JP2009265988A - 流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】流量自己診断時における弁の閉止時間遅れを少なくすることによって、高精度な診断結果が得られるようにする。
【解決手段】予め測定して記憶した初期圧力降下特性データと，前記初期圧力降下特性の測定と同じ条件下で測定した流量診断時の圧力降下特性データとを対比し、両特性データの差異から流量制御の異常を検出するようにした流量自己診断機能を備えた圧力制御装置の圧力制御弁用ピエゾ素子駆動回路に於いて、ピエゾ素子への駆動用電圧の供給回路と並列に、圧力式流量制御装置の中央処理装置からの降圧指令信号によりピエゾ駆動素子に印加したピエゾ駆動電圧を降圧指令回路を通して緩慢に放電下降させる第１放電回路と、前記中央処理装置からの高速降圧指令信号により前記ピエゾ駆動素子に印加したピエゾ駆動電圧を高速降圧指令回路を通して急速に放電下降させる第２放電回路とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体や化学品、薬品、精密機械部品等の製造に用いるガス等の圧力式流量制御装置の改良に関するものであり、圧力式流量制御装置が具備する流量自己診断機能を用いてオリフィスの詰まりや割れ、腐食等による形状の変化を検出する際に、常に高精度で安定した検出を行えるようにした圧力制御弁用駆動回路に関するものである。

圧力式流量制御装置は、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁とオリフィスとを組み合せた簡単な機構でもってガス等の各種流体の流量を高精度で制御することができ、半導体製造装置等の分野では多数実用に供されている。

また、この圧力式流量制御装置は、オリフィスを利用し、その上流側のガス圧力を圧力制御弁の開閉制御により調整して流量制御を行うようにしているため、所謂オリフィス孔の目詰まり等を常に監視する必要がある。そのため、所謂流量自己診断（又は目詰まり検出）と呼ばれるオリフィスの詰まりや割れ、腐食等による形状の変化の程度を自己診断する機能が具備されている。

図５は、従前の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の一例を示すものである。即ち、圧力検出器Ｐ₁及び温度検出器Ｔ₁で検出された圧力制御弁１とオリフィス２間の管路３内のガス圧力及びガス温度が演算処理装置ＣＰＵへ入力され、ここでオリフィス２を流通するガス流量Ｑｃが演算されると共に、設定流量Ｑｓと演算流量Ｑｃとの差流量ΔＱが演算され、この差流量ΔＱに対応する制御信号Ｓがピエゾ素子駆動部１ａへ入力され、前記差流量ΔＱが零となる方向に圧力制御弁１が開・閉制御される。

而して、圧力式流量制御装置の使用中にオリフィス２の詰まり等によりオリフィス穴径が変化すると、図５における配管路３内の圧力降下特性に変化を来たすので、圧力式流量制御装置を実使用に供する前（即ち、工場出荷前）にその圧力降下特性を計測してメモリー装置Ｍに初期値として記憶しておき、この初期値と、使用中の診断時の圧力降下特性の測定値とを対比することにより、流量制御の異常の有無を判断することが出来る。即ち、流量自己診断は、オリフィス２の詰まりや割れ、腐食等による形状の変化による制御流量の異常の有無を自己診断するものであると言える。

より具体的には、図５を参照して、先ず、圧力式流量制御装置ＦＣＳの出荷前に圧力式流量制御装置ＦＣＳのピエゾ素子駆動型圧力制御弁１へ流量自己診断用のガス（通常はＮ₂ガス）を供給し、また、圧力式流量制御装置ＦＣＳの設定流量Ｑ_Sを１００％流量に設定すると共にメモリー装置Ｍを作動状態に設定する（初期値メモリー信号の設定）。尚、このとき、制御流量（設定流量Ｑｓ）がある閾値以下の場合には、ガス供給圧力不足のアラームＡ_lが発信されることは勿論である。
次に、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁１を急全閉にすると共に、圧力検出器Ｐ₁の検出圧力と時間のデータを所定時間毎に計測し、これをメモリー装置Ｍに記憶する（初期値データの記憶）。

使用中の圧力式流量制御装置ＦＣＳの流量自己診断に際しては、先ずピエゾ素子駆動型圧力制御弁１へ初期値データの記憶時に使用したガスと同一のガスを供給し、同時にその設定流量Ｑｓを１００％流量とする。尚、このとき、制御流量（設定流量Ｑｓ）がある閾値以下の場合には、ガス供給圧力不足のアラームＡ_lが発信されることは勿論である。
次に、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁１を急全閉にし、この時の配管路３内の検出圧力−時間のデータを所定時間毎に計測すると共に、演算処理装置ＣＰＵに於いて、予めメモリー装置Ｍに記憶されている初期値データと比較し、両者間の差異が設定値よりも大きい場合には、診断結果が異常としてアラームを発信する。尚、図５に於いて、Ｅは電源電圧である。

ところで、圧力式流量制御装置ＦＣＳのピエゾ素子駆動型圧力制御弁１には、ピエゾ素子駆動部を備えたノーマルクローズ型金属ダイヤフラム弁が多く利用されており、ピエゾ素子駆動部１ａのピエゾ素子に駆動電圧が印加されてその全長が伸びることにより、弾性体の弾力に抗して弁棒が引上げられ、バルブが開放さる。また、ピエゾ素子に印加された電圧が除かれると、ピエゾ素子の長さが初期の長さ寸法に復元し、弾性体の弾力により弁棒が下降することにより閉弁される（特開２００５−１４９０７５）。

その結果、ピエゾ素子に加えられた電圧が除かれる速さ（以下、ピエゾ素子駆動電圧の降下遅れと呼ぶ）によって必然的にバルブの全開から全閉までの時間にバラツキが発生することになり、圧力降下特性の測定における最初のサンプリングポイントの時間位置（サンプリング開始時刻）が変動して、正確な圧力降下特性の測定が困難となる。尚、このピエゾ駆動電圧の降下遅れが圧力降下特性に及ぼす影響は、ピエゾ素子のストローク変位量やピエゾ素子駆動電圧、弁体の外径が大であるほど大きくなり、また、診断のサンプリング時間が小さくなるほど、圧力降下特性に及ぼすピエゾ素子駆動電圧の降下遅れの影響が大きくなる。

図６は、従前の圧力式流量制御装置（（株）フジキン製ＦＣＳ型）の圧力降下特性の一例を示すもので、ガス供給圧力（ＫＰａＧ）が低下するほど、同じ圧力式流量制御装置であっても圧力降下特性曲線が上方へ移動することが判っている。

また、図７は、ガス供給圧力の変動による圧力降下特性の変化が診断結果（％）に及ぼす影響を調査したものである。
一般に、ノーマルクローズ型のピエゾ素子駆動型圧力制御弁１にあっては、供給圧力が低い場合には、供給圧力が高い場合に比較してピエゾ素子電圧が高くなり、圧力制御弁の閉止時間が遅れ易くなる（特開２００５−１４９０７５号）。その結果、供給圧力が低くなると、ピエゾ素子駆動電圧が上昇して圧力制御弁の閉止時間遅れが大きくなり、図７のように診断結果（％）がプラス側に変動することとなる。

図８は、従前のピエゾ素子型圧力制御弁のピエゾ素子駆動回路の構成を示すブロック図であり、圧力式流量制御装置ＦＣＳの演算処理装置（ＣＰＵ）から、電界トランジスタＦＥＴ₁、インダクタＬ、ダイオードＤを通して供給電源から駆動電圧がピエゾ素子（容量Ｃ）へ供給される。
具体的には、昇圧指令信号によって電界トランジスタＦＥＴ₂がＯＮにされると、インダクタＬに電圧が誘起され、その後電界トランジスタＦＥＴ₂がＯＦＦになると、インダクタＬ内の誘導電圧が駆動電圧に重畳され、この誘導電圧が重畳された電圧がピエゾ素子駆動電圧としてピエゾ素子（コンデンサ）に印加（充電）される。また、昇圧を継続する場合には、前記昇圧用電界トランジスタＦＥＴ₂のＯＮ−ＯＦＦが繰り返される。
また、当該ピエゾ素子への充電によりピエゾ素子の全長が伸長し、圧力制御弁が開弁されることになる。

一方、圧力制御弁を全閉させる場合には、降圧指令信号の入力によって降圧用電界トランジスタＦＥＴ₃をＯＮにすることにより、ピエゾ素子（コンデンサ）の充電電圧が放電される。これによってピエゾ素子が縮小し、圧力制御弁がスプリング弾性力により閉弁されることになる。

特開平８−３３８５４６号 特開２０００−１３７５２８号 特開２００５−１４９０７５号

上述のように、従前の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置に於いては、流量自己診断時にピエゾ駆動型圧力制御弁を閉鎖して圧力降下特性の測定が行われる。
しかし、この時に測定された圧力降下特性は、供給ガス圧力やピエゾ駆動電圧の大きさが変化すると特性曲線の形態が変ったり、或いは全く同一条件下の測定であっても、圧力降下特性曲線が変動したりすることがあり、使用開始前（初期時）と診断時の圧力降下特性曲線の対比を基礎とする流量制御の自己診断に於いては、高精度な診断を迅速に行うことが出来ないという問題がある。

本願発明は、従前の流量制御の異常、即ちオリフィスの詰まりや割れ、腐食等による形状の変化の診断に於ける上述の如き問題、即ち、正確な圧力降下特性曲線を安定して得ることが出来ないため、高精度な診断を行えないと云う問題を解決せんとするものであり、ピエゾ素子駆動部を備えた圧力制御弁へ全閉信号を供給してから、全閉されるまでの時間遅れ、即ち弁の全開から全閉への切換時間を大幅に短縮することにより、供給ガス圧やピエゾ駆動電圧の高・低に拘わらず常に安定した圧力降下特性曲線が得られ、これによって、高精度な流量制御の異常（オリフィスの詰まりや割れ、腐食等による形状の変化）を診断できるようにした流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用ピエゾ素子駆動回路を提供することを発明の主目的とするものである。

請求項１の発明は、予め測定して記憶した初期圧力降下特性データと、前記初期圧力降下特性の測定と同じ条件下で測定した流量診断時の圧力降下特性データとを対比し、両特性データの差異から流量制御の異常を検出するようにした流量自己診断機能を備えた圧力制御装置の圧力制御弁用駆動回路に於いて、制御弁の駆動回路と並列に、制御弁を高速閉止させるための閉止回路を設けたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、圧力制御弁用駆動回路を、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁を作動させる圧力制御弁用ピエゾ素子駆動回路とすると共に、制御弁を高速閉止させるための閉止回路を、前記中央処理装置からの高速降圧指令信号により前記ピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を高速降圧指令回路を通して急速に放電下降させる第２放電回路としたものである。

請求項３の発明は、請求項２の発明に於いて、第２放電回路を、低抵抗と、高速降圧指令信号の入力により導通する高速降圧指令回路を構成するスイッチング素子の直列回路により形成するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項2又は請求項3の発明において、第２放電回路と並列に、圧力式流量制御装置の中央処理装置からの降圧指令信号によりピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を降圧指令回路を通して放電下降させる第１放電回路を設けるようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項4の発明において、第１放電回路を、高抵抗と、降圧指令信号の入力により導通する降圧指令回路を構成するスイッチング素子の直列回路により形成するようにしたものである。

請求項６の発明は、請求項２、請求項３又は請求項4の発明に於いて、第２放電回路の時定数を０．３ｍｓｅｃ以下とするようにしたものである。

本発明に於いては、流量自己診断機能を備えた圧力制御装置の圧力制御弁用駆動回路に於いて、制御弁の駆動回路と並列に、制御弁を高速閉止させるための閉止回路をもうけているため、自己流量診断時には圧力制御弁を急速に全開から全閉に切換えすることができ、圧力式制御弁の閉弁遅れ時間が大幅に短縮される。これにより、流量自己診断時の圧力降下特性の測定が高精度で且つ安定して行えることとなり、流量自己診断の診断結果も高精度となる。

特に、ピエゾ素子駆動部を備えた圧力制御弁を対象とする圧力制御弁用ピエゾ素子駆動回路にあっては、ピエゾ素子駆動用電圧の供給回路と並列に、降圧指令信号の入力によりピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を降圧指令回路を通して放電下降させる第１放電回路と、高速降圧信号の入力によりピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を高速降圧指令回路を通して急速に放電下降させる第２放電回路とを設け、平常の流量制御は前記第１放電回路を通してピエゾ駆動電圧を下降させることにより行い、また、流量自己診断時には、前記第２放電回路を通してピエゾ駆動電圧を急速に放電下降させる構成とすることにより、平常の流量制御は円滑に安定して行うことが出来ると共に、自己流量診断時にはピエゾ素子駆動型圧力制御弁を急速に全開から全閉に切換えすることができる。その結果、圧力式制御弁の閉弁遅れ時間が大幅に短縮されることになり、これにより流量自己診断時の圧力降下特性の測定が高精度で且つ安定した状態で行えると共に、流量自己診断の診断結果も高精度で安定したものにできる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置のピエゾ素子駆動回路の回路構成を示すブロック線図であり、図１に於いて、4はピエゾ素子、５はピエゾ素子駆動回路、６は昇圧指令回路、７は降圧指令回路、８は高速降圧指令回路、９は昇圧用電圧供給回路、10は圧力式流量制御装置の演算装置（CPU）である。また、Eは電源、１１〜１６は各入力端子であり、１７及び１８はピエゾ素子４への出力端子である。

前記ピエゾ素子４そのものはコンデンサ構造を有しており、本実施例ではその静電容量は５．７μＦであるが、入力端子１７、１８間の全容量は回路構成上６．７μＦである。

本発明に係るピエゾ素子駆動回路５は、前記昇圧指令回路６と降圧指令回路７と高速降圧指令回路８と昇圧用電圧供給回路９等から構成されており、端子１７、１８を通してピエゾ素子４へピエゾ素子駆動電圧が供給される。
また、端子11へは圧力式流量制御装置の演算処理装置ＣＰＵ１０から入力電圧が、端子１２へは昇圧指令信号が、端子１３へは降圧指令信号が夫々入力され、更に、流量自己診断（流量異常診断時）には、端子１４へ高速降圧指令信号が入力される。

即ち、ＣＰＵからパルス幅制御された昇圧指令信号が端子１２へ入力されて昇圧指令指令回路６の電界トランジスタFET₂がＯＮになると、端子１１からの入力電圧により昇圧電圧供給回路９のインダクタＬに起電力が誘起される。また、電界トランジスタFET₂がＯＦＦになると、前記インダクタＬの誘起起電力が入力端子１1からの電源電圧に重畳されて、出力端子１7からピエゾ素子４へ印加される。尚、ピエゾ素子４への印加電圧を増加させる場合には、端子１２への昇圧指令信号のパルス幅やパルス数を調整し、インダクタＬの誘起起電力の大きさやその重畳回数を変えることにより、印加電圧を上昇させる。

また、逆に印加電圧を減少させる場合とは、端子１３へＣＰＵ１０より降圧指令信号を入力し、降圧指令回路７の電界トランジスタFET₃をＯＮにして、ピエゾ素子４の印加電圧（充電電圧）を抵抗Ｒ₁と降圧指令回路７の電界トランジスタFET₃との直列回路から成る第１放電回路を通して放電させる。尚、図１の実施例では、第１放電回路の時定数＝Ｒ₁×Ｃ＝２２ＫΩ×６．７μＦ＝１４７．４ｍｓｅｃに設定されており、ピエゾ素子駆動電圧は比較的緩慢な速度で降圧する。尚、第１放電回路は、ピエゾ駆動電圧の調整による流量制御の安定性を保持する点から５０〜１００mｓｅｃに設定するのが望ましい。

更に、流量自己診断時（流量異常診断時）に、中央処理装置（ＣＰＵ）１０から高速降圧指令信号が端子１４へ入力されると、高速降圧指令回路８の電界トランジスタFTE₄がＯＮになり、ピエゾ素子４の印加電圧（充電電圧）を抵抗Ｒ₂と高速降圧指令回路８の電解トランジスタFTE₄との直列回路から成る第２放電回路を通して放電させる。即ち、高速降圧指令回路８のトランジスタと抵抗Ｒ₂から成る第２放電回路の時定数は、Ｒ₂×Ｃ=４７Ω×６．７μＦ＝０．３ｍｓｅｃに設定されており、ピエゾ素子駆動電圧は急激に下降することとなる。尚、第２放電回路の時定数は短いほど望ましいが、０．３ｍｓｅｃ以下に設定するのが最適であることが確認されている。

尚、通常の流量制御、即ちピエゾ素子駆動電圧の調整による弁開度制御を分担する降圧指令回路７の第１放電回路の時定数を少なくすることにより、高速降圧指令回路８（即ち第２放電回路）を削除する回路構成についてもその作動確認テストを行ったが、この場合には定常の流量制御時のピエゾ素子駆動電圧が安定性を欠くことになり、実用上制御困難な状態を生ずることが判明した。そのため、定常の流量制御用の降圧指令回路７の他に流量自己診断時のみに使用する高速降圧指令回路８を併設した回路構成を採用している。

図２は、本発明に係るピエゾ素子駆動回路５を、従前と同じ（株）フジキン製ＦＣＳ型圧力式流量制御装置に適用した場合の前記図６と同じ条件下で測定した圧力降下特性を示すものである。図２からも明らかなように、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁１に加わるガス供給圧力が変化しても、圧力降下特性曲線はほぼ同一の形態となり、自己流量診断の開始時に圧力制御弁１を全開から全閉に切換える際の切換時間を短縮（即ち、ピエゾ素子駆動電圧の放電時間を短縮）させて圧力制御弁１の閉止時間遅れを少なくすることにより、圧力降下特性が大幅に安定したものになることが示されている。

また、測定された圧力降下特性が安定したものとなることにより、必然的に圧力降下特性の測定値をベースにして算定される流量異常等の診断結果も高精度なものとなり、従前の図７に示した供給圧力と診断結果（％）の関係が、図３のような状態となる。即ち、供給圧力の変動による診断結果（％）のバラツキが大幅に改善されることになり、供給圧力が変化しても診断結果（％）の値は影響を受けなくなる。

尚、図２の圧力降下特性や図３の診断結果（％）と供給圧力（ＫＰａＧ）の関係の測定に使用したピエゾ駆動部１ａを備えた圧力式制御弁（ピエゾ素子駆動式ノーマルクローズ型メタルダイヤフラム弁）１は、特開２００５−１４９０７５号に開示されているものと同一の構造を有するものであるため、ここではその詳細な説明を省略する。

図４（Ａ）は、ピエゾ素子駆動電圧の放電状態を示す波形図であり、曲線Ｆは、放電回路の時定数Ｒ×Ｃが２ＫΩ×６．７μＦ＝１３．４ｍｓｅｃの場合を、また、曲線Ｎは放電回路の時定数Ｒ×Ｃが４７Ω×６．５μＦ＝０．３ｍｓｅｃの場合を夫々示すものである。
また、図４（Ｂ）は上記図４（Ａ）の部分拡大図であり、高速降圧指令回路８を設けた本発明に係るピエゾ素子駆動回路５に於いては、バルブ閉止速度が極めて高速となることが判る。
更に、上記実施形態に於いては、スイッチング素子として電界トランジスタを使用しているが、電界トランジスタ以外のスイッチング素子であってもよいことは勿論である。制御弁の駆動部についても同様であり、ピエゾ素子駆動部以外の駆動部例えばソレノイド駆動部であってもよく、また、ピエゾ素子の種類や構造も如何なるものであっても良い。

本発明に係る流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の制御弁用駆動回路は、他のあらゆる用途の制御弁に適用することが出来、特にピエゾ素子駆動式の高速開閉型流量・圧力自動制御弁の駆動回路として最適のものである。

本発明に係るピエゾ素子駆動回路の回路構成を示すブロック線図である。 本発明に係るピエゾ素子駆動部を備えた圧力式流量制御装置の圧力降下特性を示す線図である。 本発明に係るピエゾ素子駆動部を備えた圧力式流量制御装置の流量自己診断結果の供給圧力依存特性を示す線図である。 （Ａ）は従前のピエゾ駆動部を用いた場合と、本発明のピエゾ駆動部を用いた場合の圧力制御弁の開閉速度特性を示す線図であり、（Ｂ）は図（Ａ）の部分拡大図である。 従前の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の基本構成を示すブロック線図である。 圧力式流量制御装置ＦＣＳの圧力制御弁１へのガス供給圧力が異なる場合の圧力降下特性を示すものである。 供給圧力と流量異常の流量診断結果の関係を示す線図である。 従前のピエゾ素子駆動回路の構成を示すブロック線図である。

符号の説明

１は圧力制御弁
１ａはピエゾ素子駆動部
２はオリフィス
３は配管路
４はピエゾ素子
５はピエゾ素子駆動回路
６は昇圧指令回路
７は降圧指令回路
８は高速降圧指令回路
９はピエゾ電圧信号フィードバック回路
１０はCPU（演算処理装置）
１１〜１６は入力端子
１７〜１８はピエゾ素子への出力端子
ＦＣＳは圧力式流量制御装置
Eは電源
Ｍはメモリー装置
Ｑｃは演算流量
Ｑｓ設定流量
ΔＱはＱｓ−Ｑｃ
Ｓは制御信号
Ｐ₁は圧力検出器
Ｔ₁は温度検出器

Claims (6)

1. 予め測定して記憶した初期圧力降下特性データと，前記初期圧力降下特性の測定と同じ条件下で測定した流量診断時の圧力降下特性データとを対比し、両特性データの差異から流量制御の異常を検出するようにした流量自己診断機能を備えた圧力制御装置の圧力制御弁用駆動回路に於いて、制御弁の駆動回路と並列に、制御弁を高速閉止させるための閉止回路を設けたことを特徴とする流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用駆動回路。
2. 圧力制御弁用駆動回路を、ピエゾ素子駆動型圧力制御弁を作動させる圧力制御弁用ピエゾ素子駆動回路とすると共に、制御弁を高速閉止させるための閉止回路を、前記中央処理装置からの高速降圧指令信号により前記ピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を高速降圧指令回路を通して急速に放電下降させる第２放電回路とした請求項1に記載の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用駆動回路。
3. 第２放電回路を、低抵抗と、高速降圧指令信号の入力により導通する高速降圧指令回路を構成するスイッチング素子との直列回路により形成するようにした請求項２に記載の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用素子駆動回路。
4. 第２放電回路と並列に、圧力式流量制御装置の中央処理装置からの降圧指令信号によりピエゾ素子に印加したピエゾ素子駆動電圧を降圧指令回路を通して放電下降させる第１放電回路を設けるようにした請求項２又は請求項３に記載の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用駆動回路。
5. 第１放電回路を、高抵抗と、降圧指令信号の入力により導通する降圧指令回路を構成するスイッチング素子との直列回路により形成するようにした請求項４に記載の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用素子駆動回路。
6. 第２放電回路の時定数を０．３ｍｓｅｃ以下とするようにした請求項２、請求項３又は請求項4に記載の流量自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置の圧力制御弁用素子駆動回路。