JP2006078466A - 流量計及びこれを用いた流量制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】出口環境が一定圧力の流体流路を流れる液体の微小流量を測定する流量計であって、流体流路1の出口側端部に接続され、流体流路1よりも流路断面積を小さく設定して出口環境を一定圧力とした所定長さの流量測定管路部5と、流体流路1の出口近傍に設置して流量測定管路部5の上流側で液体の圧力を検出する圧力センサ3と、圧力センサ3で検出した流体圧力から流量を算出する圧力検出制御部4とを具備して構成した。
【選択図】図1
Description
また、上述した差圧式の流量計においては、圧力損失の問題に加えて、加工精度の確保にコストが嵩むという問題があるため、たとえば流路内に開口するスリットを設けた一対のプローブを設けておき、両プローブ内に流入する流体の差圧を検出するように構成したものが提案されている。この差圧式流量計は、動圧計測原理に従う流量計であって、計測精度が向上するとともに、構造が簡単で安価に製造できるとされる。(たとえば、特許文献1参照)
しかし、このような構成のボディでは、穴の埋め戻し部分で本来必要な流路以外にも空間が形成されるため、この部分に流体の滞留が生じやすかった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気泡の発生を防止または抑制して微小流量域における優れた測定精度の流量測定が可能となり、かつ流体や気泡の滞留が生じにくい流量計及び流量制御システムを提供することにある。
本発明に係る流量計は、出口環境が一定圧力の流体流路を流れる液体の微小流量を測定する流量計であって、
前記流体流路の出口側端部に接続され、前記流体流路よりも流路断面積を小さく設定して出口環境を一定圧力とした所定長さの流量測定管路部と、前記流体流路の出口近傍に設置して前記流量測定管路部の上流側で前記液体の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出した流体圧力から流量を算出する圧力/流量変換手段と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
また、請求項1に記載の流量計においては、前記出口環境の一定圧力が大気開放による大気圧であることが好ましい。
なお、上記の流量測定管路部については、その出口位置を圧力検出手段より高く設定することにより、流量の測定値を安定させることができる。
なお、出口環境を大気開放の大気圧とすれば、流出した気泡が大気に拡散して消滅することとなる。
また、流量測定管路部の素材としては、細長い流路を形成できるものであれば特に限定する必要はないが、半導体製造装置に適用する場合は、耐薬品性から熱可塑性樹脂のPFA、PTFEやPEEK(ピーク)と呼ばれるエンジニアリングプラスチックを採用するのが好ましく、機械的強度、耐熱性及び耐薬品性に優れているため測定誤差の原因となる熱変形等を防止することができる。
そして、上記の流量計は、微小流量の測定精度が高く、しかも気泡の発生を最小限に抑えることができるため、特に半導体製造装置の洗浄ラインにおいて、純水に微小流量の薬液を混合する場合の薬液流量制御に好適である。
これら流量制御弁と流量計とは、ボディの一面側に設けられていて、ボディ内に設けられた流体流路によって接続されている。
すなわち、流体流路において、流量制御弁と流量計とを接続する領域は、ボディに対してその一面側から設けられた二つの傾斜穴によって構成されており、流体流路の形状が単純となり、流体流路内に流体の滞留が生じにくい。
また、このように、流体流路において流量制御弁と流量計とを接続する領域が、二つの傾斜穴を形成することによって作成されており、また穴の埋め戻しが不要であるので、ボディの加工が最小限で済み、製造が容易である。
このように構成される流量制御システムでは、流体流路の少なくとも一部が、入口側よりも出口側が上方に位置するように傾斜しているので、この領域内で発生した気泡またはこの領域内に流入した気泡には、自身の浮力が流体流路の出口側に向けて作用する。
このため、流体流路内を流れる流体の流量がごくわずかな場合にも、気泡が流体流路の出口側に移動しやすくなり、流体流路内で気泡が滞留しにくくなる。
このように構成される流量制御システムでは、台座の上面が傾斜面とされているので、この台座上に載置されるボディは、台座がない状態に比べて、流体流路の出口側の位置が高くなる。
これにより、ボディ内の流体流路のうち、入口側と出口側との高さが等しい領域においては出口側の位置が高くなり、入口側が出口側よりも高い領域では、入口側と出口側との高低差が少なくなり、いずれの領域においても、気泡が流体流路の出口側に移動しやすくなって、気泡が滞留しにくくなる。
このため、この流量制御システムは、製造時やメンテナンス時において組立作業者の技術レベルによらずに高精度な組み付けを容易かつ迅速に行うことができ、生産性、作業性に優れるとともに、製品ごと、またはメンテナンス作業ごとの組立精度のばらつきを低減して、流量制御弁としての性能を高水準に保つことができる。
また、この流量制御システムでは、流量制御弁のモータの位置決め基準面が筒状内面である場合には、固定部材の位置決め面は位置決め基準面と略同形状の筒状面とされ、固定部材の位置決め面をモータの位置決め基準面の内周側に挿入してモータと固定部材とを係合させることで、ボディに対するモータの位置と向きとの双方について位置決めが行われる。
この流量制御システムでは、弁体の動作範囲が予め定められており、弁体が動作範囲の端部(動作範囲と動作範囲外との境界)に達すると、ストッパによって弁体が受けられて、それ以上の弁体の移動が規制されるので、ネジ部の噛み込み等の問題が確実に防止される。
なお、この流量制御弁では、予め設定した動作範囲が、弁体の実質的な可動範囲となる。
これにより、この流量制御システムでは、流量制御弁の弁体が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
そこで、制御装置を、弁体を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータの駆動電流の出力制限値を第1制限値に設定し、弁体を可動範囲の端部から離間させる際には出力制限値を第1制限値よりも大きい第2制限値に設定する構成とすることで、弁体を可動範囲の端部から離間させる際のモータの駆動トルクを、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際のモータの駆動トルクよりも大きくすることができる。
そこで、制御装置を、弁体を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータの回転軸を第1回転速度で回転させ、弁体を可動範囲の端部から離間させる際には第1回転速度よりも低速の第2回転速度で回転させる構成とすることで、弁体を可動範囲の端部から離間させる際のモータの駆動トルクを、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際のモータの駆動トルクよりも大きくすることができる。
これにより、回転軸の回転が終了した時点では、弁体は、位置校正作業の開始時点における位置(初期位置)によらず、可動範囲の他端に位置することになる。なお、弁体の位置校正開始時点で弁体が可動範囲の一端以外に位置している場合には、回転軸がモータに入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度だけ回転する前に、弁体が可動範囲の他端に到着してそれ以上移動できなくなるので、以降は残りのパルス数によらず、回転軸が回転しない。
可動範囲内では、モータに入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度で回転軸が回転するので、パルス信号のパルス数と弁体の位置との間に一定の関係が成立する。
これにより、この流量制御システムでは、流量制御弁の弁体を、一旦可動範囲の他端に位置させたのちは、以降にモータに入力したパルス信号のパルス数に基づいて弁体の位置を特定することが可能となり、ロータリーエンコーダを用いずに、弁体の位置を正確に把握することができる。
このように構成される流量制御システムでは、流量制御弁の弁体の位置校正にあたって、ニードルバルブのニードルを構成する弁体が、可動範囲のうちの開放側、すなわちニードルバルブを構成する他の部材との干渉を避ける方向に向けて移動させられるので、弁体の位置校正を繰り返しても、弁体やニードルバルブ本体に損耗が生じにくい。
これにより、この流量制御弁では、弁体が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
このように構成される流量制御システムでは、流量制御弁の弁体が流体の圧力を受けた際に弁体及びネジ部を介して回転軸に伝達されたスラスト荷重が、モータ本体外部に設けられたスラスト軸受によって受けられて、モータ本体に逃がされるので、モータ内の回転軸の支持構造に加わる負担が軽減され、長期にわたってモータの性能を維持することができる。
また、本発明の流量計は気泡の発生が低減されているので、これを半導体製造装置の洗浄ラインにおける薬液注入量の制御に適用すれば、洗浄水に含まれた気泡による製品(ウエハ等)への悪影響が改善されて不良品の発生を低減し、歩留まりを大幅に向上させるという顕著な効果が得られる。
また、本発明にかかる流量制御システムによれば、高価なロータリーエンコーダを用いずに、流量制御弁の弁体の位置を正確に把握することができる。
以下、本発明に係る流量計の第1実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係る流量計の構成図である。この流量計10は、出口を大気開放とした流体流路1を流れる液体の微小流量を測定するもので、流体流路1の出口側となる端部1aの近傍には、開度を調整して流体流量を制御する流量制御弁2と、液体の圧力を検出する圧力検出手段となる圧力センサ3とが設けられている。この圧力センサ3で検出した流体圧力は、圧力/流量変換手段となる圧力検出制御部(以下、「制御部」と呼ぶ)4に入力される。なお、ここで採用する圧力センサ3は、流体圧力を検出できれば特に限定されることはないが、たとえばピエゾ式圧力センサや静電容量式圧力センサが好ましい。
そして、流体流路1の出口側となる端部1aには、流体流路1よりも流路断面積を小さく設定して出口側を大気開放とした所定長さLの流量測定管路部(以下、「管路部」と呼ぶ)5が接続されている。この管路部5は、流路断面積を絞ることで差圧を生じさせる機能を有している。この差圧は、管路部5の上流側(1次側)圧力となる圧力センサ3の検出値と、大気開放により一定となる既定値の大気圧との差を算出して得られる。
これは、圧力測定点には出口5aまでの流体流れにより生じる圧力損失と高低差によるヘッド圧力とを加算したバックプレッシャーとが作用するので、出口5a側を高く設定することにより、液体を押し出す力及びバックプレッシャーの力は、互いに反対方向へ作用することとなるので、その釣り合いを適宜調整することにより、安定した流量制御が可能になる。
なお、弁の開度調整では通常大気圧より圧力を下げることはできないので、出口5aの位置を圧力測定点より低く設定すると微小流量域(具体的には、管路部に発生する圧力損失<ヘッド圧力差)では制御ができず、従って、流量は不安定になりやすい。
このため、液体の流量が微小であっても、誤差の少ない正確な流量測定が可能となり、たとえば1ml/min.程度の非常に微小な液体流量を±10%の誤差範囲内で測定することも可能になる。
また、流量測定管路部の素材としては、金属管やプラスチック製の管を採用可能であるが、より好ましい素材としては、熱可塑性樹脂のPEEK(ピーク)と呼ばれるエンジニアリングプラスチックを採用するとよい。このPEEKは、機械的強度、耐熱性及び耐薬品性に優れているため、測定誤差の原因となる熱変形等による内径dの変動等を防止することができる。
この実験では、流体流路1を流す液体21として水を使用する。この液体(水)は密閉したタンク22内に貯蔵され、その液面上から気体(窒素ガス:N2 )23により加圧して、端部が液中に開口する流体流路1に押し出す方式を採用している。加圧用の気体23は圧力容器内に貯蔵され、圧力コントローラ24を介して所定圧力に調整した後、気体流路25を通ってタンク22内に供給される。なお、流量制御弁2としては、モータ駆動ニードルバルブを使用している。
ここで、実験の諸条件を以下に示す。
1)使用液体 水
2)水温 23℃
3)気温 21℃
4)一次圧力(流量制御弁2の上流側圧力) 100kPa
5)流体流路配管(一次側配管) 1/4インチ(呼称)
6)流量測定管路部(二次側配管)材質 PTFE
7)流量測定管路部(二次側配管)径 3Φ(外径)/0.5Φ(内径)
8)流量測定管路部(二次側配管)長さ 3m
9)流量制御弁の閉時圧力 −0.75kPa
(流量測定管路部5の出口5aが下向きに折曲され、使用液体が管路部内に残留して いる場合)
実験開始前の準備として、タンク22に液体(水)21を所定量満たして密閉するとともに、気体(N2 )23の供給系統を接続する。このとき、流量制御弁2は全閉とする。この状態から圧力コントローラ24を操作し、所定圧力の気体23をタンク22内に供給してタンク22の内部を加圧する。
次に、流量制御弁2を開くと、気体23に加圧された液体21が流体流路1及び流量制御弁2を通って流れる。このとき、圧力センサ3の検出値が所定の設定圧力となるようにして、圧力検出値の入力を受けた圧力検出制御部4が流量制御弁2の開度制御を行う。こうして設定圧力に落ち着いた状態とした後、容器27に流下する液体21の重量変化を電子天秤26で測定した結果に基づいて流量を算出する。
この実験結果によれば、圧力と流量との関係が右上がりの直線となるので、圧力センサ3で圧力を検出すれば、この実験結果の直線から流量を容易に算出することができる。すなわち、本発明の流量計10では、上述した実験により図3のような特性を求め、この特性を予め制御部4に記憶させておくことにより、圧力センサ3の測定値から液体の流量を精度よく算出することができる。なお、流量制御弁2については、流量制御システムの構築には必須となるが、流量計としての機能だけを望む場合には手動の開閉弁としたり、あるいは省略することも可能である。
この場合、純水を流す洗浄液主ラインが液体(薬液)の出口環境となり、この出口環境は、所定の一定圧力に保持されている。従って、管路部5を接続して薬液を注入する純水の流れは、予め定めた一定圧力の流れであるから、上述した大気開放の場合と同様に、1個の圧力センサ3のみで流量測定を行うことができる。すなわち、圧力センサ3の検出値と所定圧力との差から差圧を算出してもよいし、より正確に差圧を算出するためには、上述した実験と同様に、流量制御弁2の全閉時圧力を基準として圧力センサ3の検出値との差圧を算出してもよい。
そして、上記の流量計は、微小流量の測定精度が高く、しかも気泡の発生を最小限に抑えることができるため、特に半導体製造装置の洗浄ラインにおいて、純水に微小流量の薬液を混合する場合の薬液流量制御に好適である。また、たとえば過酸化水素水のように、飽和蒸気圧の関係で自ら発泡する液体の流量測定に使用する場合であっても、流量計10の通過による気泡の発生は他の液体と同様に抑制される。
以下、本発明による流量制御システムの一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図4に示すように、本実施形態にかかる流量制御システム100は、第1実施形態に示した流量計10において、流量制御弁2の代わりに流量制御弁110を用い、この流量制御弁110と前記の流量計3とを、内部に流体流路101が設けられるブロック状のボディ112の一面側(本実施形態では上面側)に設けたことを主たる特徴とするものである。
以下、第1実施形態で示した流量計10と同様または同一の構成については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
駆動部111は、モータ115と、カップリング116と、スライダ117と、ストッパ118と、パッキン119と、ダイヤフラムカバー120と、スプリング(付勢手段)121、カバーフランジ122と、カバー123とを備えたものである。
図5に示すように、カップリング116は、その中央部に回転軸115aを受け入れる凹部116aが形成されているとともに、その下端部から下方に向かって突出する凸部116bが形成された、断面視略T字状を有する円筒形の部材である。また、凸部116bの外表面には雄ネジ部116cが形成されており、後述するスライダ117の雌ネジ部117aと螺合するようになっている。
スライダ117の上側中央部には、カップリング116の凸部116bを受け入れる第1の凹部117cが形成されているとともに、その表面には、凸部16bの雄ネジ部116cと螺合する雌ネジ部117aが形成されている。また、この雌ネジ部117aの半径方向外側には、周方向にわたって平面視輪状の凹溝117dが設けられており、スプリング121の一端面(図において下側の端面)が収容されるようになっている。
このように構成されたスライダ117は、モータ115の回転軸115aとともに回転するカップリング116により、モータシャフト131に沿って昇降するようになっている。
なお、モータシャフト131は、ネジ132を介してカバーフランジ122に固定されている。
すなわち、ストッパ118は、その凸部118aがスライダ117の第2の凹部117eにねじ込まれることによりスライダ117に固定され、スライダ117とともに昇降するようになっている。
なお、ストッパ118の凸部118aをスライダ117の第2の凹部117eにねじ込む際にはパッキン119の内周端部がストッパ118とスライダ117との間に挟み込まれて固定されるようになっている。
なお、これらダイヤフラムカバー120およびカバーフランジ122は、ナベ小ネジ133を介してボディ112およびベース113に固定されている(図4参照)。
また、ダイヤフラムカバー120の下面には、ダイヤフラムニードル114の外周端部に上方に向かって輪状に形成された凸部114aを収容する凹溝120dが設けられている。
また、ボディ112の一側面(図において左側の面)には流体入口部141が設けられており、流体入口部141の反対側に位置する他側面(図において右側の面)には流体出口部142が設けられている。
また、ダイヤフラム収容部143bはニードル収容部143aの半径方向外側で、かつニードル収容部143aの底面よりも上方に形成されているとともに、半径方向内側から半径方向外側に向かって漸次その深さが浅くなるように形成された、平面視ドーナツ状を呈するすり鉢状の空間である。さらに、ダイヤフラム収容部143bには、接続路145と連通する流体出口143cが形成されている。
そして、ボディ112の上面には、ダイヤフラムニードル114の外周端部に下方に向かって輪状に形成された凸部114dを収容する凹溝112aが設けられている。
ポート144は、内部に圧力センサ3のセンサ本体3aを受け入れることで、センサ本体3aとの間に流体流路1の一部を構成するものである。すなわち、本実施形態では、圧力センサ3は、ポート144とセンサ本体3aとの間の領域における流体の圧力を測定する構成とされている。
センサホルダ3bは、下部がボディ112の上面のポート144の周縁部を気密、液密に覆う円盤形状をなしている。
ここで、センサ本体3aは、その信号線がセンサホルダ3bを通じてセンサホルダ3bの上面側に引き出されて、制御部4につながるケーブル129aと接続されている。
センサホルダ3bの上部には、センサ本体3aの信号線とケーブル129aとの接続部を覆う保護カバー3cが設けられている。
ベース113は、ボディ112の下面に当接して配置される板状の部材であり、その下端部にはナベ小ネジ133の頭部を収容する凹所113aが設けられている。
ボディ112内の流体流路において、流量制御弁110と圧力センサ3とを接続する領域(接続路145)は、ボディ112の一面に対して傾斜する第1傾斜流路145aと第2傾斜流路145bとによって構成された、略V字形状をなしている。
すなわち、ボディ112内の流体流路において、流量制御弁110と圧力センサ3とを接続する領域は、ボディ112に対してその上面側から設けられた二つの傾斜穴によって構成されており、流体流路の形状が単純となり、流体流路内に流体の滞留が生じにくい。
また、このように、ボディ112内の流体流路において流量制御弁110と圧力センサ3とを接続する領域が、二つの傾斜穴を形成することによって作成されており、また穴の埋め戻しが不要であるので、ボディ112の加工が最小限で済み、製造が容易である。
これにより、このベース113に載置されるボディ112内の流体流路を構成する第1流路141bの水平部及び第2流路142bの水平部は、出口側の位置が入口側の位置よりも高くなり、第1傾斜流路145aは、入口側と出口側との高低差が少なくなる。
このため、第1、第2流路141b、142bの水平部内で発生した気泡、またはこれら水平部内に流入した気泡には、自身の浮力が流体流路の出口側に向けて作用するので、気泡が流体流路の出口側に移動しやすくなって、気泡が滞留しにくくなる。
このため、流体流路内を流れる流体の流量がごくわずかな場合にも、気泡が流体流路の出口側に移動しやすくなり、流体流路内で気泡が滞留しにくくなる。
ここで、本実施形態のようにベース113の上面113aを傾斜面とする代わりに、ボディ112内の流体流路の各部について、出口側が入口側よりも高くしたり、設計上出口側を入口側よりも下方に設定せざるを得ない領域について、出口側と入口側の高低差を最小にするように設計することで、同様の効果を得ることができる。
なお、流体の流量を減らしたい場合や、バルブ自体を閉じたい場合には、モータ115を操作して、モータ115の回転軸115aを他方向(例えば、図4を上方から見て反時計方向)に回転させていけばよい。
図7(a)は、本実施形態による流量制御弁110を閉じた状態から回転軸115aを開く方向に3回転させて全開状態とした後、回転軸115aを閉じる方向に回転させていったときの流量を回転軸115aの回転角度毎に測定したグラフであり、グラフ中の×印は閉じた状態から開いていくときの測定値、グラフ中の△印は開いた状態から閉じていくときの測定値を示している。
図7(b)は、スライダ117に下向きの付勢力を与えるスプリング121を具備していない流量制御弁を閉じた状態から回転軸115aを開く方向に3回転させて全開状態とした後、回転軸115aを閉じる方向に回転させて、図7(a)と同様の測定を行った結果を示すグラフであり、グラフ中の*印は閉じた状態から開いていくときの測定値、グラフ中の●印は開いた状態から閉じていくときの測定値を示している。
このように、スプリング121によりスライダ117に常に下向きの付勢力が加わるようにした流量制御弁110によれば、バルブの開閉による流量差、すなわち、流量のヒステリシスを大幅に低減あるいはほとんどなくすことができる。
さらに、ダイヤフラムニードル114の外周端部には、上方に向かって凸部114aが設けられ、下方に向かって凸部114dが設けられているとともに、これら凸部114a,114dがそれぞれ、ダイヤフラムカバー120の凹溝120d、ボディ112の凹溝112aにそれぞれ密着して収容されるようになっているので、ダイヤフラムニードル114の下方から上方への(液状)流体の流通を防止することができる。
本発明による流量制御システムの他の実施形態を、図6を用いて説明する。
本実施形態における流量制御システムは、第2実施形態に示した流量制御システム100において、流量制御弁110の代わりに、流量制御弁150を用いたことを主たる特徴とするものである。流量制御弁150は、スプリング121の代わりにスプリング51が設けられているという点で前述した第2実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第2実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第2実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
その他の効果については前述した第2実施形態のものと同じであるのでここではその説明を省略する。
これによりモータ115とスライダ117との間の距離を短くすることができて、流量制御弁110,150の長手方向長さ(縦方向の長さ)を短くすることができ、バルブの小型化を図ることができる。
以下、本発明による流量制御システムの他の実施形態を、図8及び図9を参照しながら説明する。
本実施形態に示す流量制御システムは、第3実施形態に示した流量制御システムにおいて、流量制御弁150の代わりに、流量制御弁160を用いたことを主たる特徴とするものである。流量制御弁160は、第3実施形態に示す流量制御弁150において、ボディ112に対するモータ115の取付構造を変更したことを主たる特徴とするものである。以下、第3実施形態に示す流量制御弁150と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態に示す流量制御弁160では、モータ115をボディ112に固定する固定部材として、ダイヤフラムカバー120、カバーフランジ122、及びモータシャフト131の代わりに、これらの一部構成を変更した、ダイヤフラムカバー170、カバーフランジ172、及びハウジング181が用いられている。
また、モータ115の下面115cは、回転軸115aと略直交する平面とされている。
ハウジング181は、内部にモータ115の回転軸115aが挿通されて内部でのスライダ117の上下変位を許容する略円筒形状の部材である。
内フランジ182の内周面は、その内径がモータ115の円柱部162の外径とほぼ同径の円筒内面形状とされており、この内周面が、モータ115の第1位置決め基準面163を受けてモータ115を内フランジ182の軸線と同軸となるように位置決めする第1位置決め面186とされている。
また、突条183の内周面は、第1位置決め面186と同軸の円筒内面形状をなす第2位置決め基準面187とされている。
円柱部173は、ハウジング181の突条183の内周側に挿入されるものであって、その外周面は、ハウジング181の突条183の内径とほぼ同径の円筒面をなしており、この外周面が、ハウジング181の第2位置決め基準面187を受けてハウジング181を貫通穴122aと同軸となるように位置決めする円筒形状の第2位置決め面175とされている。
ここで、カバーフランジ172の上面において、円柱部173の外周側に位置する円環状部は、貫通穴122aと略直交する平面とされている。
また、突条174の内周面は、第2位置決め面175と同軸の円筒内面形状をなす第3位置決め基準面176とされており、突条174の先端面(下端面)は、貫通穴122aと略直交する平面とされている。
円柱部177は、カバーフランジ172の突条174の内周側に挿入されるものであって、その外周面は、カバーフランジ172の突条174の内径とほぼ同径の円筒面をなしており、この外周面が、カバーフランジ172の第3位置決め基準面176を受けてカバーフランジ172を貫通穴120aと同軸となるように位置決めする第3位置決め面179とされている。
なお、ダイヤフラムカバー170の外周面は、ボディ112に装着されるカバー123の内面によって受けられて、貫通穴120aがダイヤフラムニードル114と同軸になるように位置決めされている。
このガイドピン184の上端には、スライダ117の上面に張り出して、スライダ117の上面を受けるストッパ185が設けられている。
ストッパ185は、モータ115の回転軸115aを回転させてスライダ117を上昇させた際に、スライダ117がカップリング116の凸部116bの付け根に当接する前にスライダ117を受けて、それ以上のスライダ117の上昇を規制するものである。
この状態で、ハウジング181の突条183の内周側に、カバーフランジ172の円柱部173を挿入することで、ハウジング181の第2位置決め基準面187がカバーフランジ172の第2位置決め面175によって受けられて、ハウジング181の突条183がカバーフランジ172の円柱部173、突条174、及び貫通穴122aと同軸となる。すなわち、モータ115の回転軸115aが、カバーフランジ172の円柱部173、突条174、及び貫通穴122aと同軸となる。
ダイヤフラムカバー170は、ボディ112に対して、貫通穴120aがダイヤフラムニードル114と同軸になるように位置決めされるので、モータ115の回転軸115aも、ダイヤフラムニードル114と同軸となる。
このため、この流量制御弁160は、製造時やメンテナンス時において組立作業者の技術レベルによらずに高精度な組み付けを容易かつ迅速に行うことができるので、生産性、作業性に優れるとともに、製品ごと、またはメンテナンス作業ごとの組立精度のばらつきを低減して、流量制御弁としての性能を高水準に保つことができる。
モータや固定部材に設けられた位置決め基準面が複数の平面である場合には、これに結合される部材の位置決め面も各位置決め基準面に対応する複数の平面によって構成される。
なお、本実施形態の特徴的な構成は、第3実施形態に示した流量制御弁150に限らず、第2実施形態に示した流量制御弁110に適用することができる。
以下、本発明による流量制御システムの他の実施形態を、図10を参照しながら説明する。
本実施形態に示す流量制御システムは、第4実施形態に示した流量制御システムにおいて、流量制御弁160の代わりに、流量制御弁190を用いたことを主たる特徴とするものである。
流量制御弁190は、第4実施形態に示す流量制御弁160において、モータ115のモータ本体15d外部に、回転軸115aに加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受191を設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第4実施形態に示す流量制御弁150と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
このように構成される流量制御弁190では、ダイヤフラムニードル114が流体の圧力を受けた際に、本来はダイヤフラムニードル114、スライダ117、及びカップリング116を介して回転軸115aに伝達されるはずのスラスト荷重が、モータ本体15d外部に設けられたスラスト軸受191によって受けられて、モータ本体15dに逃がされるので、モータ115内の回転軸115aの支持構造に加わる負担が軽減され、長期にわたってモータ115の性能を維持することができる。
なお、本実施形態の特徴的な構成は、第4実施形態に示した流量制御弁160に限らず、第2実施形態に示した流量制御弁110や第3実施形態に示した流量制御弁150に適用することができる。
以下、本発明による流量制御システムの他の実施形態を、図11及び図12を参照しながら説明する。
本実施形態に示す流量制御システムは、第2、第3、第4、第5実施形態のいずれかに示した流量制御システムにおいて、流量制御弁として、流量制御弁201を用いたことを主たる特徴とするものである。
流量制御弁201は、第2、第3、第4、第5実施形態のいずれかに示す流量制御弁において、モータ115をステッピングモータとするとともに、モータ115の動作を制御する制御装置202を設けたことを主たる特徴とするものである。
制御装置202は、ダイヤフラムニードル114の位置校正にあたって、モータ115の回転軸115aを、ダイヤフラムニードル114がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度回転させるだけのパルス数のパルス信号をモータ115に入力し、回転軸115aが停止した位置でダイヤフラムニードル114が可動範囲の前記他端に位置していると判定して、以降は可動範囲内でダイヤフラムニードル114の位置制御を行う構成とされている。
本実施形態では、図12に示すように、制御装置202は、ダイヤフラムニードル114の位置校正にあたって、回転軸115aをダイヤフラムニードル114が可動範囲のうちの開放側(図4、図5、図6、図8及び図10における上方)に向けて移動する向きに回転させて、ダイヤフラムニードル114を全開位置まで移動させる。
本実施形態では、制御装置202は、回転軸115aが停止したのちに、ダイヤフラムニードル114を可動範囲の一端(全閉位置)まで移動させるだけのパルス数のパルス信号をモータ115に入力し、回転軸115aが停止した位置を、ダイヤフラムニードル114の位置制御の原点とし、以降はダイヤフラムニードル114を予め設定した動作範囲内に移動させて、必要な制御を行う。
これにより、本実施形態の流量制御弁201では、一旦ダイヤフラムニードル114を可動範囲の他端に位置させたのちは、以降にモータ115に入力したパルス信号のパルス数に基づいてダイヤフラムニードル114の位置を特定することが可能となり、ロータリーエンコーダを用いずに、ダイヤフラムニードル114の位置を正確に把握することができる。
これにより、この流量制御弁では、ダイヤフラムニードル114が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
そこで、制御装置202を、ダイヤフラムニードル114を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータ115の駆動電流の出力制限値を第1制限値V1に設定し、ダイヤフラムニードル114を可動範囲の端部から離間させる際には出力制限値を第1制限値V1よりも大きい第2制限値V2に設定する構成とすることで、上記の制御を実現することができる。
そこで、制御装置202を、ダイヤフラムニードル114を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータ115の回転軸115aを第1回転速度R1で回転させ、ダイヤフラムニードル114を可動範囲の端部から離間させる際には第1回転速度R1よりも低速の第2回転速度R2で回転させる構成とすることで、上記の制御を実現することができる。
1a 端部
2 流量制御弁
3 圧力センサ(圧力検出手段)
4 圧力検出制御部(圧力/流量変換手段)
5 流量測定管路部
10 流量計
100 流量制御システム
110 流量制御弁
112 ボディ
113 ベース(台座)
114 ダイヤフラムニードル(弁体)
115 モータ
115a 回転軸
115d モータ本体
116c 雄ネジ部
117a 雌ネジ部
119 パッキン
121 スプリング(付勢手段)
123 カバー
141 流体入口
142 流体出口
145a 第1傾斜流路
145b 第2傾斜流路
150 流量制御弁
151 スプリング(付勢手段)
160 流量制御弁
163 第一位置決め基準面
170 ダイヤフラムカバー(固定部材)
172 カバーフランジ(固定部材)
175 第二位置決め面
176 第三位置決め基準面
179 第三位置決め面
180 ハウジング(固定部材)
186 第一位置決め面
187 第二位置決め基準面
190 流量制御弁
191 スラスト軸受
201 流量制御弁
202 制御装置
Claims (13)
- 出口環境が一定圧力の流体流路を流れる液体の微小流量を測定する流量計であって、
前記流体流路の出口側端部に接続され、前記流体流路よりも流路断面積を小さく設定して出口環境を一定圧力とした所定長さの流量測定管路部と、
前記流体流路の出口近傍に設置して前記流量測定管路部の上流側で前記液体の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段で検出した流体圧力から流量を算出する圧力/流量変換手段と、
を具備して構成したことを特徴とする流量計。 - 前記出口環境の一定圧力が大気開放による大気圧であることを特徴とする請求項1に記載の流量計。
- 流量制御弁と、
請求項1または2に記載の流量計と、
一面側に前記流量制御弁と前記流量計とが設けられるとともに内部に前記流量制御弁と前記流量計とを接続する流体流路が設けられるブロック状のボディとを有し、
前記流体流路が、前記一面の前記流量制御弁が設置される領域から前記ボディ内部に向うにつれて漸次前記流量計の設置される領域に向う第1傾斜流路と、
前記一面の前記流量計が設置される領域から前記ボディ内部に向うにつれて漸次前記流量制御弁の設置される領域に向うとともに前記第1傾斜流路の先端に接続される第2傾斜流路とを有していることを特徴とする流量制御システム。 - 前記流体流路の少なくとも一部は、入口側よりも出口側が上方に位置するように傾斜していることを特徴とする請求項3記載の流量制御システム。
- 上面に前記ボディが載置される台座を有しており、
該台座の上面は、前記流体流路の入口側から前記流体流路の出口側に向うにつれて漸次上方に向う傾斜面とされていることを特徴とする請求項3または4に記載の流量制御システム。 - 前記流量制御弁が、前記ボディに取り付けられるモータと、
該モータの回転軸に対して、ネジ部を介して接続される弁体とを有しており、
前記モータに位置決め基準面が設けられ、
前記ボディに前記モータを固定する固定部材が設けられ、
該固定部材が、前記モータの前記位置決め基準面を受けて前記回転軸の位置と向きとのうちの少なくともいずれか一方を前記弁体の駆動に適した状態にして前記モータを位置決めする位置決め面を有していることを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の流量制御システム。 - 前記モータの前記位置決め基準面が前記回転軸に平行な筒状面または筒状内面をなし、
前記固定部材の前記位置決め面が、前記弁体の駆動方向に平行かつ前記位置決め基準面と同形状の筒状内面または筒状面をなしていて、前記位置決め面が前記位置決め基準面を受けた状態では前記回転軸の位置と向きとが位置決めされることを特徴とする請求項6記載の流量制御システム。 - 予め設定した動作範囲内での前記弁体の移動を許容しつつ前記動作範囲の端部に到達した前記弁体を受けて前記動作範囲外への移動を規制するストッパを有していることを特徴とする請求項6または7に記載の流量制御システム。
- 前記モータの動作を制御する制御装置を有しており、
該制御装置は、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータを第1駆動トルクで動作させ、
前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータを前記第1駆動トルクよりも大きい第2駆動トルクで動作させることを特徴とする請求項6または7に記載の流量制御システム。 - 前記弁体がニードルバルブのニードルを構成しており、
前記モータが、入力されたパルス信号のパルス数に比例した角度だけ前記回転軸を回転させるステッピングモータとされており、
前記モータの動作を制御して前記弁体の位置制御を行う制御装置が設けられ、
該制御装置は、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を、前記弁体がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度回転させるだけのパルス数のパルス信号を前記モータに入力し、
前記回転軸が停止した位置で前記弁体が前記可動範囲の前記他端に位置していると判定して、以降は前記可動範囲内で前記弁体の位置制御を行うことを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の流量制御システム。 - 前記制御装置が、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を前記弁体が前記可動範囲のうちの開放側に向けて移動する向きに回転させることを特徴とする請求項10記載の流量制御システム。
- 前記制御装置は、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータを第1駆動トルクで動作させ、
前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータを前記第1駆動トルクよりも大きい第2駆動トルクで動作させることを特徴とする請求項10または11に記載の流量制御システム。 - 前記モータのモータ本体外部に、前記回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受を設けたことを特徴とする請求項6から12のいずれかに記載の流量制御システム。
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