JP2007299344A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡易化を図りつつ、しかも外乱に強い流量制御を実現する。
【解決手段】流体制御弁１０は、吸入通路２３と排出通路２４とを開通する流路面積を調整するための弁部材３１を有するとともに、弁部材３１に連結され二次側圧力とパイロット圧との圧力バランスにより作動するダイアフラム部材３８を有する。コントローラ５０は、電空レギュレータ４５によるパイロット圧を調整することで弁部材３１を変位させ流体流量を制御する。また、コントローラ５０は、電空レギュレータ４５によるパイロット圧調整値に基づいて二次側圧力を推定するとともに、一次側圧力と二次側圧力との圧力差に基づいて流体流量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製品や化学薬品等の製造に用いられる薬液等の流体の流量を制御する流量制御装置に関する。

この種の流量制御装置は半導体製造などに用いられ、薬液等の流体（液体）の流量が流体制御弁によって調整されるようになっている。この場合、流体制御弁を通じて流れる流体の実際の流量が目標値に一致するよう流量フィードバック制御が実施される。より具体的には、流体制御弁において、吸入通路である一次側流路と排出通路である二次側流路とにそれぞれ圧力センサを設け、それら各圧力センサの検出結果に基づいて一次側圧力と二次側圧力との圧力差を算出する。そして、その圧力差に基づいて流体流量を算出するとともに、流体制御弁の開度を制御して実際の流体流量を目標値に合致させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来技術では、流量フィードバック制御を実施するために少なくとも２つの圧力センサが不可欠であり、それ故に本装置の実現に際し、構成が煩雑になりコストが嵩むといった不都合が生じる。また、流量制御弁では一次側圧力の変動など外乱の影響を受けると、二次側圧力が乱れる。これにより、流量制御の精度が低下するという問題が生じる。

なお、流体制御弁に流量センサを設け、その流量センサにより流体流量を検出する構成も考えられるが、かかる構成では流量変化に対する検出応答性が遅いといった不都合が生じる。
特開２００５−１６５５７８号公報

本発明は、構成の簡易化を図りつつ、しかも外乱に強い流量制御を実現することができる流量制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。なお以下では、理解を容易にするため、発明の実施の形態において対応する構成例を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。

手段１．一次側流路（吸入通路２３）と二次側流路（排出通路２４）とを開通する流路面積を調整するための弁部材（弁部材３１）を有するとともに、前記弁部材に連結され前記二次側流路内の二次側圧力とパイロット圧との圧力バランスにより作動するパイロット圧作動部材（ダイアフラム部材３８）を有するパイロット作動式の流体制御弁（流体制御弁１０）を備え、パイロット圧調整装置（電空レギュレータ４５）により前記パイロット圧を調整することで前記弁部材を変位させ流体流量を制御する流量制御装置において、
前記一次側流路内の流体圧力を検出する一次側圧力センサ（圧力センサ２７）と、
前記パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて前記二次側圧力を推定するとともに、一次側圧力及び二次側圧力の圧力差と流量係数とに基づいて流体流量を算出するコントローラ（コントローラ５０）と、
を備えたことを特徴とする流量制御装置。

手段１の流量制御装置において、流体制御弁では、弁部材の変位に伴い一次側流路と二次側流路との間の流路面積が調整され、その際、二次側圧力とパイロット圧との圧力バランスに応じてパイロット圧作動部材が作動する。これにより、例えば一次側圧力の変動により二次側圧力が上昇しても、その圧力上昇に伴いパイロット圧作動部材が作動して二次側圧力とパイロット圧との均衡が保持される。したがって、流体制御弁において、一次側圧力の変動などの外乱に影響を回避しつつ流体流量が調整できる。かかる構成において、二次側圧力はパイロット圧に依存するため、パイロット圧から二次側圧力の推定が可能となる。

一方、コントローラでは、パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて二次側圧力を推定するとともに、一次側圧力（センサ検出値）及び二次側圧力（推定値）の圧力差と流量係数（Ｃｖ値）とに基づいて流体流量を算出する。本構成によれば、流体流量の算出に際し、圧力センサとして一次側圧力センサのみを要件とするため、一次側及び二次側の各圧力センサを要件とする従来技術に比して、圧力センサ数を削減できる。以上により、構成の簡易化を図りつつ、しかも外乱に強い流量制御を実現することができる。

なお望ましくは、手段１において、流量係数を弁部材の開度に応じて可変設定すると良い。この場合、弁開度検出センサの検出値等に基づいて流量係数を設定し、その設定値を用いて流体流量を算出すると良い。

手段２．前記流体制御弁に、前記弁部材に対して前記パイロット圧に抗する力を付与する付勢手段（圧縮コイルバネ３６）と、前記弁部材の開度を検出する弁開度検出センサ（ストロークセンサ４７）とを設け、
前記コントローラは、前記パイロット圧調整値に加え、前記弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして用いて前記二次側圧力を推定する手段１に記載の流量制御装置。

ここで、流体制御弁において、付勢手段により弁部材に対してパイロット圧に抗する力が付与される構成では、弁開度（弁部材の開位置）に応じてその付勢力が変化することが考えられる。例えば、付勢手段として圧縮コイルバネを用いる場合、そのバネ荷重が弁開度に応じて変化する。かかる場合において、手段２によれば、パイロット圧調整値だけでなく、弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして二次側圧力が推定されるため、二次側圧力の推定精度を高めることができる。これにより、流量制御精度が向上する。

手段３．一次側流路（吸入通路７３）と二次側流路（排出通路７４）とを開通する流路面積を調整するための弁部材（弁部材８１）を有するとともに、前記弁部材に連結され前記一次側流路内の一次側圧力とパイロット圧との圧力バランスにより作動するパイロット圧作動部材（ダイアフラム部材８８）を有するパイロット作動式の流体制御弁（流体制御弁６０）を備え、パイロット圧調整装置（電空レギュレータ９５）により前記パイロット圧を調整することで前記弁部材を変位させ流体流量を制御する流量制御装置において、
前記二次側流路内の流体圧力を検出する二次側圧力センサ（圧力センサ７７）と、
前記パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて前記一次側圧力を推定するとともに、一次側圧力及び二次側圧力の圧力差と流量係数とに基づいて流体流量を算出するコントローラ（コントローラ１００）と、
を備えたことを特徴とする流量制御装置。

手段３の流量制御装置において、流体制御弁では、弁部材の変位に伴い一次側流路と二次側流路との間の流路面積が調整され、その際、一次側圧力とパイロット圧との圧力バランスに応じてパイロット圧作動部材が作動する。このパイロット圧作動部材の作動により一次側圧力とパイロット圧との均衡が保持される。したがって、流体制御弁において、一次側圧力の変動などの外乱に影響を回避しつつ流体流量が調整できる。かかる構成において、一次側圧力はパイロット圧に依存するため、パイロット圧から一次側圧力の推定が可能となる。

一方、コントローラでは、パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて一次側圧力を推定するとともに、一次側圧力（推定値）及び二次側圧力（センサ検出値）の圧力差と流量係数（Ｃｖ値）とに基づいて流体流量を算出する。本構成によれば、流体流量の算出に際し、圧力センサとして二次側圧力センサのみを要件とするため、一次側及び二次側の各圧力センサを要件とする従来技術に比して、圧力センサ数を削減できる。以上により、構成の簡易化を図りつつ、しかも外乱に強い流量制御を実現することができる。

なお望ましくは、手段３において、流量係数を弁部材の開度に応じて可変設定すると良い。この場合、弁開度検出センサの検出値等に基づいて流量係数を設定し、その設定値を用いて流体流量を算出すると良い。

手段４．前記流体制御弁に、前記弁部材に対して前記パイロット圧に抗する力を付与する付勢手段（圧縮コイルバネ８６）と、前記弁部材の開度を検出する弁開度検出センサ（ストロークセンサ９７）とを設け、
前記コントローラは、前記パイロット圧調整値に加え、前記弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして用いて前記一次側圧力を推定する手段３に記載の流量制御装置。

ここで、流体制御弁において、付勢手段により弁部材に対してパイロット圧に抗する力が付与される構成では、弁開度（弁部材の開位置）に応じてその付勢力が変化することが考えられる。例えば、付勢手段として圧縮コイルバネを用いる場合、そのバネ荷重が弁開度に応じて変化する。かかる場合において、手段４によれば、パイロット圧調整値だけでなく、弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして一次側圧力が推定されるため、一次側圧力の推定精度を高めることができる。これにより、流量制御精度が向上する。

［第１の実施形態］
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態は、半導体製造装置等にて使用される流量制御装置を具体化するものであり、当該流量制御装置ではエアパイロット作動式の流体制御弁を用いる。流体制御弁１０の構成と、その流体制御弁１０を用いたシステム構成とを図１に基づいて説明する。なお、流体制御弁１０は、常閉タイプのエアパイロットレギュレータであるが、説明の便宜上、図１では開弁状態で示している。

図１において、流体制御弁１０は、ボディ１１と、該ボディ１１の上下に各々設けられるカバー体１２，１３とを有しており、これら各部材を組み付けることにより構成されている。ボディ１１はフッ素系合成樹脂により成形され、カバー体１２，１３はポリプロピレン樹脂等により成形されている。以下、図の上側のカバー体１２を「上カバー体１２」、下側のカバー体１３を「下カバー体１３」とも言うこととする。

ボディ１１には、流体（薬液等の液体）を吸入するための吸入ポート２１と、流体を排出するための排出ポート２２とが設けられるとともに、吸入ポート２１に通じる吸入通路２３と、排出ポート２２に通じる排出通路２４とが形成されている。これら各ポート２１，２２には、薬液等の流体を流通させるための配管等（図示略）が接続されるようになっている。吸入通路２３が一次側流路に相当し、排出通路２４が二次側流路に相当する。ボディ１１には、吸入通路２３内の流体圧力（一次側圧力）を検出するための圧力センサ２７が設けられている。圧力センサ２７は、吸入通路２３に通じる開口２３ａから一次側の流体を取り込みその流体圧力を検出する。

また、ボディ１１の中央部には、ボディ上下に貫通する貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５は大径孔部２５ａと小径孔部２５ｂとを有し、それら各孔部２５ａ，２５ｂの間には弁座部２５ｃが形成されている。そして、大径孔部２５ａが吸入通路２３に連通している。

ボディ１１の上面には、前記貫通孔２５と同軸であり、かつ内径側の径を貫通孔２５よりも大きくした平面視円形状の段差部２６が形成されている。そして、その段差部２６の一部が前記排出通路２４に連通している。

貫通孔２５には、図の上下方向に往復動可能な弁部材３１が配設されており、この弁部材３１によって、吸入通路２３から排出通路２４に至る流体の流れが許容又は阻止される。また、同弁部材３１によって、吸入通路２３と排出通路２４とを開通する流路面積が調整される。

弁部材３１は、弁体部３３とダイアフラム部３４とからなる。弁体部３３はその軸方向の中央部が拡径された形状となっており、基本的にその拡径部３３ａを含む弁体下部が大径孔部２５ａに収容され、それよりも上方の弁体上部が小径孔部２５ｂに収容されるようにして配設されている。このとき、拡径部３３ａの径が前記小径孔部２５ｂの径よりも大きいため、拡径部３３ａの端面が前記弁座部２５ｃに当接可能となっている。弁体部３３の拡径部３３ａの端面が弁座部２５ｃに当接することにより、大径孔部２５ａと小径孔部２５ｂとの間が遮断され、吸入通路２３から排出通路２４に至る流体の流れが阻止される。また、弁体部３３の拡径部３３ａの端面が弁座部２５ｃから離れることにより、大径孔部２５ａと小径孔部２５ｂとの間が連通され、吸入通路２３から排出通路２４に至る流体の流れが許容される。なお、大径孔部２５ａ内の空間部が一次側流体室Ａ１となっており、当該流体室Ａ１は、前記吸入通路２３とともに一次側流路を構成する。

ダイアフラム部３４の周縁部３４ａはボディ１１と下カバー体１３とにより挟持されている。ここで、下カバー体１３にはバネ収容室３５が形成されており、そのバネ収容室３５には圧縮コイルバネ３６が収容されている。圧縮コイルバネ３６の上端部は、弁部材３１の下端部に組み付けられたバネストッパ３７に当接しており、圧縮コイルバネ３６の付勢力により弁部材３１が図の上方に付勢されるようになっている。つまり、圧縮コイルバネ３６の付勢により、弁体部３３の拡径部３３ａの端面が弁座部２５ｃに当接する状態が保持されるようになっている。

弁部材３１の上端部にはダイアフラム部材３８が連結されている。ダイアフラム部材３８は、その周縁部３８ａがボディ１１と上カバー体１２とにより挟持されている。前述のとおりボディ１１の上面には段差部２６が形成されており、この段差部２６においてダイアフラム部材３８により仕切られた空間部が二次側流体室Ａ２となっている。なお、当該流体室Ａ２は、前記排出通路２４とともに二次側流路を構成する。

上カバー体１２には圧力操作ポート４１が形成されており、この圧力操作ポート４１は連通路４２を通じて、上カバー体１２の下面とダイアフラム部材３８との間に形成された圧力作用室４３に連通している。圧力操作ポート４１には電空レギュレータ４５が接続されている。電空レギュレータ４５は操作エア圧力を任意に調整できる構成を有し、その操作エア圧力の調整により圧力作用室４３内のエア圧力が調整されるようになっている。なお、流体制御弁１０の構成として、電空レギュレータ４５を一体化させて設けることも可能である。

電空レギュレータ４５のエア圧力調整により圧力作用室４３内の圧力が上昇すると、ダイアフラム部材３８と共に弁部材３１が図の下方に変位し、それに伴い弁体部３３の拡径部３３ａの端面が弁座部２５ｃから離れる。これにより、吸入通路２３から排出通路２４への流体の流量が増やされる、或いは流体の流れが許容されることとなる。また、電空レギュレータ４５のエア圧力調整により圧力作用室４３内の圧力が下降すると、ダイアフラム部材３８と共に弁部材３１が図の上方に変位し、それに伴い弁体部３３の拡径部３３ａの端面が弁座部２５ｃに近接又は当接する。これにより、吸入通路２３から排出通路２４への流体の流量が減らされる、或いは流体の流れが阻止されることとなる。

このとき、二次側流体室Ａ２内の圧力（二次側圧力）と操作エア圧力（パイロット圧）との圧力バランスに応じてダイアフラム部材３８が作動する。例えば、一次側圧力の変動等に起因して二次側圧力が上昇すると、ダイアフラム部材３８が図の上方に変位し、それに伴い弁部材３１が閉弁側に動作する。これにより、二次側圧力が下降し、二次側圧力と操作エア圧力との均衡が保持される。逆に、二次側圧力が下降すると、ダイアフラム部材３８が図の下方に変位し、それに伴い弁部材３１が開弁側に動作する。これにより、二次側圧力が上昇し、やはり二次側圧力と操作エア圧力との均衡が保持される。

ダイアフラム部材３８の中央板部３８ｂには、その上方に延びるロッド部４６が設けられており、そのロッド部４６にはストロークセンサ４７が設けられている。弁部材３１及びダイアフラム部材３８が図の上下方向に変位する際、その変位量がストロークセンサ４７により検出される。

コントローラ５０は、ＣＰＵや各種メモリ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成される電子制御装置である。コントローラ５０には、本システム全体を統括して管理する管理コンピュータ（図示略）などから流量設定指令値が入力される他、圧力センサ２７により検出した流体圧力（一次側圧力）、ストロークセンサ４７により検出したストローク検出値（弁部材３１の弁開度）、電空レギュレータ４５の操作圧力モニタ信号（操作エア圧力ＰＳ）が逐次入力される。そして、コントローラ５０は、それら各入力に基づいて電空レギュレータ４５を駆動させて流量フィードバック制御を実施する。

かかる場合において、コントローラ５０は、流体制御弁１０の一次側圧力Ｐ１と二次側圧力Ｐ２との圧力差に基づいて流体流量Ｑを算出することとしており、その算出には次の（１）式が用いられる。

Ｑ＝４５．１６Ｃｖ・√｛（Ｐ１−Ｐ２）／Ｇ｝ …（１）
なお、Ｃｖは流量係数であり、Ｇは比重である（流体が水であればＧ＝１）。流量係数Ｃｖは、弁部材３１の弁開度に基づいて算出され、具体的には図２の関係に基づいて算出される。

ここで、一次側圧力Ｐ１は圧力センサ２７により検出されるのに対し、二次側圧力Ｐ２は、電空レギュレータ４５による都度の操作エア圧力ＰＳや弁部材３１の弁開度をパラメータとして推定演算される。すなわち、弁部材３１とダイアフラム部材３８とからなる弁体ユニットにおいては、開弁方向に操作エア圧力ＰＳが作用するとともに、閉弁方向に圧縮コイルバネ３６のバネ力とダイアフラム張力と二次側圧力Ｐ２とが作用する。このとき、圧縮コイルバネ３６のバネ力とダイアフラム張力との和を弁体ユニットの動的抵抗Ｆとすると、ＰＳ＝Ｆ＋Ｐ２の関係が成立し、その関係によれば次の（２）式により二次側圧力Ｐ２が算出される。

Ｐ２＝ＰＳ−Ｆ …（２）
なお、動的抵抗Ｆは、弁部材３１の弁開度に基づいて算出され、具体的には図３の関係に基づいて算出される。

コントローラ５０による流量制御手順をあらためて説明する。

コントローラ５０は、管理コンピュータ（図示略）などから流量設定指令値を入力する一方、上記（２）式を用い、ストロークセンサ４７により検出したストローク検出値（弁部材３１の弁開度）と電空レギュレータ４５の操作エア圧力ＰＳとに基づいて二次側圧力Ｐ２を算出する。また、上記（１）式を用い、上記算出した二次側圧力Ｐ２と、圧力センサ２７により検出した一次側圧力Ｐ１とに基づいて流体流量Ｑを算出する。

そして、コントローラ５０は、流量設定指令値と流体流量Ｑ（実流量）と偏差を算出するとともに、その流量偏差に基づいてＰＩＤ演算等を行い、電空レギュレータ４５に対して指令信号を出力する。電空レギュレータ４５は、コントローラ５０からの指令信号に基づいて操作エア圧力を調整する。これにより、流体制御弁１０において圧力作用室４３内の圧力（パイロット圧）が増減調整される。上記一連の処理が繰り返し実行されることにより、流体流量が設定指令値に収束する。

以上詳述した本実施形態によれば、エアパイロット作動式の流体制御弁１０を用いて流量制御装置を構築したことにより、一次側圧力の変動などの外乱に影響を回避しつつ流体流量が調整できる。また、操作エア圧力ＰＳに基づいて二次側圧力を推定するとともに、一次側圧力（センサ検出値）と二次側圧力（推定値）との圧力差に基づいて流体流量を算出するようにした。かかる場合、流体流量の算出に際し、圧力センサとして一次側圧力センサ２７のみを要件とするため、一次側及び二次側の各圧力センサを要件とする従来技術に比して、圧力センサ数を削減できる。以上により、構成の簡易化を図ることができ、コスト低減が可能となる。更に、外乱に強い流量制御を実現することができる。

二次側圧力の推定に際し、操作エア圧力ＰＳに加え、ストロークセンサ４７により検出したストローク検出値（弁部材３１の弁開度）を推定パラメータとしたため、二次側圧力の推定精度を高めることができる。これにより、流量制御精度が向上する。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、流体制御弁として、常開タイプのエアパイロットリリーフ弁を用いる構成としており、図４にシステム構成を示す。

図４において、流体制御弁６０は、ボディ６１と、該ボディ６１の上下に各々設けられるカバー体６２，６３とを有しており、これら各部材を組み付けることにより構成されている。ボディ６１はフッ素系合成樹脂により成形され、カバー体６２，６３はポリプロピレン樹脂等により成形されている。以下、図の上側のカバー体６２を「上カバー体６２」、下側のカバー体６３を「下カバー体６３」とも言うこととする。

ボディ６１には、流体（薬液等の液体）を吸入するための吸入ポート７１と、流体を排出するための排出ポート７２とが設けられるとともに、吸入ポート７１に通じる吸入通路７３と、排出ポート７２に通じる排出通路７４とが形成されている。吸入通路７３が一次側流路に相当し、排出通路７４が二次側流路に相当する。ボディ６１には、排出通路７４内の流体圧力（二次側圧力）を検出するための圧力センサ７７が設けられている。圧力センサ７７は、排出通路７４に通じる開口７４ａから二次側の流体を取り込みその流体圧力を検出する。

また、ボディ６１の中央部には、ボディ上下に貫通し、かつ吸入通路７３と排出通路７４とを連通する貫通孔７５が形成されている。ボディ６１の上面には、前記貫通孔７５と同軸であり、かつ内径側の径を貫通孔７５よりも大きくした平面視円形状の段差部７６が形成されている。そして、その段差部７６の一部が前記吸入通路７３に連通している。

貫通孔７５には、図の上下方向に往復動可能な弁部材８１が配設されており、この弁部材８１によって、吸入通路７３から排出通路７４に至る流体の流れが許容又は阻止される。また、同弁部材８１によって、吸入通路７３と排出通路７４とを開通する流路面積が調整される。

弁部材８１は、弁体部８３とダイアフラム部８４とからなる。弁体部８３はその上端部が拡径された形状となっており、その拡径部８３ａが貫通孔７５から上方に突き出るようにして配設されている。このとき、拡径部８３ａの径が貫通孔７５の径よりも大きいため、拡径部８３ａの端面がボディ６１の上端面（弁座部に相当）に当接可能となっている。弁体部８３の拡径部８３ａの端面がボディ上端面に当接することにより、吸入通路７３から排出通路７４に至る流体の流れが阻止される。また、弁体部８３の拡径部８３ａの端面がボディ上端面から離れることにより、吸入通路７３から排出通路７４に至る流体の流れが許容される。

ダイアフラム部８４の周縁部８４ａはボディ６１と下カバー体６３とにより挟持されている。ここで、下カバー体６３にはバネ収容室８５が形成されており、そのバネ収容室８５には圧縮コイルバネ８６が収容されている。圧縮コイルバネ８６の上端部は、弁部材８１の下端部に組み付けられたバネストッパ８７に当接しており、圧縮コイルバネ８６の付勢力により弁部材８１が図の上方に付勢されるようになっている。つまり、圧縮コイルバネ８６の付勢により、弁体部８３の拡径部８３ａの端面がボディ上端面から離れた状態が保持されるようになっている。

弁部材８１の上端部にはダイアフラム部材８８が連結されている。ダイアフラム部材８８は、その周縁部８８ａがボディ６１と上カバー体６２とにより挟持されている。また、上カバー６２には、ダイアフラム部材８８側に突出するストッパ部６２ａが設けられており、そのストッパ部６２ａにダイアフラム部材８８の中央板部８８ｂが当接することにより、ダイアフラム部材８８の図の上方への変位が規制されている。

上カバー体６２には圧力操作ポート９１が形成されており、この圧力操作ポート９１は連通路９２を通じて、上カバー体６２の下面とダイアフラム部材８８との間に形成された圧力作用室９３に連通している。圧力操作ポート９１には電空レギュレータ９５が接続されている。電空レギュレータ９５は操作エア圧力を任意に調整できる構成を有し、その操作エア圧力の調整により圧力作用室９３内のエア圧力が調整されるようになっている。なお、流体制御弁６０の構成として、電空レギュレータ９５を一体化させて設けることも可能である。

電空レギュレータ９５のエア圧力調整により圧力作用室９３内の圧力が上昇すると、ダイアフラム部材８８と共に弁部材８１が図の下方に変位し、それに伴い弁体部８３の拡径部８３ａの端面がボディ上端面に近接又は当接する。これにより、吸入通路７３から排出通路７４への流体の流量が減らされる、或いは流体の流れが阻止されることとなる。また、電空レギュレータ９５のエア圧力調整により圧力作用室９３内の圧力が下降すると、ダイアフラム部材８８と共に弁部材８１が図の上方に変位し、それに伴い弁体部８３の拡径部８３ａの端面がボディ上端面から離れる。これにより、吸入通路７３から排出通路７４への流体の流量が増やされる、或いは流体の流れが許容されることとなる。

このとき、一次側圧力（吸入通路７３側の流体圧力）と操作エア圧力（パイロット圧）との圧力バランスに応じてダイアフラム部材８８が作動する。例えば、一次側圧力が上昇すると、ダイアフラム部材８８が図の上方に変位し、それに伴い弁部材８１が開弁側に動作する。これにより、一次側圧力が下降し、一次側圧力と操作エア圧力との均衡が保持される。逆に、一次側圧力が下降すると、ダイアフラム部材８８が図の下方に変位し、それに伴い弁部材８１が閉弁側に動作する。これにより、一次側圧力が上昇し、やはり一次側圧力と操作エア圧力との均衡が保持される。

ダイアフラム部材８８の中央板部８８ｂには、その上方に延びるロッド部９６が設けられており、そのロッド部９６にはストロークセンサ９７が設けられている。弁部材８１及びダイアフラム部材８８が図の上下方向に変位する際、その変位量がストロークセンサ９７により検出される。

コントローラ１００は、ＣＰＵや各種メモリ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成される電子制御装置である。コントローラ１００には、本システム全体を統括して管理する管理コンピュータ（図示略）などから流量設定指令値が入力される他、圧力センサ７７により検出した流体圧力（二次側圧力）、ストロークセンサ９７により検出したストローク検出値（弁部材８１の弁開度）、電空レギュレータ９５の操作圧力モニタ信号が逐次入力される。そして、コントローラ１００は、それら各入力に基づいて電空レギュレータ９５を駆動させて流量フィードバック制御を実施する。

かかる場合において、コントローラ１００は、流体制御弁６０の一次側圧力Ｐ１と二次側圧力Ｐ２との圧力差に基づいて流体流量Ｑを算出することとしており、その算出には次の（３）式が用いられる。

Ｑ＝４５．１６Ｃｖ・√｛（Ｐ１−Ｐ２）／Ｇ｝ …（３）
なお、Ｃｖは流量係数であり、Ｇは比重である（流体が水であればＧ＝１）。流量係数Ｃｖは、弁部材８１の弁開度に基づいて算出される（図２参照）。

ここで、二次側圧力Ｐ２は圧力センサ７７により検出されるのに対し、一次側圧力Ｐ１は、電空レギュレータ９５による都度の操作エア圧力ＰＳや弁部材８１の弁開度をパラメータとして推定演算される。すなわち、弁部材８１とダイアフラム部材８８とからなる弁体ユニットにおいては、閉弁方向に操作エア圧力ＰＳが作用するとともに、開弁方向に圧縮コイルバネ８６のバネ力とダイアフラム張力と一次側圧力Ｐ１とが作用する。このとき、圧縮コイルバネ８６のバネ力とダイアフラム張力との和を弁体ユニットの動的抵抗Ｆとすると、ＰＳ＝Ｆ＋Ｐ１の関係が成立し、その関係によれば次の（４）式により一次側圧力Ｐ１が算出される。

Ｐ１＝ＰＳ−Ｆ …（４）
なお、動的抵抗Ｆは、弁部材８１の弁開度に基づいて算出される（図３参照）。

コントローラ１００による流量制御手順をあらためて説明する。

コントローラ１００は、管理コンピュータ（図示略）などから流量設定指令値を入力する一方、上記（４）式を用い、ストロークセンサ９７により検出したストローク検出値（弁部材８１の弁開度）と電空レギュレータ９５の操作エア圧力ＰＳとに基づいて一次側圧力Ｐ１を算出する。また、上記（３）式を用い、上記算出した一次側圧力Ｐ１と、圧力センサ７７により検出した二次側圧力Ｐ２とに基づいて流体流量Ｑを算出する。

そして、コントローラ１００は、流量設定指令値と流体流量Ｑ（実流量）と偏差を算出するとともに、その流量偏差に基づいてＰＩＤ演算等を行い、電空レギュレータ９５に対して指令信号を出力する。電空レギュレータ９５は、コントローラ１００からの指令信号に基づいて操作エア圧力を調整する。これにより、流体制御弁６０において圧力作用室９３内の圧力（パイロット圧）が増減調整される。上記一連の処理が繰り返し実行されることにより、流体流量が設定指令値に収束する。

以上第２の実施形態によれば、エアパイロット作動式の流体制御弁６０を用いて流量制御装置を構築したことにより、一次側の流体圧力の変動を抑制しつつ流体流量が調整できる。また、操作エア圧力ＰＳに基づいて一次側圧力を推定するとともに、一次側圧力（推定値）と二次側圧力（センサ検出値）との圧力差に基づいて流体流量を算出するようにした。かかる場合、流体流量の算出に際し、圧力センサとして二次側圧力センサ７７のみを要件とするため、一次側及び二次側の各圧力センサを要件とする従来技術に比して、圧力センサ数を削減できる。以上により、構成の簡易化を図ることができ、コスト低減が可能となる。更に、外乱に強い流量制御を実現することができる。

一次側圧力の推定に際し、操作エア圧力ＰＳに加え、ストロークセンサ９７により検出したストローク検出値（弁部材８１の弁開度）を推定パラメータとしたため、一次側圧力の推定精度を高めることができる。これにより、流量制御精度が向上する。

上記第１の実施の形態では、二次側圧力（第２の実施形態では一次側圧力）の推定に際し、操作エア圧力ＰＳと弁部材の弁開度とを推定パラメータとして用いて二次側圧力（又は一次側圧力）の推定演算を実施したが、これを変更し、操作エア圧力ＰＳのみを推定パラメータとして用いて二次側圧力（又は一次側圧力）の推定演算を実施することも可能である。すなわち、流量係数Ｃｖや弁体ユニットの動的抵抗Ｆを固定値として二次側圧力（又は一次側圧力）の推定演算を実施する。この場合、二次側圧力（又は一次側圧力）の若干の精度低下が生じるおそれはあるものの、上記同様、構成の簡易化を図りつつ、しかも外乱に強い流量制御を実現することができる。

本流量制御装置において、流体流量に基づいて故障診断を実施するようにしても良い。つまり、弁部材の動作不良や電空レギュレータの動作不良などが生じると、適正な流量フィードバック制御が実施できなくなる。この場合、流体流量の算出値が異常値になったり、流体流量が目標流量に収束できなくなったりする。故に、流体流量を異常判定パラメータとして用いて異常判定を実施すると良い。

第１の実施形態における流量制御装置の概略を示す構成図である。 弁開度と流量係数Ｃｖとの関係を示す図である。 弁開度と弁体ユニットの動的抵抗Ｆとの関係を示す図である。 第２の実施形態における流量制御装置の概略を示す構成図である。

符号の説明

１０…流体制御弁、２３…吸入通路、２４…排出通路、２７…圧力センサ、３１…弁部材、３６…圧縮コイルバネ、３８…ダイアフラム部材、４５…電空レギュレータ、４７…ストロークセンサ、５０…コントローラ、６０…流体制御弁、７３…吸入通路、７４…排出通路、７７…圧力センサ、８１…弁部材、８６…圧縮コイルバネ、８８…ダイアフラム部材、９５…電空レギュレータ、９７…ストロークセンサ、１００…コントローラ。

Claims (4)

1. 一次側流路と二次側流路とを開通する流路面積を調整するための弁部材を有するとともに、前記弁部材に連結され前記二次側流路内の二次側圧力とパイロット圧との圧力バランスにより作動するパイロット圧作動部材を有するパイロット作動式の流体制御弁を備え、パイロット圧調整装置により前記パイロット圧を調整することで前記弁部材を変位させ流体流量を制御する流量制御装置において、
   前記一次側流路内の流体圧力を検出する一次側圧力センサと、
   前記パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて前記二次側圧力を推定するとともに、一次側圧力及び二次側圧力の圧力差と流量係数とに基づいて流体流量を算出するコントローラと、
   を備えたことを特徴とする流量制御装置。
2. 前記流体制御弁に、前記弁部材に対して前記パイロット圧に抗する力を付与する付勢手段と、前記弁部材の開度を検出する弁開度検出センサとを設け、
   前記コントローラは、前記パイロット圧調整値に加え、前記弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして用いて前記二次側圧力を推定する請求項１に記載の流量制御装置。
3. 一次側流路と二次側流路とを開通する流路面積を調整するための弁部材を有するとともに、前記弁部材に連結され前記一次側流路内の一次側圧力とパイロット圧との圧力バランスにより作動するパイロット圧作動部材を有するパイロット作動式の流体制御弁を備え、パイロット圧調整装置により前記パイロット圧を調整することで前記弁部材を変位させ流体流量を制御する流量制御装置において、
   前記二次側流路内の流体圧力を検出する二次側圧力センサと、
   前記パイロット圧調整装置によるパイロット圧調整値に基づいて前記一次側圧力を推定するとともに、一次側圧力及び二次側圧力の圧力差と流量係数とに基づいて流体流量を算出するコントローラと、
   を備えたことを特徴とする流量制御装置。
4. 前記流体制御弁に、前記弁部材に対して前記パイロット圧に抗する力を付与する付勢手段と、前記弁部材の開度を検出する弁開度検出センサとを設け、
   前記コントローラは、前記パイロット圧調整値に加え、前記弁開度検出センサにより検出した弁開度を推定パラメータとして用いて前記一次側圧力を推定する請求項３に記載の流量制御装置。

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