的信号进行变换所得到的信号进行补偿，来生成用于调整压电元件的响应特性的反馈信号。补偿单元对所生成的信号叠加缓和后的Vc所得到的信号和所生成的反馈信号进行补偿。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述压电元件是层叠压电元件。

在本申请所涉及的流量控制装置中，压电元件是层叠压电元件。

本申请所涉及的流量控制装置的特征在于，上述流量调整阀包含设置于上述流路的阀口，上述阀体为板状的隔膜，通过来自上述压电元件的推压而弹性地变形从而能够落位于上述阀口的周围。

在本申请所涉及的流量控制装置中，阀体是板状的隔膜。隔膜通过来自压电元件的推压而发生弹性变形，由此落位到设置于流体流动的流路的阀口的周围。

本申请所涉及的程序使流量控制装置所具有的计算机执行处理，其中，该流量控制装置具备：检测单元，其检测流量；压电元件，其与构成流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；以及接收单元，其接收目标流量，上述处理为，根据上述接收单元接收到的目标流量与上述检测单元检测出的流量之间的偏差，将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，由此经由该驱动电路和该压电元件来控制流量，该程序的特征在于还使计算机执行以下处理：根据上述偏差来生成输出到上述驱动电路的信号，根据与上述压电元件的电特性有关的数值以及与该压电元件的响应特性相应的常数来执行与所生成的信号有关的补偿计算。

在本申请所涉及的程序中，使流量控制装置所具有的计算机执行下面的处理。流量控制装置根据接收到的目标流量与检测出的流量之间的偏差，生成向驱动电路输出的信号。根据与压电元件的电特性有关的数值和与压电元件的响应特性相应的常数来执行与所生成的信号有关的补偿计算。

本申请所涉及的程序的特征在于，在用于执行上述补偿计算的处理中，根据由第一传递函数和第二传递函数之比构成的传递函数来执行与所生成的信号有关的补偿计算，其中，上述第一传递函数包含与上述压电元件的电特性有关的增益，上述第二传递函数包含与该压电元件的响应特性相应的常数以及该增益。

在本申请所涉及的程序中，第一传递函数包含与压电元件的电特区性有关的增益。第二传递函数包含与压电元件的电特区性有关的增益和与压电元件的响应特性相应的常数。程序使计算机根据由第一传递函数与第二传递函数之比构成的传递函数来执行与所生成的信号有关的补偿计算。

本申请所涉及的程序的特征在于，在上述接收单元接收到的目标流量从小于规定值变化为规定值以上的情况下，对用于生成上述信号的处理所生成的信号加上与规定电压对应的信号。

在本申请所涉及的程序中，流量控制装置在接收到的目标流量从小于规定值变化为规定值以上的情况下，对向驱动电路输出的信号加上与规定电压对应的信号。

发明的效果

根据本申请公开的一个观点，能够实现无过冲且高速的响应控制。

附图说明

图1是表示流量控制装置的硬件结构例的框图。

图2是表示控制部的硬件结构例的框图。

图3是表示流量控制系统的一例的框线图。

图4是表示流量控制系统的另一例的框线图。

图5是表示控制部所执行的处理的过程的一例的流程图。

图6是表示控制部所执行的处理的过程的一例的流程图。

图7A是表示对阀驱动电路的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的致动器的时间响应波形的一例的说明图。

图7B是表示对阀驱动电路的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的致动器的时间响应波形的一例的说明图。

图7C是表示对阀驱动电路的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的致动器的时间响应波形的一例的说明图。

图7D是表示对阀驱动电路的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的致动器的时间响应波形的一例的说明图。

图8是针对实际模型和规范模型示出对阀驱动电路的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的致动器的时间响应波形的一例的说明图。

图9A是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图9B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图10A是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图10B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图11A是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图11B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图12是表示流量控制系统的另一例的框线图。

图13是表示流量控制系统的另一例的框线图。

图14A是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

图14B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。

具体实施方式

下面，根据该附图说明实施方式。本实施方式所涉及的流量控制装置是在半导体、光纤、太阳能电池、液晶面板、有机EL(Electro Luminescence：电致发光)显示器、LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、食品、化妆品、药品等的制造中使用的流量控制装置。另外，本实施方式所涉及的流量控制装置可以是控制流体的质量流量的装置，也可以是控制流体的体积流量的装置。下面，列举对气体流体的质量流量进行控制的流量控制装置(质量流量控制器(mass flow controller))为例来说明实施方式。

此外，本发明不限定于下面的实施方式。

实施方式1

图1是表示流量控制装置1的硬件结构例的框图。流量控制装置1与对产品的制造工序整体进行控制的外部的主计算机H相连接。流量控制装置1从主计算机H接收表示流量控制装置1要向产品制造装置供给的气体的流量的流量设定信号Ssp。另一方面，流量控制装置1将表示当前流动的气体的流量的流量输出信号Sgout输出到主计算机H。

流量控制装置1包括流路部(流路)2、传感器部(检测单元)3、控制部(控制单元、计算机)4、阀驱动电路(驱动电路，输出单元)5以及阀部(流量调整阀)6。

传感器部3检测流路部2所取入的气体的流量。控制部4将传感器部3所检测出的气体的流量值与流量设定信号Ssp所表示的流量设定值进行比较，向阀驱动电路5输出输出信号Sout以使实际的流量值成为设定流量值(目标流量值)。阀驱动电路5被输入输出信号Sout，根据所输入的输出信号Sout向阀部6输出用于驱动阀部6的阀驱动信号Spzt。阀部6被输入阀驱动信号Spzt，根据所输入的阀驱动信号Spzt来调整流动于流路部2的气体的流量。

在流量控制装置1中，控制部4根据流量设定值和传感器部3检测出的流量来对阀部6进行反馈控制，由此控制流动于流路部2的气体的流量。

流路部2例如是由不锈钢形成的管状的气体通路。在流路部2的上游侧连接有向流路部2供给气体的气体管G。在流路部2的下游侧连接有向产品制造装置供给气体的气体管G。

传感器部3包括分流群31、传感器管32、线圈31R、32R、传感器电路33以及压力检测部34。

分流群31由捆绑在一起的多个分流管构成，设置在流路部2的上游侧。传感器管32是以绕开分流群31的方式设置在分流群31的两端的不锈钢制的毛细管。传感器管32构成为使比流过分流群31的气体的量少的固定比率的气体流过。由此，对传感器管32供给流动于流路部2的总气体流量的固定比率的气体。

线圈31R和线圈32R是分别卷绕在传感器管32的上游部分和下游部分的一对发热电阻线，被串联连接。在使电流流过线圈31R和线圈32R的情况下，线圈31R和线圈32R发热。在传感器管32中没有气体流动的情况下，线圈31R和线圈32R的温度均为相同的温度而保持平衡。另一方面，在传感器管32中有气体流动的情况下，线圈31R被气体夺走热，气体被线圈31R加热。从在上游侧被加热的气体向线圈32R提供热。因此，在线圈31R和线圈32R中产生与气体的流量成比例的温度变化或温度差。

传感器电路33具有将线圈31R和线圈32R的温度变化或温度差转换为电信号的桥电路、将该桥电路转换得到的电信号放大的放大电路等。传感器电路33将放大后的表示流量的模拟流量信号Sqc输出到控制部4。

压力检测部34例如是压力转换器。压力检测部34以规定时间间隔对流动于流路部2的气体的压力值进行采样，将采样到的气体的压力值转换为压力检测信号Sv。压力检测部34将转换得到的压力检测信号Sv输出到控制部4。在控制部4决定控制常数等时利用压力检测部34所输出的压力检测信号Sv。

此外，在控制部4在流量控制中不利用压力检测信号Sv的情况下，也可以没有压力检测部34。

控制部4包括计算机，从传感器部3接收模拟流量信号Sqc和压力检测信号Sv。另外，控制部4从主计算机H接收流量设定信号Ssp。控制部4将模拟流量信号Sqc作为表示当前流动的流量的流量输出信号Sgout输出到主计算机H。另外，控制部4为了操作阀部6以使模拟流量信号Sqc所表示的流量与流量设定信号Ssp所表示的流量一致而向阀驱动电路5输出输出信号Sout。

阀驱动电路5是对阀部6的阀门进行驱动的电路。阀驱动电路5被从控制部4输入输出信号Sout，将所输入的输出信号Sout放大，由此产生阀驱动电压。阀驱动电路5将所产生的阀驱动电压施加到阀部6。通过阀驱动电压的高低来调整阀部6的阀门开度。

此外，阀驱动信号Spzt是与阀驱动电压相应的信号。

阀驱动电路5可以向控制部4输出阀驱动信号Spzt，也可以不输出阀驱动信号Spzt。

在阀驱动电路5向控制部4输出阀驱动信号Spzt的情况下，控制部4从阀驱动电路5接收阀驱动信号Spzt。控制部4在流量的反馈控制中利用所接收到的阀驱动信号Spzt。

阀部6包括外壳60、致动器(压电元件)61、限制部件62、弹簧座63、螺旋弹簧64、阀杆65、球体66、推力按钮67、隔膜(阀体)68以及阀口69。其中，省略了能够组装阀部6所需的分割结构的图示。

外壳60是收纳阀部6的各结构部的箱体。外壳60与传感器部3相比，设置在流路部2的下游侧的上表面，外壳60的底部与流路部2接合。在外壳60的底部设置有流体能够流通的空间。在外壳60的底部开设有两个开口，其中一个开口是通过了分流群31的气体流入外壳60底部的空间的开口。另一个开口是气体从外壳60底部的空间向流路部2流出的开口。后者的开口构成了阀部6的阀口69。

在与阀口69相向的外壳60内，从上向下依次配设有致动器61、限制部件62、弹簧座63、螺旋弹簧64、阀杆65、球体66、推力按钮67以及隔膜68。

致动器61例如是层叠压电元件(压电元件)。层叠压电元件形成将多个PZT陶瓷圆板层叠而成的结构。层叠压电元件在被施加高的阀驱动电压的情况下，沿层叠方向伸长，在被施加低的阀驱动电压的情况下，沿层叠方向收缩。即，致动器61根据被施加的阀驱动电压而在上下方向上机械性地伸缩。

限制部件62是阻止致动器61向下位移的部件。弹簧座63安装于限制部件62，用于保持螺旋弹簧64。阀杆65是形成在外壳60与致动器61之间的圆筒状的部件。阀杆65构成为通过致动器61的伸缩而沿着设置在外壳60的内表面的导向件升降。螺旋弹簧64被收容于上侧的限制部件62与下侧的阀杆65的底面之间的空间。螺旋弹簧64是向下方对阀杆65施力的螺旋状的弹簧。

在阀杆65的底面的外表面形成有朝向下方的浅的凹部。推力按钮67是在其上表面形成有朝向上方的浅的凹部的金属制的台。球体66是被收纳于阀杆65的凹部与推力按钮67的凹部之间的球。阀杆65、球体66以及推力按钮67刚性连接，将上侧的致动器61的机械性伸缩所产生的力传递到下侧的隔膜68。球体66具有避免传递到隔膜68的上下方向的力不均匀地存在于一处的功能。

隔膜68是能够弹性变形的金属制的平板。隔膜68的周端部可动地嵌入于外壳60的内壁，构成为能够灵活地移动。在隔膜68的正下方配置有气体能够流通的阀口69。阀口69的周围相当于阀部6的阀座。

在不对致动器61的层叠压电元件施加电压的情况下，阀杆65通过来自螺旋弹簧64的按压力而被按下，隔膜68以向下弯曲的方式发生弹性变形。弹性变形后的隔膜68落位到阀座上而将阀口69关闭。此时，选择螺旋弹簧64的弹簧荷重以维持阀部6的关闭状态。另一方面，在对致动器61的层叠压电元件施加了电压的情况下，层叠压电元件沿层叠方向伸长。由于伸长的层叠压电元件的向下的位移被限制部件62阻止，因此层叠压电元件向上方延伸。由此，阀杆65的上端部被层叠压电元件向上方推压，因此阀杆65上升，隔膜68隔着球体66和推力按钮67从螺旋弹簧64的压缩力下释放。从螺旋弹簧64的压缩力下释放的隔膜68通过自身的复原力而要恢复为原来的形状，由此在隔膜68与阀座之间形成间隙，从而阀口69被释放。

也就是说，隔膜68与阀口69之间的间隔随着致动器61的伸缩以及阀杆65的升降而变化。在使对致动器61施加的阀驱动电压降低的情况下，致动器61收缩，阀杆65下降。然后，隔膜68与阀口69之间的间隔变窄，从而流动于流路部2的气体的流量减少。另一方面，在使对致动器61施加的阀驱动电压升高的情况下，致动器61伸长，阀杆65上升。然后，隔膜68与阀口69之间的间隔变宽，从而流动于流路部2的气体的流量增大。

上述所说明的阀部6是在没有对层叠压电元件施加电压的情况下将阀关闭的常闭型。但是，阀部6也可以是在没有对层叠压电元件施加电压的情况下将阀打开的常开型。下面，将阀部6设为常闭型。

图2是表示控制部4的硬件结构例的框图。控制部4包括CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)(输出单元、补偿单元、生成单元、变换单元)41、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)42以及ROM(ReadOnly Memory：只读存储器)43。另外，控制部4包括计时器44、输入输出接口(接收单元)45以及AD/DA变换部46。CPU 41、RAM 42、ROM 43、计时器44、输入输出接口45以及AD/DA变换部46通过总线4b相互连接。

CPU 41控制流量控制装置1的各结构部。CPU 41读入记录在ROM 43中的程序1P并执行该程序1P。此外，CPU 41是控制部4所具备的处理器的一例，也可以用MPU(Micro Processor Unit：微处理单元)代替CPU 41。

RAM 42例如是SRAM(Static RAM：静态随机存取存储器)、DRAM(Dynamic RAM：动态随机存取存储器)等，暂时地记录CPU 41执行处理的过程中需要的作业变量、数据等。此外，RAM 42是主存储装置的一例，也可以代替RAM 42而使用快闪存储器、存储卡等。

ROM 43例如是非易失性的半导体存储器或半导体存储器以外的读取专用存储介质。ROM 43记录了CPU 11所执行的程序1P。ROM 43可以安装于流量控制装置1的内部，也可以设置在流量控制装置1的外部。

计时器44对日期和时间进行计时，将计时的结果输出到CPU 41。CPU 41根据从计时器44接收到的日期和时间来执行例如基于程序1P的中断处理。

输入输出接口45是具有用于与主计算机H、传感器部3以及阀驱动电路5之间发送和接收信号或信息的数字输入输出端口的接口。此外，输入输出接口45还能够与外部的磁盘驱动装置连接。另外，输入输出接口45还具有与LAN(Local Area Network：局域网)、WAN(Wide Area Network：广域网)、因特网等网络连接的功能。

AD/DA变换部46将从传感器部3和阀驱动电路5接收到的模拟信号变换为数字信号，将变换得到的数字信号输出到输入输出接口45。另外，AD/DA变换部46将从输入输出接口45接收到的数字信号变换为模拟信号，将变换得到的模拟信号(例如输出信号Sout)输出到阀驱动电路5。

此外，也可以如图2所示那样通过磁盘驱动装置从光盘4a读入用于使流量控制装置1进行动作的程序1P。或者，也可以如图2所示那样经由输入输出接口45和网络从外部的信息处理装置或记录装置读入程序1P。还可以如图2所示那样将记录有程序1P的快闪存储器等半导体存储器4c安装于控制部4内。

图3是表示流量控制系统的一例的框线图。此处的流量控制系统以控制部4为中心，包括传感器部3、阀驱动电路5以及阀部6的结构要素或控制要素。此外，在图3中，控制部4对应于用虚线包围的范围的要素群。流量控制装置1的控制部4是图2所示的计算机，而图3示出用电路代替计算机的功能的情况。

图3的右上方所示的流量Qmf被线圈31R、32R检测为温度变化量或温度差。线圈31R、32R检测出的温度变化量或温度差被传感器电路33中包含的桥电路转换为电信号且被放大电路放大而成为流量传感器信号Vfs。信号与电压具有对应关系，下面用V表示信号。

流量传感器信号Vfs在模拟输入电路71中被实施规定的模拟处理而成为模拟流量信号Vqc。模拟流量信号Vqc是根据流量传感器信号Vfs的频率特性而使高频成分大幅衰减的信号，通过数字信号校正电路81补偿该衰减量而成为数字流量信号Vqd。

此外，线圈31R、32R的检测特性具有以秒为单位的大的时间常数，因此通过模拟输入电路71和数字信号校正电路81对流量传感器信号Vfs进行频率特性校正。由此，起到流量控制的响应性变快的效果。

模拟输入电路71可以设置在传感器部3中，也可以设置在控制部4中。

数字流量信号Vqd在图3左上方的合成点(生成单元)A1中与流量设定信号Vsp进行比较，形成流量偏差信号Ve。流量偏差信号Ve通过PI补偿器82被实施比例积分补偿，形成向合成点A2的输入信号Vpi。

另外，在图3的流量控制系统中，在反馈控制中使用对阀部6的致动器61施加的阀驱动电压。合成点A2相当于位于与阀驱动电压有关的反馈控制系统的输入侧的比较部。阀驱动电压是对构成致动器61的层叠压电元件的端子施加的电压，因此在下面还将阀驱动电压称为端子电压Vpzt。

端子电压Vpzt被具有增益Kmon的模拟输入电路72检测并被降低，转换为端子电压信号Vmon。端子电压信号Vmon对应于致动器61所涉及的层叠压电元件的响应。

此外，模拟输入电路72可以设置在阀驱动电路5中，也可以设置在控制部4中。另外，模拟输入电路72也可以具备执行各种模拟处理的滤波器。

端子电压信号Vmon经过合成点A3和具有传递函数Gaf(s)(信号生成单元)的电压反馈补偿器83后成为电压反馈信号。然后，电压反馈信号被输入至合成点A2。

流量控制系统在流量设定信号Vsp所表示的流量设定值为0的情况下，将输入信号Vpi减去电压反馈信号得到的信号设为操作量信号Vu。

另一方面，流量控制系统在流量设定信号Vsp所表示的流量设定值不为0的情况下，将不感应区补偿信号Vc及输入信号Vpi之和减去电压反馈信号得到的信号设为操作量信号Vu。端子电压Vpzt中存在与阀部6的阀门完全关闭的状态对应的电压以及与阀部6的阀门处于开闭边界状态的情况对应的电压，将相当于这些电压之差的电压称为不感应区补偿电压。不感应区补偿信号Vc是对应于不感应区补偿电压的信号。

流量控制装置1在流量设定值为0的情况下，关闭阀部6的阀门。此时，流量控制装置1为了可靠地使阀部6的阀门成为关闭的状态而向关闭的方向对阀门施加压力。因此，流量控制装置1在流量设定值为0的情况下，使端子电压Vpzt相比于阀门为开闭边界状态的端子电压Vpzt向进一步关闭阀门的方向偏移。但是，在流量设定值不为0的情况下，流量控制装置1需要使阀部6的阀门越过开闭边界状态而开到与流量设定值对应的阀门开度，因此输入信号Vpi与电压反馈信号之差加上不感应区补偿信号Vc得到的信号成为操作量信号Vu。

流量控制系统将通过传递函数Grf(s)(变换单元)84对不感应区补偿信号Vc进行处理而得到的校正信号Vrf输出到合成点A3。然后，流量控制系统将端子电压信号Vmon减去校正信号Vrf得到的信号输入到电压反馈补偿器83。

流量控制系统通过传递函数Gff(s)(补偿单元)85对通过上述处理得到的操作量信号Vu进行修正，生成修正操作量信号Vff。

流量控制系统在流量设定值为0的情况下，将与向阀驱动电路5输入的电压值对应的电压信号Voutint设定为向阀驱动电路5输入的输出信号Vout以使阀驱动电路5对阀部6施加的电压为0V。另一方面，流量控制系统在流量设定值不为0的情况下，将Voutint和修正操作量信号Vff在合成点A4中相加，并将相加得到的信号设定为向阀驱动电路5输入的输出信号Vout。

此外，在控制部4构成为包括计算机的情况下，图3中未图示的AD/DA变换部46位于阀驱动电路5的输入侧，输出信号Vout相当于AD/DA变换部46向阀驱动电路5输出的信号。

图4是表示流量控制系统的另一例的框线图。在图4中，与图3不同的部分是不存在与基于对阀部6施加的端子电压Vpzt的电压反馈有关的信号循环。图4的流量控制系统相当于将图3的流量控制系统中的电压反馈补偿器83的传递函数Gaf(s)设为0时的流量控制系统。流量控制装置1中的流量控制系统可以是图3的流量控制系统，也可以是图4的流量控制系统。

接着，说明控制部4中的传递函数模型。

在对致动器61进行驱动的阀驱动电路5中，从输出信号Vout至端子电压Vpzt的响应类似于一阶延迟系统的响应。但是，阀驱动电路5中的响应与单纯的一阶延迟系统的响应不同，能够通过将两个一阶延迟系统的响应叠加而成的模型进行近似。下面，用将两个一阶延迟系统叠加而成的模型来表示从输出信号Vout至端子电压Vpzt的传递特性，将该模型称为实际模型。实际模型的传递特性用下面的(1)式表示。

[数1]

$V_{\mathrm{pzt}}\left(s\right)=K_{\mathrm{pzt}}(\frac{K_{1\_\mathrm{pzt}}}{T_{1\_\mathrm{pzt}}s+1}+\frac{K_{2\_\mathrm{pzt}}}{T_{2\_\mathrm{pzt}}s+1})V_{\mathrm{out}}\left(s\right)...\left(1\right)$

Vpzt(s)是端子电压。Vout(s)是与输出信号Vout对应的输出电压。Kpzt是阀驱动电路5和致动器61所涉及的层叠压电元件的电压增益。K1#pzt、K2#pzt分别是两个一阶延迟传递函数的增益。T1#pzt、T2#pzt分别是两个一阶延迟传递函数的时间常数。K1#pzt及K2#pzt之间具有下面的(2)式的关系。

[数2]

K_{1_pzt}+K_{2_pzt}＝1···(2)

实际模型通过(1)式的右边括号内的两个一阶延迟项而与以往的单一的一阶延迟项相比模型的精度更高。

(1)式的实际模型中的与响应特性有关的传递函数(第一传递函数)用下面的(3)式表示。

[数3]

$G_{\mathrm{pztx}}\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{pzt}}\left(s\right)}{V_{\mathrm{out}}\left(s\right)}=K_{\mathrm{pzt}}\·\frac{(K_{1\_\mathrm{pzt}}{T}_{2\_\mathrm{pzt}}+K_{2\_\mathrm{pzt}}{T}_{1\_\mathrm{pzt}})s+(K_{1\_\mathrm{pzt}}+K_{2\_\mathrm{pzt}})}{(T_{1\_\mathrm{pzt}}s+1)(T_{2\_\mathrm{pzt}}s+1)}...\left(3\right)$

(3)式的响应特性决定流量控制系统整体的响应特性。(3)式的响应特性慢成为限制流量控制系统的响应界限的主要因素。

另一方面，在此，给出将表示致动器61所涉及的层叠压电元件期望的高速响应性的传递函数以一阶延迟要素表现出的模型。下面，将该模型称为规范模型。规范模型的传递函数(第二传递函数)用下面的(4)式表示。

[数4]

$G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{pzt}}\left(s\right)}{V_{\mathrm{out}}\left(s\right)}=\frac{K_{\mathrm{pzt}}}{T_{\mathrm{pzt}}s+1}...\left(4\right)$

增益Kpzt与实际模型的增益Kpzt相同，是与阀驱动电路5和致动器61所涉及的层叠压电元件的电压增益相应的常数。时间常数Tpzt是与阀驱动电路5和致动器61所涉及的层叠压电元件期望的响应性相应地指定的变量。例如通过对时间常数Tpzt设定短的值来使Gpzts(s)的响应特性变快。

此外，增益Kpzt也可以是仅与致动器61所涉及的层叠压电元件的电压增益相应的常数，时间常数Tpzt s也可以是仅与致动器61所涉及的层叠压电元件期望的响应性相应的变量。

接着，为了提高层叠压电元件的响应，根据实际模型和规范模型，分别用下面的(5)式、(6)式表示图3中的两个传递函数Gff(s)85、Grf(s)84。

[数5]

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)}{G_{\mathrm{pztx}}\left(s\right)}...\left(5\right)$

G_rf(s)＝K_monG_pzts(s)···(6)

通过分别如(5)式、(6)式那样对两个传递函数Gff(s)85、Grf(s)84进行设定，能够消除层叠压电元件的响应延迟而实现(4)式的期望的响应。

在图3的框线图中，在将阀驱动电路5的传递函数设为(3)式、将模拟输入电路72的增益设为Kmon、将电压反馈补偿器83的传递函数设为Gaf(s)的情况下，从输入信号Vpi和不感应区补偿信号Vc至端子电压Vpzt的传递特性用下面的(7)式表示。此外，在流量设定值为0的情况下，与对致动器61的层叠压电元件施加的电压对应的电压信号Voutint不影响流量控制系统的动作特性，因此将其从导出(7)式的计算中去除。

[数6]

$V_{\mathrm{pzt}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)}{1+K_{\mathrm{mon}}{G}_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)G_{\mathrm{af}}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{pi}}\left(s\right)+G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)V_c\left(s\right)...\left(7\right)$

在此，在设为Gaf(s)＝0的情况下，(7)式被表示为下面的(8)式。

[数7]

V_pzt(s)＝G_pzts(s){V_pi(s)+V_c(s)}···(8)

从(8)式可知，即使是从施加电压为0V的初始状态开始，层叠压电元件也将以由规范模型规定的高速的响应特性启动。

还可知，在(7)式中，在对Gaf(s)赋予不为0的适当的传递函数的情况下，能够调整层叠压电元件的响应特性。

此外，在流量设定值从某值变化为其它的值的情况下，(7)式的右边第一项的成分追随流量设定值的变化而变为与所需要的阀门开度对应的值。与该第一项的成分对应的过渡响应的时间波形为以下波形：在向加速对隔膜68进行驱动的层叠压电元件的响应的方向过冲之后收敛为与变化后的流量设定值对应的阀门开度的值。另一方面，与(7)式的右边第二项的成分对应的过渡响应的时间波形在流量设定值从0变为0以外的值的情况下为生成钉状的信号之后收敛为不依赖于流量设定值的固定值的波形。

接着，说明用于将上述的控制方式安装到数字控制系统中的处理。

(5)式的Gff(s)85成为下面的(9)式。

[数8]

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{ff}}\left(s\right)}{V_u\left(s\right)}=\frac{(T_{1\_\mathrm{pzt}}s+1)(T_{2\_\mathrm{pzt}}s+1)}{(T_{\mathrm{com}}s+1)(T_{\mathrm{pzt}}s+1)}...\left(9\right)$

其中，

T_com＝K_{1_pzt}T_{2_pzt}+K_{2_pzt}T_{1_pzt}

在向数字控制系统安装时，能够使(7)式的处理离散化，通过下面的递推公式(10)来实现同样的响应特性。其中，在时间为t的情况下，将修正操作量信号vff的值表示为vff[t]。关于其它的变量也相同。由于递推公式(10)的运算按采样周期Ts进行，因此在将初始时刻设为0的情况下，t的值为Ts的整数倍。采样周期Ts例如是2ms。

[数9]

v_ff[kT_s]＝b_ffd0v_u[kT_s]+b_ffd1v_u[(k-1)T_s]+b_ffd2v_u[(k-2)T_s]-a_ffd1v_ff[(k-1)T_s]-a_ffd2v_ff[(k-2)T_s]···(10)

其中，

k＝0，1，2，…

den＝(K_comT_s+2T_com)(T_s+2T_pzt)

b_ffd0＝(T_s+2T_{1_pzt})(T_s+2T_{2_pzt})/den

b_ffd1＝{(T_s+2T_{1_pzt})(T_s-2T_{2_pzt})+(T_s-2T_{1_pzt})(T_s+2T_{2_pzt})}/den

b_ffd2＝(T_s-2T_{1_pzt})(T_s-2T_{2_pzt})/den

a_ffd1＝{(K_comT_s+2T_com)(T_s-2T_pzt)+(K_comT_s-2T_com)(T_s+2T_pzt)}/den

a_ffd2＝(K_comT_s-2T_com)(T_s-2T_pzt)/den

另一方面，关于(6)式的Grf(s)84，成为下面的(11)式。

[数10]

$G_{\mathrm{rf}}\left(s\right)=G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{pzt}}}{T_{\mathrm{pzt}}s+1}...\left(11\right)$

在向数字控制系统安装时，(11)式的处理能够通过下面的递推公式(12)实现同样的响应特性。

[数11]

v_rf[kT_s]＝b_rfd0v_c[kT_s]+b_rfd1v_c[(k-1)T_s]-a_rfd1v_rf[(k-1)T_s]···(12)

其中，

k＝0，1，2，…

den＝T_s+2T_pzt

b_rfd0＝K_pztT_s/den

b_rfd1＝k_pztT_s/den

a_rfd1＝(T_s-2T_pzt)/den

另外，控制部4根据流量设定值为0还是0以外的值来切换流量控制以向隔膜68提供用于将阀部6的阀门可靠地关闭的压力。控制部4根据流量设定值为0还是0以外的值，来针对输出到阀驱动电路5的输出信号vout设定使向层叠压电元件的施加电压为0V的电压信号voutint或设定电压信号voutint加上修正操作量信号vff所得到的信号。

[数12]

如果(v_sp[kT_s]＝0)，

则v_out[kT_s]＝v_outint

否则v_out[kT_s]＝v_ff[kT_s]+v_outint

其中，k＝0，1，3，…

vsp是流量设定信号。

另外，控制部4在流量设定值为0以外的值的情况下，将考虑了基于端子电压vpzt的电压反馈信号的操作量信号vu与相当于阀部6的阀门加压所需要的不感应区的固定电压值的信号vc(＝voutthd-voutint)相加。

[数13]

如果(v_sp[kT_s]＝0)，

则v_u[kT_s]＝v_u[kT_s]

否则v_u[kT_s]＝v_u[kT_s]+v_outthd-v_outint

其中，k＝0，1，2，…

voutthd是向层叠压电元件的施加电压为开闭边界电压的信号。由此，控制部4中的输入输出信号之间的线性被保持，能够从小流量至大流量获得一致的流量控制特性。因而，Grf(s)对于控制部4中的输入输出信号间的线性保持是有用的。

在以上内容中，将规范模型具有的传递函数设为用(4)式表示的一阶延迟要素。但是，规范模型所具有的传递函数不限定于一阶延迟要素，例如也可以是二阶延迟要素，这是不言而喻的。在所述的情况下，鉴于层叠压电元件的大的电容量，例如对二阶延迟要素的固有角频率ω设定大的值。

图5和图6是表示控制部4所执行的处理的过程的一例的流程图。图5和图6示出了包括计算机的控制部4执行相当于图3的虚线范围内的电路的功能的情况下的中断例程处理。

CPU 41根据从计时器44接收到的日期和时间，按固定周期Ts产生中断处理，并重复执行图5和图6所示的处理。

CPU 41通过输入输出接口45和AD/DA变换部46来从传感器部3接收流量信号(步骤S101)。该流量信号是对模拟流量信号vqc进行数字转换得到的信号。CPU 41通过数字滤波处理来针对接收到的流量信号校正频率特性，计算数字流量信号vqd(步骤S102)。

CPU 41通过输入输出接口45来从主计算机H接收流量设定信号vsp(步骤S103)。CPU 41根据流量设定信号vsp和数字流量信号vqd来计算流量偏差信号ve(步骤S104)。CPU 41通过针对计算出的流量偏差信号ve执行比例积分补偿的计算，来计算输入信号vpi(步骤S105)。

CPU 41对不感应区补偿信号vc设定0(步骤S106)。CPU 41判断与流量设定信号vsp对应的流量设定值是否为0(步骤S107)。CPU 41在判断为与流量设定信号vsp对应的流量设定值为0的情况下(步骤S107：“是”)，使处理进入步骤S109。CPU 41在判断为与流量设定信号vsp对应的流量设定值不为0的情况下(步骤S107：“否”)，将不感应区补偿信号vc修正为voutthd与voutint之差(步骤S108)。

此外，voutint是向层叠压电元件的施加电压为0V的输出信号vout。voutthd是向层叠压电元件的施加电压为开闭边界电压的输出信号vout。

CPU 41根据所设定或修正后的不感应区补偿信号vc，来执行与传递函数Grf(s)84对应的数字滤波计算，由此生成校正信号vrf(步骤S109)。CPU 41从阀驱动电路5接收端子电压信号vmon(步骤S110)。CPU 41从接收到的端子电压信号vmon中减去所生成的校正信号vfr(步骤S111)。CPU 41根据在步骤S111中通过减法运算求出的信号，来执行与电压反馈补偿器83所具有的传递函数Gaf(s)对应的计算，由此生成电压反馈信号(步骤S112)。

CPU 41对在步骤S105中计算出的作为比例积分补偿输出的输入信号vpi加上不感应区补偿信号vc且减去在步骤S112中生成的电压反馈信号，由此计算操作量信号vu(步骤S113)。CPU 41针对操作量信号vu执行与传递函数Gff(s)85对应的计算，由此计算对响应延迟进行补偿的修正操作量信号vff(步骤S114)。

接着，CPU 41设定从AD/DA变换部46输出并向阀驱动电路5输入的输出信号vout。首先，CPU 41针对输出信号vout设定与端子电压vpzt为0V的情况相当的电压信号voutint(步骤S115)。CPU 41判断与流量设定信号vsp对应的流量设定值是否为0(步骤S116)。CPU 41在判断为与流量设定信号vsp对应的流量设定值为0的情况下(步骤S116：“是”)，使处理进入步骤S118。CPU 41在判断为与流量设定信号vsp对应的流量设定值不为0的情况下(步骤S116：“否”)，对输出信号vout加上修正操作量信号Vf f(步骤S117)。CPU 41从AD/DA变换部46输出输出信号vout(步骤S118)，结束处理。

此外，在流量控制系统的反馈控制中不利用端子电压vpzt的情况下，删除图5和图6中的步骤S109至步骤S112的处理。另外，在流量控制系统的反馈控制中不利用端子电压vpzt的情况下，CPU 41在步骤S113中通过对计算出的作为比例积分补偿输出的输入信号vpi加上不感应区补偿信号vc来计算操作量信号vu。

在步骤S107和步骤S116中，CPU 41判断与流量设定信号vsp对应的流量设定值是否为0。但是，CPU 41也可以判断与流量设定信号vsp对应的流量设定值是否为规定值以下，根据其判断结果来执行此后的处理。

接着，说明流量控制装置1的动作。

图7A、图7B、图7C以及图7D是表示在对阀驱动电路5的输入端子施加了与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的层叠压电元件的时间响应波形的一例的说明图。图7A、图7B、图7C以及图7D分别示出了流量设定值变化为其最大值的2％、20％、40％以及100％时的层叠压电元件的响应波形。实线是实际测量出的响应波形。虚线是实际模型的响应波形。图7A、图7B、图7C以及图7D中的横轴是时间，单位是秒。图7A、图7B、图7C以及图7D中的纵轴是来自阀驱动电路5的输出电压即端子电压Vpzt乘以增益Kmon所得到的电压，单位是伏特。图7A、图7B、图7C以及图7D中的实际模型的各常数值例如如下所述。

Kpzt＝44.3

K1_pzt＝2.15/3.6＝0.694、T1_pzt＝0.158

K2_pzt＝1.45/3.6＝0.306、T2_pzt＝0.044

从图7A、图7B、图7C以及图7D可知，实际模型针对各流量设定值很好地再现了实际测量出的致动器61的响应特性。

图8是针对实际模型和规范模型示出对阀驱动电路5的输入端子施加与阶梯状的输入波形相应的电压的情况下的压电元件的时间响应波形的一例的说明图。图8的横轴和纵轴分别与图7的横轴和纵轴相同。关于规范模型的参数、即时间常数Tpzt，设为

Tpzt＝00.12。

实线是规范模型的响应波形。虚线是实际模型的响应波形。从图8可知，与实际模型相比规范模型示出更快的响应。

图9A、图9B、图10A、图10B、图11A以及图11B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。图9A～图11B的横轴是时间，单位是秒。图9A～图11B的纵轴是信号，单位是伏特。

在图9A、图10A以及图11A中，细实线是流量设定信号Vsp的阶梯波形。虚线是与端子电压Vpzt成比例的端子电压信号Vmon的响应波形。粗实线是数字流量信号Vqd的响应波形。端子电压信号Vmon的响应波形对应于致动器61所涉及的层叠压电元件的响应。数字流量信号Vqd的响应波形对应于控制的结果、即实际流动于流路部2的流量的响应。

图9B、图10B以及图11B中的粗实线是来自AD/DA变换部46的输出信号Vout、即向阀驱动电路5的输入信号的响应波形。此外，图9B、图10B以及图11B中的纵轴的Vout1为在流量设定信号Vsp表示2V的情况下向阀驱动电路5输入的输出信号Vout的恒定值。

图9A、图9B、图10A、图10B、图11A以及图11B示出了流量控制系统中的结构要素的差别所引起的响应波形的差异。图9A和图9B示出了仅由比例积分控制的结构要素构成的流量控制系统的响应波形。图10A和图10B示出了除了比例积分控制以外还在从阀部6的阀门关闭的状态启动时对阀部6施加不感应区补偿电压的情况下的流量控制系统的响应波形。图11A和图11B示出了除了比例积分控制以及基于不感应区补偿电压的控制以外还通过传递函数Gff(s)85来针对操作量信号Vu执行补偿响应延迟的计算的情况下的响应波形。即，图11A和图11B示出了实施方式1所涉及的流量控制装置1的响应波形。

在关注图9A、图10A以及图11A中的数字流量信号Vqd的响应波形的情况下，在图9A中，无反应时间为0.2秒左右，之后达到流量设定值需要0.7秒左右。数字流量信号Vqd上升需要0.7秒左右的理由之一是由于去除施加于阀门的加压直到使阀部6的阀门变为开闭边界状态为止花费时间。

在图10A中，数字流量信号Vqd的无反应时间为0.15秒左右，之后达到流量设定值需要0.7秒左右。图10A的无反应时间与图9A的无反应时间相比稍微缩短。认为这是由于通过不感应区补偿电压将阀部6的阀门一下子打开至开闭边界状态。但是，在为了进一步缩短无反应时间而提高不感应区补偿电压的情况下，产生过冲。另一方面，在为了抑制过冲而使不感应区补偿电压降低的情况下，存在响应变慢这样的窘境。

在图11A中，数字流量信号Vqd的无反应时间被缩短为0.1秒以下，之后达到流量设定值的时间被缩短为0.2秒左右。在与图11A对应的流量控制装置1中，阀部6的阀门被更高速地打开至开闭边界状态。与此同时，数字流量信号Vqd无过冲地更高速地达到与流量设定值对应的值。

将图9B、图10B以及图11B进行比较的情况下，输出信号Vout达到恒定值Vout1的时间在图9B和图10B中为0.25秒左右。在将图9B的波形与图10B的波形进行比较的情况下，图10B的紧接着0秒之后的上升电压高。认为这是由于不感应区补偿电压的效果成为波形而被表现出。

另一方面，在图11B的情况下，输出信号Vout达到恒定值Vout1的时间非常短，输出信号Vout从上升起0.2秒乃至0.25秒后收敛于Vout1。该输出信号Vout的变化实现了在图11A中看到的高速响应。

图11B中的紧接着上升之后的响应波形在流量设定值阶梯状增加的情况下呈钉状突出。这是由于(7)式的右边第二项生成以规范模型中的短的时间常数Tpzt s衰减的钉状的信号。由此，端子电压Vpzt的上升被加速，通过不感应区所用的无反应时间被缩短。即，图11A中的数字流量信号Vqd的无反应时间的缩短与(7)式的右边第二项的作用有关。

图11B中的钉状的信号示出针对电容量大的层叠压电元件在短时间内供给了大电流，对应于一下子打开至开闭边界状态的阀部6的阀门的动作。

在图11B中，在钉状的响应波形衰减后的0.07秒附近能够看到肩状的小的波峰。这是由于(7)式的右边第一项生成与流量设定值的变化相应地向促进响应的方向过冲的信号。由此，图11A中的端子电压信号Vmon和数字流量信号Vqd快速地达到与新的流量设定值对应的值。即，图11A的上升时的端子电压信号Vmon和数字流量信号Vqd的波形中看到的陡峭的梯度与(7)式的右边第一项的作用有关。

图11B中的小的过冲针对层叠压电元件而言是大的，对应于通过供给不过量的电流而从开闭边界状态迅速地打开至期望的阀门开度的阀部6的阀门的动作。图11B中的波形迅速地收敛为固定值。由此，流量控制装置1抑制了将阀部6的阀门相比于期望的阀门开度过度地打开。

流过层叠压电元件的电流的波形是与图11B的波形相关的形状或大致相似的形状。通过使与图11B的钉状的响应波形对应的大量的电流流入层叠压电元件，层叠压电元件开始高速地进行响应。另外，通过使与图11B的过冲的响应波形对应的电流流入层叠压电元件，层叠压电元件从启动时起迅速地进行伸缩。

此外，流量控制装置1在流量设定值阶梯状减少的情况下也示出与图11类似的响应波形。在所述的情况下，虽然纵轴的信号的变动方向相反，但是起到与上述同样的效果。

流量控制装置1通过基于程序1P的数字控制来控制流量，但是也可以通过构成传递函数的模拟电路来替换控制部4。所述的情况也起到与上述同样的效果。

在实施方式1中，针对流量偏差信号Ve进行了PI控制。但是，也可以通过PID控制、微分先行型PID控制、I-PD控制等来对流量偏差信号Ve进行处理。

根据流量控制装置1，能够实现无过冲且高速的响应控制。

流量控制装置1通过缩短因层叠压电元件所具有的大的电容量而引起的响应延迟，能够进行更高速的流量的响应控制。因而，通过使用流量控制装置1，能够提高产品的生产效率。

实施方式2

实施方式2涉及对流量控制系统追加使与从控制部4向阀驱动电路5输出的信号对应的钉状的电压变化缓和的缓和滤波器的方式。

此外，在实施方式2中，针对与实施方式1相同的结构部分附加相同的参照编号并省略其详细的说明。

图12是表示流量控制系统的其它例子的框线图。图12是在图3中追加了传递函数Gss(s)(缓和单元)86的框线图。传递函数Gss(s)86是用于在从阀部6关闭的状态打开阀部6时调整流量控制系统的响应特性的函数。此外，在图12中，控制部4对应于虚线所包围的范围的要素群。

在图12中，与图3不同的动作部分如下：通过与缓和滤波器对应的传递函数Gss(s)86对选择切换0和不感应区补偿电压Vc而得到的信号进行缓和处理，将进行缓和处理得到的信号Vcf输入到合成点A2以及传递函数Grf(s)84。

图13是表示流量控制系统的其它例子的框线图。图13是在图4中追加了传递函数Gss(s)86的框线图。此外，在图13中，控制部4对应于虚线所包围的范围的要素群。

在图13中，与图4不同的动作部分如下：通过与缓和滤波器对应的传递函数Gss(s)86对选择切换0和不感应区补偿电压Vc而得到的信号进行缓和处理，将进行缓和处理得到的信号Vcf输入到合成点A2。

接着，说明控制部4中的传递函数模型。

从输入信号Vpi和不感应区补偿信号Vc至端子电压Vpzt的传递特性用下面的(13)式表示。

[数14]

$V_{\mathrm{pzt}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)}{1+K_{\mathrm{mon}}{G}_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)G_{\mathrm{af}}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{pi}}\left(s\right)+G_{\mathrm{pzts}}\left(s\right)G_{\mathrm{ss}}\left(s\right)V_c\left(s\right)...\left(13\right)$

在此，在设为Gaf(s)＝0的情况下，(13)式被表示为下面的(14)式。

[数15]

V_pzt(s)＝G_pzts(s){V_pi(s)+G_ss(s)V_c(s)}···(14)

(13)式的右边中的第二项的成分中包含的传递函数Gss(s)86具有抑制在实施方式1中的(7)式的情况下所产生的钉状的信号的峰值电压的功能。由此，与(13)式的右边中的第二项的成分对应的过渡响应的时间波形在流量设定值从0变为0以外的值的情况下为呈阶梯状高速地向高于与流量设定值对应的电压且低于上述峰值电压的电压上升之后收敛于不依赖于流量设定值的固定值的波形。即，通过传递函数Gss(s)86抑制与钉状突出的波形对应的峰值电压，由此上述时间波成为阶梯状而非钉状。

在图3的结构的情况下，控制部4在流量设定值为0以外的值的情况下，对考虑了基于端子电压vpzt的电压反馈信号的操作量信号vu加上相当于阀部6的阀门加压所需要的不感应区的固定电压值的信号vc(voutthd-voutint)。

另一方面，在图12的结构的情况下，控制部4为了使相当于阀部6的阀门加压所需要的不感应区的固定电压值的信号vc(voutthd-voutint)呈阶梯状地上升，通过与缓和滤波器对应的传递函数Gss(s)86对信号vc进行缓和处理，生成缓和处理后的信号Vcf。然后，控制部4在流量设定值为0以外的值的情况下，对考虑了基于端子电压vpzt的电压反馈信号的操作量信号Vu加上所生成的信号Vcf。此时，控制部4考虑端子电压vpzt和通过传递函数Grf(s)84对信号Vcf进行校正得到的校正信号Vrf来生成电压反馈信号。

图3的结构考虑了电压反馈信号，与此相对地，图4的结构没有考虑电压反馈信号。同样地，图12的结构考虑了电压反馈信号，与此相对地，图13的结构没有考虑电压反馈信号。即，在图13的结构的情况下，对未考虑电压反馈信号的操作量信号Vu加上所生成的信号Vcf。

作为Gss(s)86，例如也能够利用下面的(15)式的相位延迟要素。

[数16]

$G_{\mathrm{ss}}\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{cf}}\left(s\right)}{V_c\left(s\right)}=\frac{T_{\mathrm{cfn}}s+1}{T_{\mathrm{cfd}}+1}...\left(15\right)$

在安装到数字控制系统的情况下，(15)式的处理能够通过下面的递推公式(16)实现同样的响应特性。

[数17]

v_cf[kT_s]＝b_ss0v_c[kT_s]+b_ss1v_c[(k-1)T_s]+a_ss1v_cf[(k-1)T_s]···(16)

其中，

k＝0，1，2，…

den＝T_s+2T_cfd

b_ss0＝(T_s+2T_cfn)/den

b_ss1＝(T_s-2T_cfn)/den

a_ss1＝(T_s-2T_cfd)/den

图14A和图14B是表示与流量设定值对应的流量设定信号Vsp从0V阶梯状上升为2V的情况下的响应波形的一例的说明图。图14A和图14B的横轴是时间，单位是秒。图14A和图14B的纵轴是信号，单位是伏特。图14A中分别表示流量设定信号Vsp、端子电压信号Vmon以及数字流量信号Vqd的线的类型与图9A、图10A以及图11A中的相同。另外，图14B中表示输出信号Vout的粗实线与图9B、图10B以及图11B中的相同。并且，图14B中的纵轴的Vout1是在流量设定信号Vsp表示2V的情况下向阀驱动电路5输入的输出信号Vout的恒定值。与图9A～图11B进行比较的情况下，图14A和图14B示出了流量控制系统中的结构要素的差别所引起的响应波形的差异。

图14A和图14B示出了除了比例积分控制、基于不感应区补偿电压Vc的控制以及基于针对操作量信号Vu的响应延迟补偿的控制以外还对打开加压状态下关闭的阀部6时的不感应区补偿电压Vc进行缓和处理的情况下的响应波形。即，图14A和图14B示出了实施方式2所涉及的流量控制装置1的响应波形。

图14A中的数字流量信号Vqd的响应波形所涉及的无反应时间与图9A和图10A的情况相比，与图11A的情况同样地被缩短为0.1秒以下，之后达到流量设定值的时间被缩短为0.2秒左右。

在将图9B、图10B、图11B以及图14B进行比较的情况下，关于输出信号Vout达到恒定值Vout1的过程，在图9B和图10B中从低的值上升而收敛为恒定值Vout1，与此相对地，在图11B和图14B中一下子上升至比恒定值Vout1高的值，之后下降收敛为恒定值Vout1。以往，当通过这样的过冲信号对阀部6进行驱动时，流量响应也容易产生过冲，但是在本发明中，由于如上述那样构成了基于传递函数设计来生成操作量信号的流量控制系统，因此流量响应无过冲地在0.2秒左右内高速地收敛为设定值。

图14B中的紧接着上升之后的响应波形通过与缓和滤波器对应的传递函数Gss(s)86的效果而相比于图11B抑制了呈钉状突出的高度，另一方面，在时间方向上曾经是30ms左右的宽度的钉形成为扩展为60ms左右的波峰。通过该扩展后的波峰的时间持续效果，流量控制装置1获得了与图11B中利用与钉状的高电压对应的输出信号Vout的情况几乎同等的响应时间。在图11B的情况下，为了使用钉状的高电压信号，需要以在阀驱动电路5中不产生饱和的方式使从控制部4向阀驱动电路5的输出信号Vout在短时间内确保宽的电压变化幅度。但是，如果是图14B的波形，则由于在更长的时间内输出比Vout1高的输出信号Vout，因此与从控制部4向阀驱动电路5的输出信号Vout对应的电压变化幅度可以为更小的值。

根据实施方式2所涉及的流量控制装置1，能够与实施方式1同样地实现无过冲且高速的响应控制。

与流量控制装置1的缓和滤波器对应的传递函数Gss(s)86能够使与从控制部4向阀驱动电路5输出的信号对应的钉状的电压变化缓和。阀驱动电路5在被施加的电压高于阀驱动电路5的电源电压的情况下饱和。另外，在这种情况下，为了避免饱和，需要另外设置能够供给高电压的电源、或在电路元件中使用应对高电压的特殊元件，从而导致装置的尺寸、成本的增大。但是，传递函数Gss(s)86使对阀驱动电路5施加的钉状的电压变化降低而变为阶梯状的电压变化，因此能够抑制阀驱动电路5的饱和。另外，传递函数Gss(s)86能够在由标准的电路元件和现有的电源构成的结构范围内实现响应高速化。另一方面，流量控制装置1的传递函数Gss(s)86通过使对阀驱动电路5和致动器61施加的电压的施加时间更长，由此不减少对阀驱动电路5和致动器61供给的电能而实现层叠压电元件的高速响应控制。

此外，公开的实施方式应该认为是依照所有的点进行例示而不是进行限制。本发明的范围由权利要求书而不是上述的说明示出，旨在包含与权利要求书同等的意思以及权利要求书范围内的所有变更。

另外，各实施方式所记载的技术特征(结构要件)能够互相组合，通过组合能够形成新的技术特征。

附图标记说明

1：流量控制装置；2：流路部(流路)；3：传感器部(检测单元)；31：分流群；32：传感器管；31R：线圈；32R：线圈；33：传感器电路；34：压力检测部；4：控制部(控制单元、计算机)；41：CPU(输出单元、补偿单元、生成单元、信号生成单元、变换单元)；42：RAM；43：ROM；44：计时器；45：输入输出接口(接收单元)；46：AD/DA变换部；5：阀驱动电路(驱动电路、输出单元)；6：阀部(流量调整阀)；60：外壳；61：致动器(压电元件)；62：限制部件；63：弹簧座；64：螺旋弹簧；65：阀杆；66：球体；67：推力按钮；68：隔膜(阀体)；69：阀口；72：模拟输入电路；83：Gaf(s)(信号生成单元)；84：Grf(s)(变换单元)；85：Gff(s)(补偿单元)；86：Gss(s)(缓和单元)；H：主计算机；G：气体管；A1：合成点(生成单元)。

Claims (18)

1.一种流量控制装置，具备：

压电元件，其与构成流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；

驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；

接收单元，其接收目标流量；以及

输出单元，为了使流量变换为与上述接收单元接收到的目标流量一致，该输出单元将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，

该流量控制装置的特征在于，

在上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元过渡性地输出与不同于变化后的目标流量所对应的目标电压值的电压值对应的信号，之后输出与收敛到该目标电压值的电压变化对应的信号。

2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，与在该流量调整阀不处于关闭状态的情况下该目标流量发生变化时相比，上述输出单元向上述驱动电路输出与相对于变化后的目标流量所对应的目标电压值示出更大振幅的电压变化对应的信号。

3.根据权利要求1或者2所述的流量控制装置，其特征在于，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元将与钉状的电压变化对应的信号输出到上述驱动电路。

4.根据权利要求1或者2所述的流量控制装置，其特征在于，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述输出单元输出与阶梯状地上升至比变化后的目标流量所对应的目标电压值高的电压值的电压变化对应的信号，之后将与收敛到该目标电压值的电压变化对应的信号输出到上述驱动电路。

5.一种流量控制装置，具备：

检测单元，其检测流过流路的流体的流量；

压电元件，其与构成打开和关闭上述流路的流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；

驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；

接收单元，其接收流体的目标流量；以及

控制单元，其根据该接收单元接收到的目标流量与上述检测单元检测出的流量之间的偏差，将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，由此经由该驱动电路和该压电元件来控制流量，

该流量控制装置的特征在于，

上述控制单元具有：

生成单元，其生成与上述偏差对应的信号；以及

补偿单元，其通过包含与上述压电元件的电特性有关的数值以及与该压电元件的响应特性相应的常数的控制要素，对上述生成单元生成的信号进行补偿，

其中，将上述补偿单元补偿后的信号输出到上述驱动电路。

6.根据权利要求5所述的流量控制装置，其特征在于，

上述控制要素具有：

第一传递函数，其包含与上述压电元件的电特性有关的增益；以及

第二传递函数，其包含与上述压电元件的响应特性相应的常数和上述增益。

7.根据权利要求6所述的流量控制装置，其特征在于，

上述第一传递函数和上述第二传递函数还包含与上述驱动电路的电特性有关的增益。

8.根据权利要求6或者7所述的流量控制装置，其特征在于，

上述控制要素与从上述控制单元向上述驱动电路输入信号起至上述压电元件使上述阀体动作为止的响应有关。

9.根据权利要求6～8中的任一项所述的流量控制装置，其特征在于，

在关闭上述流量调整阀的情况下，上述控制单元使上述驱动电路施加到上述压电元件的电压向进一步关闭该流量调整阀的方向与使该流量调整阀的阀门开度成为零的电压相差规定电压Vc，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述Vc所得到的信号进行补偿。

10.根据权利要求9所述的流量控制装置，其特征在于，

上述驱动电路具有输出单元，该输出单元将与施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述控制单元，

上述控制单元还具有信号生成单元，该信号生成单元根据上述输出单元输出的信号来生成用于调整上述压电元件的响应特性的反馈信号，

上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述Vc所得到的信号以及上述信号生成单元生成的反馈信号进行补偿。

11.根据权利要求10所述的流量控制装置，其特征在于，

还具备变换单元，该变换单元根据上述第二传递函数来对与上述Vc对应的信号进行变换，

上述信号生成单元通过对上述输出单元输出的信号以及上述变换单元变换得到的信号进行补偿来生成反馈信号。

12.根据权利要求9或者10所述的流量控制装置，其特征在于，

还具备缓和单元，该缓和单元使上述Vc的变化缓和，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述缓和单元缓和后的Vc所得到的信号进行补偿。

13.根据权利要求11所述的流量控制装置，其特征在于，

还具备缓和单元，该缓和单元使上述Vc的变化缓和，

上述变换单元对与上述缓和单元缓和后的Vc对应的信号进行变换，

在上述流量调整阀处于关闭状态的情况下上述接收单元接收到的目标流量发生变化时，上述补偿单元对上述生成单元生成的信号叠加上述缓和单元缓和后的Vc所得到的信号以及上述信号生成单元生成的反馈信号进行补偿。

14.根据权利要求5～13中的任一项所述的流量控制装置，其特征在于，

上述压电元件是层叠压电元件。

15.根据权利要求5～14中的任一项所述的流量控制装置，其特征在于，

上述流量调整阀包含设置于上述流路的阀口，

上述阀体为板状的隔膜，通过来自上述压电元件的推压而弹性地变形从而能够落位于上述阀口的周围。

16.一种使流量控制装置所具有的计算机执行处理的程序，其中，该流量控制装置具备：

检测单元，其检测流量；

压电元件，其与构成流量调整阀的阀体相连结，通过使该阀体动作来调整流量；

驱动电路，其通过对该压电元件施加电压来驱动该压电元件；以及

接收单元，其接收目标流量，

上述处理为，根据上述接收单元接收到的目标流量与上述检测单元检测出的流量之间的偏差，将与要施加到上述压电元件的电压对应的信号输出到上述驱动电路，由此经由该驱动电路和该压电元件来控制流量，

该程序的特征在于还使计算机执行以下处理：

根据上述偏差来生成输出到上述驱动电路的信号，

根据与上述压电元件的电特性有关的数值以及与该压电元件的响应特性相应的常数来执行与所生成的信号有关的补偿计算。

17.根据权利要求16所述的程序，其特征在于，

在用于执行上述补偿计算的处理中，根据由第一传递函数和第二传递函数之比构成的传递函数来执行与所生成的信号有关的补偿计算，其中，上述第一传递函数包含与上述压电元件的电特性有关的增益，上述第二传递函数包含与该压电元件的响应特性相应的常数以及该增益。

18.根据权利要求16或者17所述的程序，其特征在于，

在上述接收单元接收到的目标流量从小于规定值变化为规定值以上的情况下，对用于生成上述信号的处理所生成的信号加上与规定电压对应的信号。