JP2017072216A - 流体制御弁及びその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】弁体が実際に開き始め位置を超えているのか否かを判断できる流体制御弁を提供する。【解決手段】弁座３１と、弁座３１に対して接離可能に設けられた弁体３２と、弁体３２を接離方向に移動させるアクチュエータ３３と、弁座３１に対する弁体３２の相対位置に応じた値を検知する位置情報検知部７と、弁体３２の開き始め位置Ｘにおいて位置情報取得部７により得られた位置情報に関わらず、前記開き始め位置を位置ゼロとする位置出力部４２とを備える。【選択図】図１

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及び当該流体制御弁に用いられる制御プログラムに関する。

従来の流体制御弁は、特許文献１に示すように、弁座と、当該弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、当該弁体を移動させるアクチュエータとを備えている。この流量制御弁は、前記アクチュエータによっ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。

この流体制御弁において、特許文献２に示すように、弁座に対する弁体の位置を測定する位置センサを有したものがある。この流体制御弁は、前記位置センサにより得られた弁体の位置を用いて位置制御（ポジションコントロール）を行っている。これにより、駆動電圧（電流）に対するアクチュエータのヒステリシス、弁体のクリープ現象、又は、流体制御弁の経時変化による影響を受けることなく、流量を制御することができる。

特開２０１３−５０１５８号公報 特開２０１５−１２１８９８号公報

この流体制御弁では、ユーザが、前記位置センサの出力によって弁体の位置を確認できる。ところが、全閉状態にある弁体を開弁方向に移動させても直ぐには流体が流れない。これは、流体制御弁が、図５に示すように、流体が流れ始める位置（開き始め位置）とそれまでの領域（不感帯）とを有するからである。また、この開き始め位置及び不感帯は流体制御弁毎に異なる。さらに、位置センサの出力は、全閉状態にある弁体の位置や開き始め位置においてゼロが出力されるわけではない。

そうすると、ユーザは、位置センサの出力によって弁体の位置を確認するだけでは、弁体が実際に開き始め位置を超えているのか否かを判断できない。その結果、流体制御弁に詰まりや故障等が生じていると誤解してしまう。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、ユーザの誤解を解消して使い勝手を良くすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る流体制御弁は、弁座と、前記弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、前記弁体を接離方向に移動させるアクチュエータと、前記弁座に対する前記弁体の相対位置に応じた値を検出する位置情報検知部と、前記弁体の開き始め位置において前記位置情報取得部により得られた位置情報に関わらず、前記開き始め位置を位置ゼロとする位置出力部とを備えることを特徴とする。

この流体制御弁であれば、位置出力部が弁体の開き始め位置において位置情報取得部により得られた位置情報に関わらず、前記開き始め位置を位置ゼロとするので、ユーザは、位置センサの出力に惑わされることなく、弁体の開き始め位置を位置ゼロとして認識することができる。したがって、ユーザの誤解を解消して使い勝手を良くすることができる。
その他、弁体の開き始め位置を位置ゼロとして用いることにより、流体制御弁の個体差の影響を受けずに、流体制御を行うことができる。流体制御弁の個体差による流体制御の精度誤差を解消することができる。

前記位置出力部は、前記位置情報検知部により得られた位置情報が前記開き始め位置よりも弁座側の位置を示す場合には、前記弁体の位置を位置ゼロとすることが望ましい。弁体が開き始め位置よりも弁座側の位置にある場合には、流量は流れない状態であり、この状態を位置ゼロとすることにより、ユーザに直接的に認識させることができる。

弁体の開き始め位置の経時変化に伴って表示すべき位置ゼロも変化させる必要がある。このため、前記位置出力部が、前記アクチュエータに全閉信号を出力した状態における前記位置情報検知部により得られた位置情報と、同状態における前記位置情報検知部により得られた位置情報の初期値とのずれ量を用いて、前記位置ゼロを補正することが望ましい。これならば、開き始め位置の経時変化及びこれに伴う位置ゼロの変化により生じるユーザの誤解を解消することができる。また、位置ゼロを補正する場合に、アクチュエータに全閉信号を出力して位置センサの出力信号を比較するだけで良い。つまり、位置ゼロの特定を再び行う必要が無いので補正が容易になる。

本発明によれば、弁体の開き始め位置において位置情報取得部により得られた位置情報に関わらず、開き始め位置を弁体の位置を位置ゼロとするので、ユーザの誤解を解消して使い勝手を良くすることができる。

本実施形態のマスフローコントローラの構成を示す模式図である。 同実施形態の流体制御弁の構成を示す図である。 同実施形態の位置出力部の表示態様を示す図である。 同実施形態の開き始め位置（位置ゼロ）の補正方法を示す図である。 流体制御弁の開き始め位置及び不感帯を示す図である。

以下に本発明に係る流体制御弁を組み込んだマスフローコントローラの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のマスフローコントローラ１００は、例えば半導体製造プロセスに用いられるものである。
具体的にこのマスフローコントローラ１００は、図１に示すように、例えば半導体プロセス用ガス等の流体が流れる流路５１が形成されたボディ５と、この流路５１を流れる流体の流量を測定する流量測定機構２と、前記流路５１を流れる流体の流量を制御する流体制御弁３と、前記流量測定機構２が出力する測定流量を予め定めた設定流量に近づけるべく流体制御弁３の弁開度を制御する制御機構４とを具備する。以下に各部を詳述する。

前記ボディ５は、前述した流路５１が貫通するブロック状をなすものである。当該流路５１の上流端に、外部流入配管（図示しない）に接続される。前記流路５１の下流端に、外部流出配管が接続される。

流量測定機構２は、熱式流量測定機構である。具体的に流量測定機構２は、前記流路５１から分岐して流体を分流させるセンサ流路管２１と、このセンサ流路管２１に設けられた一対の発熱抵抗体２２、２３とを有する。この一対の発熱抵抗体２２、２３には、センサ流路管２１を流れる流体の質量流量に応じて温度差が生じる。そして、流量測定機構２は、一対の発熱抵抗体２２、２３に生じる温度差を流量算出部２４によって検出して、センサ流路管２１の質量流量を測定する。また、流量算出部２４は、流路５１とセンサ流路管２１との分流比に基づいて、流路５１中の質量流量を算出する。なお、流路５１におけるセンサ流路管２１の分岐点と合流点の間には層流素子１０が設けられている。

流体制御弁３は、流路５１上に設けられた例えばノーマルクローズタイプの流量制御弁である。
具体的に流体制御弁３は、図２に示すように、ボディ５内に収容された一対の弁部材たる弁座部材３１及び弁体部材３２と、前記弁体部材３２を駆動して弁開度、すなわち弁座部材３１と弁体部材３２との離間距離を設定するアクチュエータ３３とを備えている。

弁座部材３１は、弁座となるものであり、図２に示すように、その下面に弁座面３１ａを有する。弁座部材３１の内部には、一端が弁座面３１ａに開口し、他端が側周面に開口する内部流路３１ｂが形成されている。なお、内部流路３１ｂの他端は、弁座部材３１の上面に開口するものでも良い。また、内部流路３１ｂは複数であっても良い。

この弁座部材３１は、ボディ５に設けた円柱状の凹部５２に収容されている。この凹部５２は、ボディ５の流路５１を分断するように配置してある。この凹部５２によって分断された流路５１のうち、上流側の流路（以下、上流側流路とも言う）５１（Ａ）が、例えば当該凹部５２の底面に開口し、この凹部５２より下流側の流路（以下、下流側流路とも言う）５２（Ｂ）が、例えばこの凹部５２の側面に開口している。なお、この凹部５２が、弁座部材３１及び弁体部材３２が配置される弁室を形成する。

そして、弁座部材３１を凹部５２に収容した状態では、上流側流路５１（Ａ）と下流側流路５１（Ｂ）とが弁座部材３１の内部流路３１ｂを介して連通することとなる。

弁体部材３２は、弁体となるものであり、ボディ５の凹部５２において弁座部材３１に対向配置されるとともに、その上面に着座面３２ａを有する。この着座面３２ａは、弁座面３１ａに接触して、弁座面３１ａに開口する内部流路３２ｂを閉塞する。

また、弁体部材３２は、ボディ５の凹部５２内において、弁体戻しばね６によって弁座部材３１に対して接離可能に支持されている。弁体戻しばね６は、弁体部材３２を弁座部材３１に向けて付勢するものである。つまり、弁体部材は、弁体戻しばねにより、開状態から閉状態に向かう方向（閉弁方向）に付勢されている。本実施形態の弁体戻しばね６は、板ばねであり、凹部５２に設けられた支持部材９に固定されている。なお、凹部５２の内面に固定しても良い。弁体戻しばね８は、弁体部材６を付勢するものであれば板ばね以外の弾性体を用いても良い。弾性体は弁体部材６を直接的又は間接的に付勢しても良い。

そして、この弁体部材３２は、アクチュエータ３３により駆動力を受けて付勢されて、弁座部材３１に接触して上流側流路５１（Ａ）及び下流側流路５１（Ｂ）を遮断する閉状態から、弁座部材３１から離間して上流側流路５１（Ａ）及び下流側流路５１（Ｂ）を連通させる開状態に移動する。

アクチュエータ３３は、例えば、ピエゾ素子を複数枚積層して形成されるピエゾスタック３３１と、当該ピエゾスタック３３１の伸長により変位する作動体３３２とを備えている。
ピエゾスタック３３１の先端部は、中間接続部材３３４を介して作動体３３２に接続されている。
作動体３３２は、ダイアフラム部材３３２ａと、当該ダイアフラム部材３３２ａの中心に設けられて、弁体部材３２に当接する接続棒３３２ｂとを有する。この接続棒３３２ｂは、前記弁座部材３２の中心（本実施形態では内部流路３２ｂ）を貫通して弁座部材３２に当接する。
そして、ピエゾスタック３３１に電圧が印加されるとピエゾスタック３３１が伸長して、作動体３３２が弁体部材３２を開弁方向に付勢して移動させる。これにより、弁座面３１ａと着座面３２ａとが、印加電圧に応じた距離だけ離間する。この隙間を通じて上流側流路５１（Ａ）と下流側流路（Ｂ）とが連通する。なお、弁体部材３２は、アクチュエータ３３に電圧を印加しないノーマル状態においては閉状態となる。

そして、本実施形態の流体制御弁３は、弁座面３１ａに対する着座面３２ａの相対位置に応じた値を検知する位置情報検知部７を有する。なお、前記相対位置に応じた値とは、弁座面３１ａ（弁座３１）と着座面３２ａ（弁体３２）との相対距離又は相対距離に関連する値、弁開度又は弁開度に関連する値、又はアクチュエータ３３の駆動電圧又は駆動電圧に関連する値などを挙げることができる。

本実施形態の位置情報検知部７は、弁座面３１ａに対する着座面３２ａの変位を測定する位置センサである。この位置センサ７は、弁体部材３２又は弁体部材３２とともに移動する部材に設けられている。そして、位置センサ７は、弁座部材３１又はその他の静止側部材との相対距離を測定する。本実施形態の位置センサ７は、渦電流センサである。この渦電流センサは、作動体３３２の接続棒３３２ｂに設けられている。そして、弁体部材３２の接離方向（接続棒３３２ｂの移動方向）に対向して静止側部材に導電性を有するターゲット８が設けられている。渦電流センサ７は、このターゲット８との距離を測定する。

制御機器４は、流量測定機構２からの流量測定信号と、位置センサ７からの位置情報（位置測定信号）とを取得して、流体制御弁３の弁開度を制御する弁開度制御部４１を有する。この弁開度制御部４１は、位置センサ７からの位置情報（位置測定信号［ｃｏｕｎｔｓ］）に基づいて、弁体部材３２の位置制御を行い、弁開度を制御する。

また、制御機器４は、弁体部材３２の開き始め位置Ｘにおいて位置センサ７により得られた位置情報を弁体部材３２の位置が位置ゼロであるとして表示部４３に出力する位置出力部４２を有している。なお、少なくとも位置出力部４２は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有する制御機器４に制御プログラムをインストールすることによって、制御機器４のその機能が実装される。

位置出力部４２は、流量測定機構２からの流量測定信号と、位置センサ７からの位置測定信号とから、開き始め位置Ｘを特定する。そして、当該開き始め位置Ｘにおける位置測定信号に関わらず、特定された開き始め位置Ｘを弁体部材３２の位置ゼロに設定する。なお、位置センサ７からの位置測定信号は、全閉状態にある弁体部材３２の位置又は開き始め位置Ｘであってもゼロとは限らない。
ここで、位置ゼロに設定するとは、開き始め位置Ｘを数値ゼロ（数字０）に設定することの他、位置がゼロであることが認識できる数値、例えば一桁目から所定桁数までゼロが連続する区切りの良い所定値に設定することも含む。

ここで、弁体部材３２の開き始め位置Ｘは、（１）流量測定信号が示す流量測定値［ｓｃｃｍ］がゼロを超えて流体が流れ始めた時点での弁体部材３２（具体的には着座面３２ａ）の位置、（２）流量測定値がゼロよりも大きい所定値となった時点での弁体部材３２の位置、又は、（３）流量測定値がゼロを超えて流体が流れ始めた時点での弁体部材３２の位置から弁座部材３１側に所定量変位させた位置である。なお、前記（３）の位置は、全閉状態にある弁体部材３２の位置と前記（１）の位置との間の位置である。

この開き始め位置Ｘは、例えばアクチュエータ３３に全閉信号を出力した全閉状態から弁体部材３１を徐々に変位させるとともに、その際の流量測定機構２からの流量測定信号を取得することによって特定される。なお、開き始め位置Ｘは、位置測定信号が示す相対距離［μｍ］であっても良いし、位置センサ７の位置測定信号（例えば距離変換前の信号値［ｃｏｕｎｔｓ］）であっても良い。その他、開き始め位置Ｘを、アクチュエータ３３の駆動電圧により特定する場合には、当該駆動電圧により示されるものであっても良い。

また、位置出力部４２は、位置センサ７の位置測定信号が前記開き始め位置Ｘよりも弁座部材３１（具体的には弁座面３１ａ）側の位置を示す場合には、前記弁体部材３２の位置を、マイナスの値ではなく、位置ゼロに設定する。なお、この場合の位置ゼロは、開き始め位置Ｘに設定された数値（ゼロ又は所定値）と同じである。

上記の構成により、位置出力部４２は、開き始め位置Ｘでの生の位置測定信号をゼロ（０）に置き換える。また、位置出力部４２は、開き始め位置Ｘよりも開放側（弁座面３１ａとは反対側）にある場合には、その位置での生の位置測定信号から開き始め位置Ｘでの生の位置測定信号を差し引いた値、つまり、ゼロから起算した値を出力する。さらに、位置出力部４２は、開き始め位置Ｘよりも閉塞側（弁座面３１ａ側）にある場合には、ゼロを出力する。

表示部４３は、図３に示すように、流量測定信号が示す測定流量値［ｓｃｃｍ］と位置測定信号が示す相対距離［μｍ］との関係を表すグラフをディスプレイ上に表示する。なお、横軸に設定した相対距離［μｍ］としては、位置センサ７の位置測定信号（距離変換前の信号値［ｃｏｕｎｔｓ］）を用いても良い。なお、弁体部材３２の位置を示す横軸の単位は、「μｍ」の他、［ｍ］であっても良いし、所定の弁開度における弁体部材３２の位置に対する割合［％］であっても良いし、その他種々の単位を用いることができる。また、測定流量値を示す縦軸の単位は、［ｓｃｃｍ］の他、所定の流量に対する割合［％］であっても良いし、その他種々の単位を用いることができる。

この表示部４３は、前記流量測定値と前記相対距離との関係を表すグラフの他に、例えば、アクチュエータ３３への印加電圧［Ｖ］と前記相対距離［μｍ］との関係を示すグラフ、及び、位置センサ７の最大流量時又は所定の流量時の出力信号に対する出力信号の割合［％］と前記相対距離［μｍ］との関係を示すグラフを表示する。

そして、表示部４３は、上記のグラフにおいて、開き始め位置Ｘにおける弁体部材３２の位置情報に関わらず、位置出力部４２により設定された開き始め位置Ｘが弁体部材３２の位置ゼロであるとユーザが視認できるように表示する。本実施形態では、表示部４３は、図３に示すように、開き始め位置Ｘがゼロとなるように表示（）し、横軸及び縦軸の交点となるように表示する。その他、表示部４３は、開き始め位置Ｘを位置ゼロとして示す表示線や矢印等の目印を表示しても良い。

また、表示部４３は、位置センサ７の位置測定信号が開き始め位置Ｘよりも弁座部材３１（具体的には弁座面３１ａ）側の位置を示す場合には、弁体部材３２（着座面３２ａ）の位置を位置ゼロとして表示する。そして、表示部４３は、位置センサ７の最大流量時又は所定の流量時の位置測定信号に対する位置測定信号の割合［％］と前記相対距離［μｍ］との関係を示すグラフにおいて、開き始め位置Ｘにおける位置センサ７の位置測定信号をゼロとし、それ以下の場合にも、ゼロとする。

さらに、本実施形態の位置出力部４２は、前記位置ゼロを補正する機能を有する。
位置出力部４２は、アクチュエータ３３に全閉信号を出力した状態における位置センサ７の位置測定信号と、同状態における位置センサ７の位置測定信号の初期値とのずれ量を用いて、既に設定された位置ゼロを前記ずれ量分ずらすことにより補正する。なお、初期値は、直近に開き始め位置Ｘを測定した際に取得した全閉状態における位置センサ７の位置測定信号である。

具体的に位置出力部４２は、図４に示すように、補正前の開き始め位置Ｘにおける位置測定信号から前記ずれ量を差し引く（オフセットする）ことにより補正後の開き始め位置Ｘ’における位置測定信号を算出する。

なお、位置出力部４２による上記の位置補正は、所定の周期毎又は所定のイベント発生時に自動的に行うように構成することが考えられる。その他、ユーザの操作により入力される入力信号を受け付けた場合に行うように構成しても良い。

そして、表示部４３は、この補正後の開き始め位置Ｘ’を位置ゼロとしてディスプレイ上に表示する。

このように構成したマスフローコントローラ１００によれば、位置出力部４２が開き始め位置Ｘにおける弁体部材３２の位置情報（位置測定信号）に関わらず、開き始め位置Ｘを弁体部材３２の位置ゼロとし、表示部４３が開き始め位置Ｘを位置ゼロとして表示する。これにより、ユーザは、位置センサ７の出力に惑わされることなく、弁体部材３２の開き始め位置Ｘを位置ゼロとして認識することができる。したがって、ユーザの誤解を解消して使い勝手を良くすることができる。

また、弁体部材３２の開き始め位置Ｘを位置ゼロとして用いることにより、流体制御弁３の個体差の影響を受けずに、流体制御を行うことができる。流体制御弁３の個体差による流体制御の精度誤差を解消することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、位置情報検知部７としては、前記実施形態の渦電流センサに限られず、静電容量センサであってもよいし、光干渉センサ等の光学センサであってもよいし、アクチュエータの駆動電圧を検知して位置情報を取得するものであってもよい。

また、前記実施形態の流体制御弁は、ノーマルクローズタイプのものであったが、ノーマルオープンタイプのものであっても同様の効果を奏する。

さらに、前記実施形態のように流体制御弁を組み込んだ流体制御機器（マスフローコントローラ）の場合には、流体制御弁の制御部（ＣＰＵ）と、流体制御機器の制御部（ＣＰＵ）とを共通化し、当該共通のＣＰＵに前記位置出力部としての機能を持たせても良い。

前記実施形態では、流体制御弁を組み込んだマスフローコントローラについて説明したが、当然に流体制御弁単体として構成しても良い。流体制御弁としては、前記実施形態のような流量制御弁の他、流体の圧力を制御する圧力制御弁としても良い。

流体制御弁の構成も前記実施形態に限られず、流路内に弁座が設けられ、当該弁座に弁体が接離可能に設けられることによって、流路の遮断／連通が切り替えられるものであれば良い。また、流体制御弁は、ノーマルオープンタイプのものであっても良い。

前記実施形態では、全閉状態における位置センサの出力信号と初期値とのずれ量により開き始め位置を補正しているが、前記実施形態と同手法により、開き始め位置を更新し、その更新後の開き始め位置における位置情報をゼロ位置として表示しても良い。つまり、アクチュエータ３３に全閉信号を出力した全閉状態から弁体部材３１を徐々に変位させるとともに、その際の流量測定機構２からの流量測定信号を取得することによって経時変化した後の開き始め位置を特定しても良い。

前記実施形態では記憶された開き始め位置を補正する構成としているが、全閉状態にある弁体部材を開放させる毎又は所定回数毎に、流量測定機構２からの流量測定信号と、位置センサ７からの位置測定信号とから、開き始め位置Ｘを特定するように構成しても良い。

前記実施形態の流量測定機構としては、熱式以外にも、圧力式、コリオリ式や超音波式などの種々の流量測定方式を用いることができる。

前記実施形態の弁開度制御部４１は、位置センサ７からの位置情報（位置測定信号［ｃｏｕｎｔｓ］）を用いて弁開度を制御する他、位置出力部４２により設定された位置ゼロを基準として弁開度を制御しても良い。

前記実施形態の流体制御弁及びマスフローコントローラを半導体製造プロセス以外にも用いることができる。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・流体制御弁
３１ ・・・弁座
３１ａ・・・弁座面
３２ ・・・弁体
３２ａ・・・着座面
３３ ・・・アクチュエータ
４１ ・・・弁開度制御部
４２ ・・・位置出力部
４２ ・・・表示部
Ｘ ・・・開き始め位置
７ ・・・位置センサ

Claims (4)

1. 弁座と、
   前記弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、
   前記弁体を接離方向に移動させるアクチュエータと、
   前記弁座に対する前記弁体の相対位置に応じた値を検出する位置情報検知部と、
   前記弁体の開き始め位置において前記位置情報取得部により得られた位置情報に関わらず、前記開き始め位置を位置ゼロとする位置出力部とを備える流体制御弁。
2. 前記位置出力部は、前記位置情報検知部により得られた位置情報が前記開き始め位置よりも弁座側の位置を示す場合にも、前記弁体の位置を位置ゼロとする請求項１記載の流体制御弁。
3. 前記位置出力部が、前記アクチュエータに全閉信号を出力した状態における前記位置情報検知部により得られた位置情報と、同状態における前記位置情報検知部により得られた位置情報の初期値とのずれ量を用いて、前記位置ゼロを補正する請求項１又は２記載の流体制御弁。
4. 弁座と、当該弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、当該弁体を接離方向に移動させるアクチュエータと、前記弁座に対する前記弁体の相対位置に応じた値を検出する位置情報検知部とを備える流体制御弁を制御する制御プログラムであって、
   前記弁体の開き始め位置において前記位置情報取得部により得られた位置情報に関わらず、前記開き始め位置を位置ゼロとする位置出力部としての機能をコンピュータに備えさせることを特徴とする制御プログラム。