JP2005351308A - 流体制御弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストダウンを図りつつ耐久性に優れ、かつコンパクトな流体制御弁について、微小流量の制御も可能な制御方法を提案することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、ステッピングモータ１５の駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、ステッピングモータ１５の駆動電圧波形の変化からステッピングモータ１５の脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定することを特徴とする。そして、ステッピングモータ１５の脱調現象の検出には、（１）ＡＤコンバータを使用すること、または（２）パルス時間の変化の検出回路を使用することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法に関するものである。

＜従来技術１＞
従来より、半導体製造装置に薬液を供給するために流体制御弁が用いられている。本出願人は、特開２００３−２９４１６５号公報（以下、特許文献１という）において、流量制御の信頼性を向上させ、かつ高精度な流量制御を可能にした流体制御弁の制御方法を提案している。
以下、この特許文献１における流体制御弁１０１の制御方法について説明する。

まず、流体制御弁１０１の構造を説明する。
図１１に示すように流体制御弁１０１は、アンダーボディ１１１と、アンダーボディ１１１の上方に固設されたシリンダ１１２と、シリンダ１１２の上方に固設されたハウジング１１３と、ハウジング１１３にカバー１１４を介して装着されたステッピングモータ１１５とによって全体の外形をなしている。
シリンダ１１２の内部には、略円柱形状のピストン１２１が軸方向に摺動可能かつ気密にはめ込まれている。ピストン１２１の下面とシリンダ１１２の内面とによりパイロット室１２２が区画され、パイロット室１２２には、シリンダ１１２に形成された操作ポート１２３が連通している。さらに、ピストン１２１の下端にはダイアフラム弁体１２４が取り付けられ、ダイアフラム弁体１２４の周縁は、アンダーボディ１１１とシリンダ１１２とに挟持されている。ダイアフラム弁体１２４がピストン１２１の上下動に伴って移動して弁座１２５に密着あるいは離間することによって、ポート１２６とポート１２７との間が遮断あるいは連通される。

また、ハウジング１１３の内部には、ピストン１２１を下方に付勢する復帰バネ１３１が装着されている。さらに、ナット１３２を螺装したネジ部材１３３が設けられ、ナット１３２とピストン１２１との間に復帰バネ１３８が装着されている。そして、ネジ部材１３３は、カップリング１３４により軸１３５と連結され、ハウジング１１３の上部に設けられたステッピングモータ１１５の回転が、ギアボックス１３６と軸１３５を介してネジ部材１３３に伝えられる。さらに、流体制御弁１０１では、シリンダ１１２に形成された操作ポート１２３に対し、電空レギュレータ部１３７が取り付けられている。
さらに、ナット１３２の上面に２本の被検出子１３２ａ，１３２ｂが設けられ、ハウジング１１３に設けられた孔を貫通して上方へ延びている。そして、ハウジング１１３内には、カップリング１３４を挟んで両側に原点スイッチ１４１及び調整限度点スイッチ１４２が設けられる。原点スイッチ１４１及び調整限度点スイッチ１４２は、いずれも光学式スイッチであり、図１１に示すように、被検出子１３２ａ，１３２ｂの先端部によって光が遮られることで、ナット１３２の位置が検出される。なお、被検出子１３２ａ，１３２ｂの先端部は図１２（ａ）または図１２（ｂ）のような形状を有している。

次に、流体制御弁１０１の作用を説明する。
流体制御弁１０１では、パイロット室１２２の空気圧力が、電空レギュレータ部１３７によって操作ポート１２３を介して制御される。電空レギュレータ部１３７は、入力された電気信号に対応してパイロット室１２２の空気圧力を調整し、この空気圧力の上昇によってピストン１２１を復帰バネ１３１に抗して上方へ移動させる。これにより、ダイアフラム弁体１２４が弁座１２５から離間して流体制御弁１０１は弁開する。そして、移動されたピストン１２１は、その上面がナット１３２に当接することによって停止されるので、ナット１３２の停止位置によってダイアフラム弁体１２４の位置である弁開停止位置が規定される。そして、このナット１３２は、ネジ部材１３３に伝えられるステッピングモータ１１５の回転動作によって上下動される。

ここで、流体制御弁１０１では、ナット１３２の移動範囲の上下限位置である原点位置と調整限度点位置を検出するために、それぞれ原点スイッチ１４１と調整限度点スイッチ１４２とが設けられている。そして、ナット１３２を原点（あるいは、調整限度点）へ復帰する際には、ステッピングモータ１１５を回転させて、この原点スイッチ１４１（あるいは調整限度点スイッチ１４２）によって検出される原点位置（あるいは、調整限度点位置）へ移動する。このとき、所定方向へ回転させることで、ステッピングモータ１１５のバックラッシュが打ち消されるものとしている。

＜従来技術２＞
また、特開２００３−２１２５２号公報（以下、特許文献２という）において、弁体の弁開度を確実且つ高精度に調整することができ、圧力流体の流量を高精度に制御することが可能であるとする流体制御弁が開示されている。
以下、この特許文献２における流体制御弁２０１の制御方法について説明する。

まず、流体制御弁２０１の構造を説明する。
図１３に示すように流体制御弁２０１は、バルブボディ２１１と、バルブボディ２１１の上方に固設された第１ボディ２１２と、第１ボディ２１２の上方に固設された第２ボディ２１３と、第２ボディ２１３の上方にスペーサ部材２１４を介して固設されたカバー部材２１６とによって全体の外形をなしている。
カバー部材２１６の内部には、第２ボディ２１３の上方にスペーサ部材２１４を介してステッピングモータ２１５及び回転量検出器２１７が装着されている。
第１ボディ２１２の内部には、ピストン２２１が軸方向に摺動可能にはめ込まれている。ピストン２２１の下端には、ダイアフラム弁体２２４が取り付けられ、ダイアフラム弁体２２４の周縁は、バルブボディ２１１と第１ボディ２１２とに挟持されている。ダイアフラム弁体２２４がピストン２２１の上下動に伴って移動して弁座２２５に当接あるいは離間することによって、ポート２２６とポート２２７との間が遮断あるいは連通される。第１ボディ２１２の内部には、ピストン２２１を上方に付勢する復帰バネ２３１が装着されている。
また、第２ボディ２１３の内部にはネジ部材２３３が設けられ、第２ボディ２１３のネジ部２１３ａと螺合している。ネジ部材２３３の上方は回転軸２３５と係合され、ステッピングモータ２１５の回転が回転軸２３５を介してネジ部材２３３に伝えられる。ネジ部材２３３の下方はピストン２２１と当接している。

次に、流体制御弁２０１の作用を説明する。
流体制御弁２０１では、制御信号（パルス信号）の作用により、ステッピングモータ２１５が回転し、回転軸２３５も一体となって回転する。回転軸２３５が回転すると、回転軸２３５と係合するネジ部材２３３が第２ボディ２１３のネジ部２１３ａとの螺合のもと回転しながら上下動する。ネジ部材２３３が上下動すると、ネジ部材２３３の下方に当接するピストン２２１もばね部材２３１のばね力に従って、あるいは抗して上下動する。ピストン２２１が上下動することにより、ピストン２２１に連結されたダイアフラム弁体２２４が上下動し、弁座２２５と離間・当接することで弁開・弁閉状態になる。
そこで、回転量検出器２１７で検出したステッピングモータ２１５の回転角度により、ダイアフラム弁体２２４の変位量を制御し、ダイアフラム弁体２２４の弁開度の調整を、より確実、且つ高精度に行うことができるとしている。

＜従来技術３＞
その他、＜従来技術１＞の様な検出スイッチ又は、＜従来技術２＞の様な回転量検出器を設けず、弁が全開、全閉してもある程度の時間モータを回転し続けさせてから（脱調のまま）停止させる流体制御弁の制御方法も存在する。
かかる流体制御弁のその他の構造・作用は、前記した＜従来技術１＞または＜従来技術２＞の流体制御弁１０１、２０１と同様なため、以下詳細な説明は省略する。
特開２００３−２９４１６５号公報（第００４４段落−第００４６段落、第１図、第２図、第９図） 特開２００３−２１２５２号公報（第００４２段落−第００５６段落、第２図）

しかしながら、＜従来技術１＞〜＜従来技術３＞には以下の問題点が存在する。
＜従来技術１＞では、検出スイッチとして原点スイッチ１４１や調整限度点スイッチ１４２を設ける必要があり、コストアップにつながったり、流体制御弁が大型化するおそれがある。また、検出スイッチには検出幅にバラツキが存在しうる。特に、原点スイッチ１４１は弁開停止位置の下限を規定するものであるところ、その検出幅のバラツキが弁閉方向に生じてしまった場合には、ナット１３２が弁閉方向に過分に移動してしまう。そのため、ダイアフラム弁体１２４を弁座１２５に着座させた後、更にダイアフラム弁体１２４を弁座１２５に無理に押し付けるおそれがある。従って、過分にモータの回転荷重が弁体１２４を介して弁座１２５に作用し、その作用が長時間続けば弁座１２５のへたりなどを生ずるおそれがある。

＜従来技術２＞では、ステッピングモータ２１５の回転を検出するためのエンコーダなどが必要になり、コストアップにつながったり、流体制御弁が大型化するおそれがある。

＜従来技術３＞では、ステッピングモータ、及びギアボックス・軸・カップリング・ネジ部材などの各機構に過大な負荷が長時間かかることになり、それらの耐久性に不具合が生じるおそれがある。

本発明は以上のような課題を解消するためになされたものであり、コストダウンを図りつつ耐久性に優れ、かつコンパクトな流体制御弁について、微小流量の制御も可能な制御方法を提案することを目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は以下の特徴を有する。
（１）ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、ステッピングモータの駆動電圧波形の変化からステッピングモータの脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定すること。

（２）さらにステッピングモータの駆動電圧波形の変化の検出には、ＡＤコンバータを使用すること。

（３）さらにステッピングモータの駆動電圧波形の変化の検出には、パルス時間の変化の検出回路を使用すること。

本発明は、ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、前記ステッピングモータの駆動電圧波形の変化から前記ステッピングモータの脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定するので、ステッピングモータの駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

本発明は、さらにステッピングモータの駆動電圧波形の変化の検出には、ＡＤコンバータを使用するので、確実にステッピングモータの駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

本発明は、さらにステッピングモータの駆動電圧波形の変化の検出には、パルス時間の変化の検出回路を使用するので、確実にステッピングモータの駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明の流体制御弁１の制御方法として実施例１について説明する。
まず、流体制御弁１の構成を説明する。
図１に示すように流体制御弁１は、バルブボディ１１と、バルブボディ１１の上方に固設されたハウジング１３と、ハウジング１３の上方に固設されたカバー１４とによって全体の外形をなしている。流体制御弁１は、おもに駆動機構部と弁機構部により構成されている。
駆動機構部は、ステッピングモータ１５、軸３５、フランジ部材３４、シャフト３３、ピストン２１、スプリング３１からなる。ステッピングモータ１５はピストンシリンダ１２の上方に装着され、軸３５はステッピングモータ１５と連結し、フランジ部材３４は軸３５と一体となっている。シャフト３３はフランジ部材３４と係合する一方、ネジ部３３ａが設けられ、ピストンシリンダ１２のネジ部１２ａと螺合する。ピストン２１はスプリング３１により上方に付勢されつつシャフト３３と当接および離間する。
弁機構部は、バルブボディ１１、ダイアフラム弁体２４、弁座２５、ポート２６、ポート２７などにより構成されている。ダイアフラム弁体２４はピストン２１と一体になっており、弁座２５と当接および離間する。

次に、流体制御弁１の作用を説明する。
以下、「全開状態」とは弁機構部の開弁度が最大の弁開状態といい、「全閉状態」とは弁機構部の開弁度が０の弁閉状態をいうものとする。
図１は流体制御弁１の全開状態を示す。この状態から、コントローラ（不図示）により指令パルスを与えてステッピングモータ１５を回転させる。このステッピングモータ１５の回転により、軸３５およびフランジ部材３４が回転し、シャフト３３も一体となって回転する。シャフト３３はピストン２１を介してスプリング３１により上方へ付勢されているが、この付勢力に抗して回転しながらピストンシリンダ１２のネジ部１２ａとの間で形成されたネジの作用によって下方へ移動する。シャフト３３が下方へ移動すると、スプリング３１による上方への付勢力に抗してピストン２１が下方へ移動する。ピストン２１が下方へ移動すると、ピストン２１と一体のダイアフラム弁体２４も下方へ移動し、いずれ弁座２５と当接することになる。これにより、流体制御弁１は全閉状態になる。

ここで、ダイアフラム弁体２４が弁座２５に当接して全閉状態になると、ダイアフラム弁体２４はこれ以上下方へ移動できない。このとき、ステッピングモータ１５の回転が抑制されてステッピングモータ１５に急激に負荷がかかり、指令パルスに追従して回転できなくなる。そのため、ステッピングモータ１５に脱調現象が生じる。

一方、図２は流体制御弁１の全閉状態を示す。この状態から、コントローラ（不図示）により指令パルスを与えてステッピングモータ１５を前記と逆方向に回転させる。このステッピングモータ１５の回転により、軸３５およびフランジ部材３４が回転し、シャフト３３も一体となって回転する。シャフト３３はピストン２１を介してスプリング３１により上方へ付勢されているが、この付勢力に従って回転しながらピストンシリンダ１２のネジ部１２ａとの間で形成されたネジの作用によって上方へ移動する。シャフト３３が上方へ移動すると、スプリング３１による上方への付勢力に従ってピストン２１が上方へ移動する。ピストン２１が上方へ移動すると、ピストン２１と一体のダイアフラム弁体２４も上方へ移動し、弁座２５と離間することになる。これにより、流体制御弁１は弁開状態になる。

続いて、さらにステッピングモータ１５を回転させると、シャフト３３の上面がフランジ部材３４に当接し流体制御弁１が全開状態になる。シャフト３３はこれ以上、上方に移動できず回転できなくなり、ステッピングモータ１５の回転が抑制されてステッピングモータ１５に急激に負荷がかかり、指令パルスに追従して回転できなくなる。そのため、ステッピングモータ１５に脱調現象が生じる。

そこで、この脱調現象を検出することで瞬時にステッピングモータ１５の回転を停止させることができれば、弁開・弁閉動作にあたりステッピングモータ１５を含めた各駆動機器に余分な負荷がかかることを防止できる。
本発明は、かかる観点から行なう流体制御弁の制御方法である。

そこで、図３に示すような検出回路を設け、その電圧波形取込部にＡＤコンバータを使用する。なお、モータ制御回路はＡＤコンバータを内蔵したマイコンを使用することが安価で望ましい。このとき、ステッピングモータ１５が回転すると、図５に示すようなサージ波形が検出される。
ここで、このようなサージ波形が検出される理由について説明する。図４にステッピングモータドライバにおける電流の流れを示す。図４の（１）の状態から、ステッピングモータ１５に次の指令パルスを与えるべく、トランジスタをＯＦＦした直後にはコイルＬにより、（２）のような瞬間電流が流れた後に、（３）に示すような電流が流れる。そのため、図５に示すＡ点における電圧の波形を検出すると図５のような結果となる。
ここで、ステッピングモータ１５が脱調する時には、永久磁石のローター（不図示）が回転方向に振動する。そのため、この振動によりコイルＬが発電機のような役割をなし図４（２）における瞬間電流の値に変動が生じ、図５とは異なる結果が得られる。

そこで実施例１では、このＡ点における電圧の波形において所定のしきい値を定め、しきい値以上の波形（すなわち、図５の（２）のような瞬間電流の発生による電圧波形）について所定のサンプリング間隔によるカウント回数を検出する。なお、このサンプリング間隔は０．１ｍｓ程度を想定している。
すると、流体制御弁１が全開状態と全閉状態の間を動作をしている間、すなわちステッピングモータ１５が正常に回転している間は、図６に示すように毎回ほぼ同じカウント回数が検出される。

一方、流体制御弁１が全開・全閉状態になる時、すなわちステッピングモータ１５の回転が抑制される時は、前記のようにステッピングモータ１５に脱調現象が生じ、図７に示すようなサージ波形が検出される。この波形において所定のしきい値を定め、しきい値以上の波形について所定のサンプリング間隔によるカウント回数を検出する。すると、回によっては異なるカウント回数（正常時の７０％以下）が検出される。そこで、誤検知を防止するため、このような波形の検出が所定の時間続いたときに、ステッピングモータ１５の脱調を認識することとする。なお、このときの「所定の時間」としては、サージ波形の１０個分として、わずか０．１ｓ程度を想定している。

以上のようにステッピングモータ１５の脱調を認識することにより、指令パルスの入力を止めてステッピングモータ１５の回転を直ちに止めれば、瞬時に流体制御弁１の開閉動作を停止させることができる。
従って、ステッピングモータ１５、及びギアボックス３６・軸３５・ネジ３３などの駆動機構、および弁体２４や弁座２５などの弁機構に過大な負荷が長時間かかることはなく、それらの耐久性を上げることができる。
また、瞬時に全開・全閉状態を検出して正確な全開・全閉位置で停止することができるので、わずかな弁開度であっても調整が可能になり、微小流量の制御が可能になる。

実施例１によれば、エンコーダなどステッピングモータ２１５の回転の検出に必要な構成は不要となり、コストダウンを図ることができる。
また、検出スイッチなどの構成も不要で、流体制御弁のコンパクト化が図れる。

以上のような実施例１により、以下の効果が得られる。
本発明は、ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、ステッピングモータ１５の駆動電圧波形の変化からステッピングモータ１５の脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定するので、ステッピングモータ１５の駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

本発明は、さらにステッピングモータ１５の駆動電圧波形の変化の検出には、ＡＤコンバータを使用するので、確実にステッピングモータ１５の駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

本発明の流体制御弁の制御方法についての実施例２について説明する。
実施例１と同様に図３に示すような検出回路を設けるが、その電圧波形取込部には図８示すような回路を使用する。
すると、流体制御弁１が全開状態と全閉状態の間を動作をしている間、すなわちステッピングモータ１５が正常に回転している間は、図９に示すようなサージ波形が検出される。この波形において所定のしきい値を定めると、図９に示すように、しきい値以上の値について毎回ほぼ同じ時間ｔの長さの波形が検出される。

一方、流体制御弁１が全開・全閉状態になる時、すなわちステッピングモータ１５の回転が抑制される時は、前記のようにステッピングモータ１５の脱調現象が生じ、図１０に示すようなサージ波形が検出される。この波形において所定のしきい値を定めると、図１０に示すように、しきい値以上の値について回によっては異なる時間ｔの長さの波形が検出される。そこで、誤検知を防止するため、このような波形の検出が所定の時間続いたときに、ステッピングモータ１５の脱調を認識することとする。

以上のようにステッピングモータ１５の脱調を認識することにより、指令パルスの入力を止めてステッピングモータ１５の回転を直ちに止めれば、瞬時に流体制御弁１の開閉動作を停止させることができる。
従って、ステッピングモータ１５、及びギアボックス３６・軸３５・ネジ３３などの駆動機構、および弁体２４や弁座２５などの弁機構に過大な負荷が長時間かかることはなく、それらの耐久性を上げることができる。
また、瞬時に全開・全閉状態を検出して正確な全開・全閉位置で停止することができるので、わずかな弁開度であっても調整が可能になり、微小流量の制御が可能になる。

実施例２によれば、エンコーダなどステッピングモータ２１５の回転の検出に必要な構成は不要となり、コストダウンを図ることができる。
また、検出スイッチなどの構成も不要で、流体制御弁のコンパクト化が図れる。

以上のような実施例２により、以下の効果が得られる。
本発明は、ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、ステッピングモータ１５の駆動電圧波形の変化からステッピングモータ１５の脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定するので、ステッピングモータ１５の駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

本発明は、さらにステッピングモータ１５の駆動電圧波形の変化の検出には、パルス時間の変化の検出回路を使用するので、確実にステッピングモータ１５の駆動機構および弁機構の耐久性を上げることができ、かつ微小流量の制御が可能になるとともに、流体制御弁のコストダウン・コンパクト化を図ることができる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様
々な変更が可能である。

実施例１の流体制御弁（弁開状態）の断面図である。 実施例１の流体制御弁（弁閉状態）の断面図である。 実施例１、２の検出回路を示す図である。 ステッピングモータドライバを示す図である。 実施例１、２の検出回路にて得られるサージ波形を示す図である。 実施例１においてステッピングモータが正常に回転するときの波形を示す図である。 実施例１においてステッピングモータが脱調するときの波形を示す図である。 実施例２の電圧波形取込部における回路を示す図である。 実施例２においてステッピングモータが正常に回転するときの波形を示す図である。 実施例２においてステッピングモータが脱調するときの波形を示す図である。 特許文献１における流体制御弁１０１の断面図である。 特許文献１における流体制御弁１０１の原点スイッチ及び調整限度点スイッチ周辺の構造を示す断面図である。 特許文献２における流体制御弁２０１の断面図である。

符号の説明

１ 流体制御弁
１１ バルブボディ
１２ ピストンシリンダ
１３ ハウジング
１４ カバー
１５ ステッピングモータ
２１ ピストン
２４ ダイアフラム弁体
２５ 弁座
３１ スプリング
３３ シャフト
３５ 軸

Claims (3)

1. ステッピングモータの駆動により弁開および弁閉を行なう流体制御弁の制御方法において、
   前記ステッピングモータの駆動電圧波形の変化から前記ステッピングモータの脱調現象を検出することにより、弁の全開および全閉停止位置を決定することを特徴とする流体制御弁の制御方法。
2. 請求項１の流体制御弁の制御方法において、
   前記ステッピングモータの脱調現象の検出には、ＡＤコンバータを使用することを特徴とする流体制御弁の制御方法。
3. 請求項１の流体制御弁の制御方法において、
   前記ステッピングモータの脱調現象の検出には、パルス時間の変化の検出回路を使用することを特徴とする流体制御弁の制御方法。
   

Images