JP2015121898A

JP2015121898A - 流体制御弁

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Publication number: JP2015121898A
Application number: JP2013264604A
Authority: JP
Inventors: 忠弘安田; Tadahiro Yasuda; 興太郎瀧尻; Kotaro Takijiri; 繁之林; Shigeyuki Hayashi
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: JP6147182B2

Abstract

【課題】流体制御弁としての健全性について常に正確に診断する事が可能な流体制御弁を提供する。
【解決手段】弁座６３と、前記弁座６３に対して接離可能に設けられた弁体７と、印加されている電流又は電圧に基づいて、自身が出力している力又は自身の変位が推定可能なアクチュエータ３と、前記アクチュエータ３と前記弁体７との間に設けられ、前記アクチュエータ３の変位を前記弁体７へと伝達するプランジャ５と、前記アクチュエータ３から出力されている力、又は、前記アクチュエータ３、前記プランジャ５、もしくは、前記弁体７の変位を測定するモニタリングセンサと、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体の流量や圧力を制御するために用いられる流体制御弁に関するものである。

上流側流路と下流側流路との間に介在させて設けられる流体制御弁は、ピエゾ素子等を用いたアクチュエータによって弁体を変位させて弁座と弁体との間の開度を調節し、流体の流量や圧力が目標の値となるように制御するために用いられるものである。

このような流体制御弁には、アクチュエータに印加されている電流又は電圧に基づいて弁体の変位が推定可能であることを利用して、故障が生じていないかどうかを診断する診断部を備えたものがある。より具体的には、前記診断部は例えば所定の目標流量が設定されている場合において、正常時にアクチュエータに印加される電圧と、アクチュエータに現在印加されている電圧とを比較する。そして、前記診断部は、現在の電圧が正常時と比べて大きく異なっている場合には必要な開度が実現されないような故障が生じていると判定する（特許文献１参照）。

しかしながら、印加されている電流や電圧の変化に対してピエゾ等の変位はヒステリシスを示すため、印加されている電流や電圧が現在の開度を正確に反映しているとは限らない。そこで、ヒステリシスの影響を抑えて確実な診断が行えるようにするために前記診断部は例えばゼロ流量の状態から前記所定の流量に目標値が変更された場合といった限られた条件下で測定される電流や電圧に基づき診断を行うように構成されている。

したがって、前記診断部は常時診断を行うことができず、また、アクチュエータのヒステリシスを考慮すると、ある程度の診断の不確かさを許容しなくてはならないため、あとどれくらい流体制御弁の使用を続けると故障に至るのかについて前記診断部が診断を下すことは難しい。

また、流体制御弁は健全性を正確に把握できるとともに、流量センサや圧力センサの応答性の限界に近い、もしくは、限界を超えるような高速での流体制御を実現できることも求められている。

特開平０６−２１４６５７号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、流体制御弁としての健全性について常に正確に診断できるとともに、流量センサや圧力センサの応答性の限界を超えるような流体制御を可能とする流体制御弁を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の流体制御弁は、弁座と、前記弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、前記弁体を変位させるアクチュエータと、前記アクチュエータと前記弁体との間に設けられ、前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位を測定するモニタリングセンサと、前記アクチュエータに印加される電流又は電圧によって前記弁座と前記弁体との間の開度を制御する開度制御部と、を備え、前記開度制御部が、目標流体量と測定流体量との偏差に基づいて前記アクチュエータをフィードバック制御する流体量ベース制御部と、前記偏差が所定の閾値範囲内にある状態で前記モニタリングセンサにより測定された前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位である実績値と、その時の目標流体量を対にして記憶する実績値記憶部と、前記流体量ベース制御部により前記アクチュエータが制御されない場合において、前記モニタリングセンサで測定される前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位が、前記目標流体量に対応する実績値となるように前記アクチュエータを制御する実績値ベース制御部と、を具備していることを特徴とする。

ここで、前記弁体の変位とは、弁体自体の変位だけでなく、前記アクチュエータの変位や、前記アクチュエータと前記弁体との間に介在する部材の変位等であって、前記弁体の変位を算出可能な変位を含む概念である。また、流体量とは少なくとも流量又は圧力を含むものであり、流体に関して測定可能な物理量を含む概念である。

このようなものであれば、ある目標流体量での制御が初めての場合には前記流体量ベース制御部によって流体量に基づいて制御を行い、その時の開度に換算可能な値である前記実績値を前記実績値記憶部に記憶しておき、再び同じ目標流体量での制御が必要となった場合には前記実績値ベース制御部によって応答の遅い流体センサを用いずに応答性の良い前記モニタリングセンサで測定される測定値に基づいて制御を行うことで高速制御に対応することができる。

また、前記アクチュエータは印加されている電流又は電圧に基づいて力や変位が推定でき、ひいては前記弁体の変位や弁としての開度を推定可能なものであるにかかわらず、前記アクチュエータから出力されている力そのものや、前記弁体の変位そのものを測定するモニタリングセンサを備えているので、現在の流体制御弁の状態を常に正確に把握することができる。

したがって、力や変位を直接測定しているので、前記アクチュエータが有しているヒステリシスの影響を受けることがなく、例えば目標流量や目標圧力が設定されている場合に実現されなくてはならない開度、出力されているべき力、変位、とモニタリングセンサから出力される値から換算される現在の開度、測定されている力、変位とを常に比較し、流体制御弁としての健全性を常時正確に診断することが可能となる。

前記アクチュエータから出力されている力を前記モニタリングセンサで精度よく測定することができ、かつ、前記モニタリングセンサによって他の構成が壊れないようにするには、前記アクチュエータと前記弁体との間に設けられ、前記アクチュエータの変位を前記弁体へと伝達するプランジャをさらに備え、前記モニタリングセンサが、前記アクチュエータと前記プランジャとの間に設けられて前記アクチュエータから出力されている力を測定するロードセルであり、前記ロードセルと前記プランジャとの間、又は、前記ロードセルと前記アクチュエータとの間に球体が配置されているものであればよい。このようなものであれば、前記ロードセルと他の構成との間は前記球体により点接触で接続されることになるので、前記ロードセルに一点集中荷重がかかり前記アクチュエータから出力されている力を正確に測定する事ができる。また、前記ロードセルと隣接する部材との間は球体が配置されているだけであり、固定されていないので、各部材が自由に動くことができ、大きな力が掛かっても各部材がずれて破損することを防ぐことができる。

前記流体制御弁内に前記モニタリングセンサを設けて、変位を正確に測定できるようにするには、前記アクチュエータと前記弁体との間に設けられ、前記アクチュエータの変位を前記弁体へと伝達するプランジャをさらに備え、前記モニタリングセンサが、前記プランジャの変位を測定する変位計であり、前記プランジャが、前記アクチュエータと前記弁体とを接続する可動子と、前記可動子を弾性支持するダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部と対向する固定面と、を具備し、前記変位計が、前記ダイヤフラムと前記固定面との間の変位を測定するよう構成されているものであればよい。

前記流体制御弁内に設けられたモニタリングセンサを利用して、流体制御弁としての健全性を常時監視できるようにし、故障をその兆候が表れた段階で診断できるようにするための具体的な構成としては、前記モニタリングセンサの測定値に基づいて、故障の診断を行う診断部をさらに備えたものが挙げられる。

流量や圧力を測定する流体センサの応答性を超えて、より高速で流体制御弁を制御するといった用途が近年増えつつある。そこで、前記モニタリングセンサを診断の用途だけでなく、流体センサの有している時定数では現在の状態をフィードバックできないような高速の流体制御を可能とする用途にも用いるには、前記アクチュエータに印加される電流又は電圧によって前記弁座と前記弁体との間の開度を制御する開度制御部をさらに備え、前記開度制御部が、目標流体量と測定流体量との偏差に基づいて前記アクチュエータをフィードバック制御する流体量ベース制御部と、前記偏差が所定の閾値範囲内にある状態で前記モニタリングセンサにより測定された前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記アクチュエータ、前記プランジャ、もしくは、前記弁体の変位である実績値と、その時の目標流体量を対にして記憶する実績値記憶部と、前記流体量ベース制御部により前記アクチュエータが制御されない場合において、前記モニタリングセンサで測定される前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記アクチュエータ、前記プランジャ、もしくは、前記弁体の変位が、前記目標流体量に対応する実績値となるように前記アクチュエータを制御する実績値ベース制御部と、を具備しているものであればよい。

流体制御弁としての健全性について高速制御を実行する前に確認しておき、前記変位ベース制御部による制御の信頼性を向上させるには、前記診断部が、前記流体量ベース制御部により前記アクチュエータが制御されている間に診断を行うように構成されているものであればよい。

このように本発明によれば、印加されている電流又は電圧に基づいて、自身が出力している力又は自身の変位が推定可能なアクチュエータを有しているにもかかわらず、さらに力又は変位を測定するためのモニタリングセンサを設けてあるので、アクチュエータの有するヒステリシスの影響を受けることなく、流体制御弁の健全性を常に監視及び診断する事が可能となる。また、流量や圧力等の流体量の測定に比べて応答速度が速い力や変位を測定できるモニタリングセンサを備えているので、このモニタリングセンサの測定値を用いることにより、流体量に基づいて制御を行った場合には追従できないような高速制御も実現できる。

本発明の一実施形態に係る流体制御弁及び流量制御装置について示す模式図。同実施形態における流体制御弁の構成を示す模式的断面図。同実施形態における流体制御装置の制御態様を示す模式的制御ブロック図。別の実施形態における流体制御弁の構成を示す模式的断面図。別の実施形態における圧力制御装置の制御態様を示す模式的制御ブロック図。

本発明の一実施形態に係る流体制御弁１００、及び、この流体制御弁１００を用いた流量制御装置２００について図１乃至３を参照しながら説明する。

本実施形態に係る流体制御弁１００は、例えば半導体製造装置に対して成分ガス等を所定の流量で供給するために用いられるものである。そして、図１に示すように前記流体制御弁１００は、流量センサ１０１と、演算機構ＣＯＭとともに流体の流量を制御するための流量制御装置２００を構成する。

各部について詳述する。

前記流体制御弁１００は、いわゆるノーマルクローズタイプの弁であって図２の断面拡大図に示すようにブロック体Ｂの内部に形成された上流側流路Ｌ１と下流側流路Ｌ２との間を介するように前記ブロック体Ｂに形成された収容凹部内に嵌め込まれるものである。そして、前記流体制御弁１００は図２における上側からアクチュエータ２、モニタリングセンサ、球体４、プランジャ５、弁座ブロック６、弁体７、弁体支持ばね７１と、を備えている。

前記アクチュエータ２は、ピエゾ素子を用いて構成されたピエゾアクチュエータ２であって、印加される電圧によって出力される力又は変位が制御されるものである。すなわち、このピエゾアクチュエータ２に印加される電流又は電圧に基づいて、ピエゾアクチュエータ２が現在出力している力、又はピエゾアクチュエータ２の現在の変位を所定の精度で推定することが可能なものである。また、このピエゾアクチュエータ２から出力されている力又はピエゾアクチュエータ２の変位の推定値から流体制御弁１００としての開度についても換算により推定可能である。なお、ピエゾ素子は印加される電流又は電圧に対して変位がヒステリシスを示すため、前述した電流又は電圧によるピエゾアクチュエータ２の力又は変位の推定値や流体制御弁１００としての開度の推定値はヒステリシスの影響により現在の状態を正確に推定できない場合がある。

前記モニタリングセンサは、本実施形態ではロードセル３１であって、前記ピエゾアクチュエータ２が出力している現在の力を直接測定するものである。

前記プランジャ５は、前記アクチュエータ２と前記弁体７との間に設けられ、前記アクチュエータ２の変位を前記弁体７へと伝達するものであり、ブロック体Ｂ内部の流路と外部とを仕切るための構成を有するものである。より具体的には前記プランジャ５は、図２に示すように前記ピエゾアクチュエータ２と前記弁体７との間を接続する概略円柱状の可動子５１と、前記可動子５１を弾性するとともに前記ブロック体Ｂの内部と外部を仕切る概略薄膜円板状のダイヤフラム部５２と、前記ダイヤフラム部５２の外周が接続され、前記弁座ブロック６を前記収容凹部の底面側へと押圧して固定される概略厚肉円筒状の固定体５３と、を具備するものである。

前記固定体５３の内部には、前記ダイヤフラム部５２の外部表面と対向するように設けられた中央部に貫通穴を有する概略厚肉円板状のバネ支持体５４が固定されている。すなわち、前記バネ支持体５４は、前記可動子５１の動きや前記ダイヤフラム部５２の変形に関係なく、常に同じ位置で固定されるように取り付けてある。また、このバネ支持体５４と前記可動子５１におけるピエゾアクチュエータ２側に設けられた係合突起との間にコイルばね５６が設けてあり、前記ピエゾアクチュエータ２からの出力が無い場合には、前記コイルばね５６の力により前記可動子５１及び前記ピエゾアクチュエータ２が初期位置に戻るようにしてある。

前記球体４は、前記ロードセル３１と前記可動子５１の上面との間に設けてあり、双方に対して回動可能に接触するよう構成してある。より具体的には前記ロードセル３１の下面には、前記球体４の上側の一部が収容される前記球体４の直径と略同じ内径を有する円筒状収容部３２が形成してあり、前記可動子５１の上面には前記球体４の下側の一部が収容される概略半球状の半球状収容部が形成してある。これらの収容部内において前記球体４は固定されておらず、位置は変化せずに回転は可能であるとともに前記ロードセル３１に対して点接触するように構成してある。

前記弁座ブロック６は、概略円筒状のものであって、側面と上面とに開口をし、前記上流側流路Ｌ１と連通する概略Ｌ字状の第１内部流路６１と、中央部において上下方向に貫通させて設けてあり、前記下流側流路Ｌ２と連通する第２内部流路６２とを有したものである。また、前記弁座ブロック６の下側の面における前記第２内部流路６２の開口の周囲は、前記弁体７が着座すると弁座６３として構成してある。

前記弁体７は、前記ピエゾアクチュエータ２から押圧されていない場合には、前記弁体支持ばね７１により前記弁座６３に対して押しつけられているものである。前記ピエゾアクチュエータ２から押圧されている場合には、その力又は変位に応じて前記弁座６３から離間するようにしてある。そして、前記弁座６３と前記弁体７の離間距離によって流体制御弁１００としての開度が決定される。

前記流量センサ１０１は、熱式のものであって流路から分岐するＵ字状の細管１１に巻き回された２つの感熱抵抗素子１２の温度をそれぞれ一定温度となるように電流を制御し、各感熱抵抗素子１２に印加されている電圧に基づいて流量を測定するものである。より具体的には、流量算出部１３では、各感熱抵抗素子１２に印加されている電圧の和及び差に基づき、流量を算出するように構成してある。この流量センサ１０１は流体の熱の移動に基づいて流量を測定するものであるので、測定される流量には所定の時間遅れが存在するため、本実施形態では高速制御を行う際にはその測定値は用いずに前記ロードセル３１の測定値に基づいて流量の制御を行うようにしてある。

前記演算機構ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されている流体制御バルブの診断用プログラム及び流体制御装置用プログラムが実行されて各部が協業することにより、少なくとも流量算出部１３、開度制御部８、診断部９としての機能を発揮するように構成してある。

前記流量算出部１３は、各感熱抵抗素子１２に印加される電圧に基づいて流体の流量を算出するものである。

前記開度制御部８は、前記ピエゾアクチュエータ２に印加される電圧によって前記弁座６３と前記弁体７との間の開度を制御するものである。より具体的には前記開度制御部８は、前記流量センサ１０１の時間遅れよりも短い時間での高速流量制御を可能とするために、流体量ベース制御モードと、実績値ベース制御モードとに切替可能に構成してある。

前記流体量ベース制御モードは、最初に実行される制御モードであって前記流量センサ１０１の測定値がフィードバックされて、目標流体量が実現されるように開度制御が行われるものである。

前記実績値ベース制御モードは、前記流体量ベース制御モードにおいて前記ロードセル３１が測定した値を利用して前記流量センサ１０１の測定値を用いずに開度制御を行うものである。より具体的には、前記実績値ベース制御モードでは、前記ロードセル３１の測定値がフィードバックされて目標流体量が実現されるように開度制御が行われる。

このような２つの制御モードを実行できるように前記開度制御部８は、図３（ａ）、（ｂ）の制御ブロック図に示すように流体量ベース制御モードと実績値ベース制御モードのいずれの制御モードを実行するかを判定し、制御モードの切替えを行う切替部８１と、前記流体量ベース制御モード時に使用される流体量ベース制御部８３と、前記流体量ベース制御モードで前記ロードセル３１により測定された測定値を実績値として記憶する実績値記憶部８５と、前記実績値ベース制御モード時に使用される実績値ベース制御部８４と、を備えたものである。

ここで、図３（ａ）は流体量ベース制御モード時の制御ブロック図を示すものであり、図３（ｂ）は実績値ベース制御モード時の制御ブロック図を示すものである。

前記開度制御部８の各部についてその構成とともに、１つの流路に２種類のガスを交互に高速で切り替えながらそれぞれのガスを所定の目標流量で流す高速切替流量制御時における動作について詳述する。なお、以下の説明では流体制御弁１００の上流側と下流側の圧力はそれぞれ別々の値で一定に保たれていることを前提とする。

前記切替部８１は、高速切替流量制御が開始されて各ガスがある流量で初めて流される場合には流体量ベース制御モードが実行され、各ガスをある流量流すのが２回目以降の場合には実績値ベース制御モードが実行されるように制御モードの切替を行うものである。言い換えると、各ガスについてある目標流量における流量の制御実績が無い場合には、前記切替部８１は前記流体量ベース制御部８３による開度制御が実行されるように各部のスイッチを図３（ａ）に示すように切り替えて、目標流量と流量センサ１０１の測定流量との偏差によるフィードバック制御が行われるように切替を行う。一方、既に流量の制御実績がある場合には前記切替部８１は図３（ｂ）に示すように各部のスイッチを切り替えて、過去に目標流量が実現された時に前記ロードセル３１で測定されていた力の値である実績値と、現在、ロードセル３１で測定されている値との偏差によるフィードバック制御が行われるように切り替えを行う。

まず、あるガス種ついてある目標流量で流量制御を行うのが初めてであり、前記切替部８１が前記流体量ベース制御部８３により開度制御が行われるように制御モードを切り替えた場合の動作及び前記流体量ベース制御部８３の構成について説明する。

前記流体量ベース制御部８３は、従来からある流量制御の構成と略同じであって、目標流量と測定流量の偏差に対して例えばＰＩＤ演算を行って前記ピエゾアクチュエータ２に印加するべき電圧を算出し、その値の電圧を前記ピエゾアクチュエータ２に印加する印加電圧制御部８２と、前記流量センサ１０１で測定された現在の測定流量をフィードバックする流体量フィードバック部ＦＦＢとから構成してある。なお、図３に記載しているピエゾアクチュエータ２の制御ブロックは印加電圧を入力、力を出力とするものであり、前記プランジャ５の制御ブロックは前記ピエゾアクチュエータ２からの力を入力、可動子５１の変位を出力とするものであり、前記弁体７の制御ブロックは前記可動子５１の変位を入力、実際に流路を流れる流体の実流量を出力として記載している。

この動作はガス種及び目標流量の組み合わせが初回の場合には繰り返されることになる。

次に、前記流体量ベース制御モードにおいて実績値が記憶される際の動作及び前記実績値記憶部８５の構成について説明する。

前記実績値記憶部８５は、前記流体量ベース制御部８３による制御が行われ、前記流量センサ１０１で測定される流量が目標流量と略一致した状態になったときに前記ロードセル３１により測定されている前記ピエゾアクチュエータ２から出力されている力を実績値としてそのときの流路に流れている流体のガス種、目標流量、とを対にして記憶するものである。ここで、前記実績値記憶部８５が前記ロードセル３１の測定値を実績値として記憶する際のトリガとしては、例えば目標流量と測定流量の偏差が所定閾値内である状態が所定時間継続されていることに設定してもよい。言い換えると、前記実績値記憶部８５は、ある目標流量が実現されている場合に前記ロードセル３１等のモニタリングセンサから出力されていた測定値を実績値として記憶するものである。この実績値はある目標流量が実現されたときの開度と対応する値であり、本実施形態であれば前記ロードセル３１から前記プランジャ５にかかる力が分かれば、前記可動子５１及び前記弁体７の変位量が算出でき、前記弁座６３と前記弁体７との間の開度について算出可能である。したがって、実績値は目標流量が実現したときの開度へと換算可能な値であるとも言える。

最後にあるガス種についてある目標流量での流量制御が２回目以降であり、前記切替部８１が前記実績値ベース制御部８４により開度制御が行われるように制御モードを切り替えた場合の動作及び前記実績値ベース制御部８４の構成について説明する。

前記実績値ベース制御部８４は、図３（ｂ）に示すように実績値取得部８６と、前記ロードセル３１で測定される前記ピエゾアクチュエータ２から出力される力をフィードバックするモニタリング量フィードバック部MFBと、前記印加電圧制御部８２と、を備えている。

前記実績値取得部８６は、受け付けられたガス種及び目標流量に基づいて前記実績値記憶部８５を参照して、受け付けられたガス種の目標流量に対応する力である実績値を取得するものである。本実施形態では、前記流体量制御モードにおいて受け付けられたガス種で、目標流量が実現されたときに前記ロードセル３１により測定された力が実績値として取得されることになる。

前記モニタリング量フィードバック部MFBは、前記ロードセル３１で現在測定されている力をフィードバックし、前記実績値取得部８６で取得された実績値である既知の力と、現在測定されている力の偏差を前記印加電圧制御部８２へと入力する。

前記印加電圧制御部８２は、前記流体量制御モードでは入力として目標流量と測定流量の偏差を受け付けるように構成されていたが、実績値ベース制御モードでは実績値である既知の力と、前記ロードセル３１により現在測定されている力の偏差を受けつけるように構成してある。そして、前記印加電圧制御部８２は、入力された各力の偏差にＰＩＤ演算を行い、前記ピエゾアクチュエータ２に印加するべき電圧を算出し、その値の電圧を前記ピエゾアクチュエータ２に印加する。

図３（ｂ）からも明らかなように前記実績値ベース制御モードでは、フィードバック制御のために前記流量センサ１０１で測定される流量は全く使用されておらず、流量センサ１０１よりもセンサの応答性が高いロードセル３１の出力に基づいて開度及び流量が制御されることになる。また、前記実績値はある目標流量が実現されたときに前記ロードセル３１が測定していた値であるので、前記ロードセル３１において現在測定されている力を実績値と略一致させれば、目標流量が実現されたときの開度を再現し、ひいては同じ目標流量を実流量として実現することができる。

また、前記流量センサ１０１に比べて前記ロードセル３１は時間遅れが小さく、瞬時に現在の状態を反映できるものであるので、フィードバック制御により短時間で測定されている力を前記実績値へと一致させることができ、短時間で目標流量を実現することができる。

加えて、上述したような前記実績値取得部８６、前記印加電圧制御部８２、前記モニタリング量フィードバック部MFBの動作はガス種が切替られるごとに受け付けられている目標流量に対応する実績値が取得され、前記ロードセル３１で測定される力が更新された実績値となるように制御が繰り返される。したがって、例えば２種類のガス種を短時間で交互に切り替えており、目標流量を実現するのに必要な開度が短時間で交互に切り替わる場合でも、前記実績値ベース制御モードによれば応答速度の速いロードセル３１の測定値に基づいているので十分に流量制御を追従させることができる。

次に前記診断部９について説明する。前記診断部９は、前記ロードセル３１で測定される力に基づいて前記流体制御弁１００において例えば前記プランジャ５のダイヤフラム部５２や各ばねにおいてヘタリが生じる、あるいは、前記弁座６３と前記弁体７との間に詰まりが生じる等して、故障が生じるまでにどれくらいの猶予があり、流体制御弁１００としての健全性がどの程度保たれているかについて診断するように構成してある。

より具体的には前記診断部９は、前記流体量ベース制御部８３が流量に基づいて開度制御をしている際に、前記ロードセル３１により測定される力の値やその時間変化に基づいて流体バルブとしての健全性を診断するように構成してある。例えば、前記診断部９は、製品出荷時や正常時においてある目標流量が実現されている場合に、前記ロードセル３１で測定される力の値を正常値として記憶する正常値記憶部（図示しない）を有しており、現在測定されている力と正常値との差を診断パラメータとして、当該診断パラメータが所定値以上になった場合には故障が発生していると出力する診断結果出力部（図示しない）を備えている。また、前記診断結果出力部は、ある目標流量が実現されている場合に前記ロードセル３１により測定される力の時系列データを記憶しており、経時変化に対する力の変化率から診断パラメータが所定値以上となる時期を推定し、故障が実際に起こると予測されるまでの期間を通知するようにもしてある。

このように本実施形態の流体制御弁１００であれば、従来のように前記ピエゾアクチュエータ２に印加されている電圧の変化等をモニタリングして流体制御弁１００の健全性を診断するのではなく、前記弁座６３と前記弁体７との間の開度に換算可能な値であるピエゾアクチュエータ２が出力する力を前記ロードセル３１により直接測定しているので、ピエゾアクチュエータ２のヒステリシスの影響を受けることない。したがって、診断を開始するタイミング等は特に限定されることがなく、前記ロードセル３１で測定される力に基づいて流体制御弁１００の健全性について常に診断を行うことができる。

また、前記ロードセル３１による測定は、前記弁座６３と前記弁体７との間の開度を略直接測定していることになるので、電流や電圧に基づいた診断に比べて精度や信頼性を高めることができる。

これらのことから、上述したように高い精度で得られた診断結果を時系列データとして蓄積できるので、故障の時期等を予め推定できる。

次に別の実施形態に係る流体制御弁１００及び流体制御装置２００について図４及び５を参照しながら説明する。なお、本実施形態の各部材について前記実施形態の各部材と対応するものには同じ符号を付すこととする。

図４に示す流体制御弁１００は、前記実施形態の流体制御弁１００と比較すると前記ロードセル３１を省略したうえで、前記モニタリングセンサとして内部に変位計３３を具備している点が異なっている。

より具体的には、この実施形態のモニタリングセンサは、前記プランジャ５の変位を測定するための渦電流式の変位計３３であって、前記ダイヤフラム部５２の外側表面に前記バネ支持体５４の下面である固定面５５に対向するように設けてある。すなわち、前記変位計３３は前記固定面５５を基準とした前記ダイヤフラム部５２の変位を測定するものであり、この変位計３３の測定値から前記可動子５１及び前記弁体７の変位がわかる。

また、この実施形態ではこのような流体制御弁１００を用いて圧力を制御するための流体制御装置２００を構成してある。この実施形態の流体制御装置２００の制御ブロック図は図５に示すようなものとなり、前記実施形態の制御ブロック図である図３と比較して、目標流体量が目標圧力である点と、流量センサ１０１が圧力センサである点と、実績値ベース制御モードにおいてフィードバックされるモニタリングセンサの測定値がプランジャ５の変位である点が異なっている。また、前記実績値記憶部８５に記憶されるのが目標圧力と前記プランジャ５の変位を対にしたデータであり、前記実績値取得部８６が取得するのも前記プランジャ５の変位の実績値である点も異なっている。

次にこのような流体制御装置２００による圧力の制御について説明する。

ある目標圧力が受け付けられた場合、まず前記切替部８１は、図５（ａ）に示すような流体量ベース制御モードに切り替えを行い、測定圧力をフィードバックすることによる通常の圧力制御を行う。このとき、測定圧力が略目標圧力との偏差が所定の閾値内の値になったときに前記変位計３３で測定されている前記プランジャ５の変位が実績値として目標圧力と対にして前記実績値記憶部８５に記憶される。

次に同じ目標圧力で圧力制御が行われる場合、前記切替部８１は図５（ｂ）に示すような実績値ベース制御モードに切り替えを行い、前記変位計３３で測定される前記プランジャ５の変位がフィードバックされるようにする。そして、前記流体量ベース制御モードにおいて、目標圧力が実現されたときに変位計３３で測定されていた実績値の変位と、変位計３３により現在測定されている変位の偏差が小さくなるようにフィードバック制御が行われる。

このように図４及び図５に示す流体制御弁１００及び流体制御装置２００であっても前記実施形態と同様に実績値ベース制御モードにおいては、流体量をフィードバックせずに応答性の良い変位計３３の測定値がフィードバックされるので、短時間で実圧力が目標圧力と一致するように制御できる。

また、この実施形態の診断部９も前記実施形態と同様にモニタリングセンサである変位計３３の測定値に基づいて前記流体制御弁１００の健全性について常時監視及び診断することが可能である。

その他の実施形態について説明する。

前記モニタリングセンサとしては、ロードセル叉は変位計だけでなく、アクチュエータに印加されている電流叉は電圧に基づかない測定方法によるものであればよく、力や変位を直接測定できるものであればよい。前記ロードセルは、前記アクチュエータとの間は球体を介して接触するようにして、前記プランジャに対しては直接接触するように設けてもよい。すなわち、前記ロードセルは、前記アクチュエータ叉は前記プランジャのいずれかに対して点接触が生じるように設けてあればよい。さらに、前記変位計の測定する変位は、アクチュエータ、プランジャ、弁体のいずれかであればよく、その設け方も測定対象に応じて設定すればよい。すなわち、前記変位計で測定する変位は、弁体の変位に換算可能な変位であればよい。また、前記変位計は、渦電流式のものに限られるものではなく、例えば、静電容量式、光学式、超音波式等様々なタイプの変位計を使用することができる。加えて、モニタリングセンサとして、ロードセルと変位計の両方を設けても構わない。

前記診断部は、モニタリングセンサの出力に基づいて流体制御弁の健全性を診断するものであったが、例えば前記アクチュエータに印加される電流叉は電圧に基づく診断についても並列して実行するように構成してもよい。また、前記実施形態では、診断部はモニタリングセンサで測定される測定値と、過去に測定された測定値を比較するように構成してあるが、例えば、モニタリングセンサで測定される測定値から弁座と弁体との間の開度を算出し、換算された開度同士を比較するように構成しても構わない。

前記開度制御部による流体量ベース制御モードと実績値ベース制御モードの切り替えによる流体量の制御は、前記実施形態に記載した用途に限られるものではない。例えば、前記実績値記憶部に記憶されていない目標流体量が受け付けられた場合には、前記切替部は流体量ベース制御モードによる制御を行って、実績値の蓄積を行い、過去に受け付けられたことのある目標流体の場合には前記切替部が実績値ベース制御モードへと切り替えるように構成してもよい。また、前記モニタリングセンサで測定されている値を前記流体量ベース制御モードにおいて利用しても構わない。例えば、モニタリングセンサで測定される測定値に基づいて、前記印加電圧制御部に設定されているＰＩＤ係数を適宜変更したり、受け付けられた目標流体量を応答性が向上するように整形するようなフィードフォワード制御を行ったりしても構わない。加えて、前記実績値記憶部は、目標流体量やガス種だけでなく、さらには流体制御弁の上流側又は下流側の圧力も含めて、流体量ベース制御モードでモニタリングセンサで測定された実績値と対にして記憶するように構成し、実績値ベース制御モードでは目標流体量、ガス種、上流側又は下流側の圧力といったパラメータが一致又はそれに近い組み合わせの時の実績値を前記実績値取得部が取得し、流体の制御に用いるようにしてもよい。

また、前記モニタリングセンサで測定された測定値が、前記実績値記憶部に記憶されることになるトリガとしては、前記実施形態に示したものに限られず様々な基準を設定すればよい。例えば、測定されている実流体量が目標流体量のプラスマイナスＡ％内に所定時間入った状態が継続した場合に前記モニタリングセンサで測定されている値を実績値として記憶してもよいし、目標流体量と流体センサで測定される実量流体の偏差に基づいて実績値として記憶するタイミングを決定してもよい。

前記アクチュエータはピエゾアクチュエータに限られるものではなく、ソレノイド等様々なものを用いても構わない。また、前記アクチュエータは電圧に基づいて制御してもよいし、電流に基づいて制御してもよい。また、前記各実施形態では流体制御弁はノーマルクローズタイプのものを示したが、ノーマルオープンタイプの流体制御弁として構成しても各実施形態と略同等の効果を得ることができる。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

２００・・・流体制御装置
１００・・・流体制御弁
１０１・・・流量センサ
１１・・・細管
１２・・・感熱抵抗素子
１３・・・流量算出部
２・・・アクチュエータ
３１・・・ロードセル（モニタリングセンサ）
３２・・・円筒状収容部
３３・・・変位計（モニタリングセンサ）
４・・・球体
５・・・プランジャ
５１・・・可動子
５２・・・ダイヤフラム部
５３・・・固定体
５４・・・バネ支持体
５５・・・固定面
５６・・・コイルばね
６・・・弁座ブロック
６１・・・第１内部流路
６２・・・第２内部流路
６３・・・弁座
７・・・弁体
７１・・・弁体支持ばね
８・・・開度制御部
８１・・・切替部
８２・・・印加電圧制御部
８３・・・流体量ベース制御部
８４・・・実績値ベース制御部
８５・・・実績値記憶部
８６・・・実績値取得部
ＦＦＢ・・・流体量フィードバック部
ＭＦＢ・・・モニタリング量フィードバック部
９・・・診断部

Claims

弁座と、
前記弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、
前記弁体を変位させるアクチュエータと、
前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位を測定するモニタリングセンサと、
前記アクチュエータに印加される電流又は電圧によって前記弁座と前記弁体との間の開度を制御する開度制御部と、を備え、
前記開度制御部が、目標流体量と測定流体量との偏差に基づいて前記アクチュエータをフィードバック制御する流体量ベース制御部と、
前記偏差が所定の閾値範囲内にある状態で前記モニタリングセンサにより測定された前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位である実績値と、その時の目標流体量を対にして記憶する実績値記憶部と、
前記流体量ベース制御部により前記アクチュエータが制御されない場合において、前記モニタリングセンサで測定される前記アクチュエータから出力されている力、又は、前記弁体の変位が、前記目標流体量に対応する実績値となるように前記アクチュエータを制御する実績値ベース制御部と、を具備していることを特徴とする流体制御弁。
前記アクチュエータと前記弁体との間に設けられ、前記アクチュエータの変位を前記弁体へと伝達するプランジャをさらに備え、
前記モニタリングセンサが、前記アクチュエータと前記プランジャとの間に設けられて前記アクチュエータから出力されている力を測定するロードセルであり、
前記ロードセルと前記プランジャとの間、又は、前記ロードセルと前記アクチュエータとの間に球体が配置されている請求項１記載の流体制御弁。
前記アクチュエータと前記弁体との間に設けられ、前記アクチュエータの変位を前記弁体へと伝達するプランジャをさらに備え、
前記モニタリングセンサが、前記プランジャの変位を測定する変位計であり、
前記プランジャが、前記アクチュエータと前記弁体とを接続する可動子と、前記可動子を弾性支持するダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部と対向する固定面と、を具備し、
前記変位計が、前記ダイヤフラムと前記固定面との間の変位を測定するよう構成されている請求項１又は２記載の流体制御弁。
前記モニタリングセンサの測定値に基づいて、故障の診断を行う診断部をさらに備えた請求項１乃至３いずれかに記載の流体制御弁。
前記診断部が、前記流体量ベース制御部により前記アクチュエータが制御されている間に診断を行うように構成されている請求項４記載の流体制御弁。