JP2018096443A - バルブ装置及びバルブ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度変化により生じる樹脂部材の熱膨張に伴う開度変化や流量変動を抑制する。【解決手段】アクチュエータ３に駆動電圧を印加して弁体２を変位させるバルブ装置１００であって、弁体２の位置を検出する位置センサ７と、位置センサ７の検出位置に基づいて駆動電圧を調整する電圧調整部４４と、弁体２の温度を検出する温度センサ８とを備え、弁体２の着座面２Xは、樹脂部材２１により形成されており、電圧調整部４４は、温度センサ８の検出温度に応じて駆動電圧の設定値を変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、弁体をアクチュエータによる変位させるバルブ装置、及び、アクチュエータに印加する駆動電圧を制御するバルブ制御装置に関するものである。
バルブ装置としては、弁座に対して接離可能に設けられた弁体と、当該弁体を変位させる例えばピエゾ素子などのアクチュエータとを備え、当該アクチュエータに印加する駆動電圧を制御することによって弁開度を制御するものがある。
近年では、バルブ装置の閉止性を改善すべく、弁体の着座面に樹脂部材を設けた構成のものがあり、高温環境下においてこの構成では樹脂部材が弁座側に膨張して流量の低下が大きくなりやすい（図４参照）。図５に、弁体の着座面に樹脂部材を設けた構成において、弁体の周辺温度を２５℃→６０℃→２５℃に変化させた場合の流量変化を示す。なお、図５には、４種類のバルブを試験した結果を示している。この図５から、２５℃では流量の変動は小さく、再現性良く流量が得られていることがわかる。
なお、アクチュエータであるピエゾ素子への印加電圧は１００Ｖであり、バルブへの流体の供給ゲージ圧は５０ｋＰａである。この図５から分かるように、２５℃環境下と同じ駆動電圧を印加しても６０℃環境下では流量が低下してしまうという現象が見られた。
ここで、従来のバルブ装置では、アクチュエータに印加する駆動電圧の操作範囲の上限値は固定されている場合が多い。この操作範囲の上限値は、使用可能温度範囲内（例えば２５℃〜６０℃）でフルスケール流量を流すため、基準温度（例えば２５℃）環境下におけるフルスケール流量を流すための駆動電圧に対して、個体差などを許容する余裕分（マージン）を加えた値としてある。なお、フルスケール流量とは、バルブ装置を組み込んだマスフローコントローラを考えた場合に、その構成で流すことができる最大流量値のことであり、バルブ装置のフルオープン時に流すことができる流量よりも少ない流量である。
この操作範囲の上限値として、上述した高温（例えば６０℃）環境下で使用する場合に生じる弁体の熱膨張を許容するマージンを加えた値として、一律その上限値とすることが考えられる。
しかしながら、操作範囲の上限値が高温（例えば６０℃）環境下の熱膨張を許容する値である場合、常温（例えば２５℃）環境下でフルスケール流量に制御すると、過渡応答によりオーバーシュート量も大きくなってしまい、応答性が悪くなってしまう（図６参照）。また、常温における流量制御において制御精度（分解能）が悪くなってしまうという問題がある。
特開２００８−１９６５９６号公報
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、温度変化により生じる樹脂部材の熱膨張に伴う開度変化や流量変動を抑制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バルブ装置は、アクチュエータに駆動電圧を印加して弁体を変位させるバルブ装置であって、前記弁体の位置を検出する位置センサと、前記位置センサの検出位置に基づいて前記駆動電圧を調整する電圧調整部と、前記弁体又は前記弁体周辺の温度を検出する温度センサとを備え、前記弁体の着座面は、樹脂部材により形成されており、前記電圧調整部は、前記温度センサの検出温度に応じて前記駆動電圧の設定値を変更することを特徴とする。
また、本発明に係るバルブ制御装置は、着座面が樹脂部材により形成された弁体を駆動するアクチュエータの駆動電圧を制御するバルブ制御装置であって、前記弁体の位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部と、前記位置センサの検出位置に基づいて前記駆動電圧を調整する電圧調整部と、前記弁体又は前記弁体周辺の温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部とを備え、前記電圧調整部は、前記温度情報取得部が取得した温度情報に応じて前記駆動電圧の設定値を変更することを特徴とする。
これらバルブ装置及びバルブ制御装置であれば、位置センサの検出位置に基づいて駆動電圧を調整する電圧調整部が、温度センサの検出温度に応じてアクチュエータに印加する駆動電圧の設定値を変更しているので、各温度に対応した設定値となり、応答性及び制御精度の悪化を防ぐことができる。したがって、温度変化により生じる樹脂部材の熱膨張に伴う流量変動を抑制することができる。また、電圧調整部は、位置センサの検出位置に基づいて駆動電圧を調整するものであり、流量センサの流量を用いて流量制御する場合に比べて応答性を良くすることができる。
なお、バルブ装置の上流側又は下流側に設けた流量センサで流量を検出し、当該検出流量が目標値となるようにバルブ装置の開度を制御する場合には、以下の問題がある。つまり、弁体のクリープ現象、又は、弁体の経時変化などにより、弁体が弁座から離間して流体が流れ始める位置（流れ始め位置）はバルブの駆動回数に応じて変化するため、駆動電圧に対して得られる流量は駆動回数によって変化することになる。このため、流量センサの流量を用いて流量制御すると応答性が悪くなってしまう。
具体的に前記電圧調整部は、前記駆動電圧を所定の操作範囲内で調整するものであり、前記温度センサの検出温度に応じて前記操作範囲の上限値を変更することが望ましい。
樹脂部材の膨張量又はそれに伴う開度低下量を把握しておくことで、その影響を精度よく補正するためには、前記温度における前記樹脂部材の膨張量又はそれに伴う開度低下量を示す膨張関連情報を格納する膨張関連情報格納部をさらに備え、前記電圧調整部は、前記検出温度及び前記膨張関連情報から求まる前記樹脂部材の膨張量又は前記開度低下量に基づいて、前記操作範囲の上限値を変更することが望ましい。
位置センサを用いた流量制御において、樹脂部材の熱膨張を好適に補正するためには、前記電圧調整部は、前記温度検出部の検出温度及び前記膨張関連情報から求まる前記樹脂部材の膨張量又は前記開度低下量と前記位置検出部の検出位置とに基づいて、前記駆動電圧を調整することが望ましい。
本発明によれば、電圧調整部が温度センサの検出温度に応じてアクチュエータに印加する駆動電圧の操作範囲の上限値を変更しているので、温度変化により生じる弁体の熱膨張に伴う開度変化や流量変動を抑制することができる。
本実施形態のバルブ装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態のバルブ制御装置の機能構成を示す図である。 ２５℃、４０℃、６０℃における駆動電圧の上限値及び流量変化を示す模式図である。 従来の弁体に設けられた樹脂部材の熱膨張の様子を示す模式図である。 従来のバルブ装置における温度変化に伴う流量変化を示すグラフである。 従来の高温環境化の熱膨張を許容する上限値とした場合のオーバーシュートを示す模式図である。
以下に本発明に係るバルブ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態のバルブ装置１００は、例えば半導体製造プロセスに用いられるものであり、流路を流れる流量を制御するマスフローコントローラを構成するものである。
具体的にこのバルブ装置１００は、図１に示すように、流路Ｒを流れる流体の流量を制御するものであり、弁座２０に対して接離可能に設けられた弁体２と、当該弁体２を弁座２０に対して変位させるアクチュエータ３と、当該アクチュエータ３に印加する駆動電圧を制御する制御機器４とを備えている。
なお、本実施形態では、前記流路Ｒは、ブロック体１０の内部に形成されており、当該流路Ｒは、その途中においてブロック体１０の一面に開口している。この開口により流路Ｒが上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２に分断されており、当該開口に弁座２０が形成されている。そして、この開口及び弁座２０を閉塞するようにバルブ装置１００が取り付けられる。
弁体２は、ブロック体１０に取り付けられる本体部５にダイアフラム６を介して一体的に設けられている。弁体２の着座面２Ｘは、樹脂部材２１により形成されている。この樹脂部材２１は、弁体２の本体に形成された凹部２Ｍに設けられている。
また、本体部５の内部空間には、弁座２０に対する弁体２の相対位置を検出する位置センサ７が設けられている。この位置センサ７は、本体部５等の静止側に設けられており、弁体２又は弁体２とともに移動する部材との相対距離を検出する。本実施形態の位置センサ７は、渦電流センサであり、弁体２とともに移動する導電性を有するターゲット９との距離を測定する。
アクチュエータ３は、前記弁体２を駆動して弁開度、すなわち弁座２０と弁体２との離間距離を設定するものである。このアクチュエータ３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であって、印加される駆動電圧によって変位が制御されるものである。本実施形態では、アクチュエータ３に駆動電圧を印加することによって、アクチュエータ３が伸長して弁体２が弁座２０から離間する構成（ノーマルクローズタイプ）としてある。なお、弁体２が弁座２０から離間することによって、上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２が連通する。
制御機器４は、位置センサ７からの位置情報（位置検出信号）を取得して、弁体２の位置制御を行い、弁開度を制御するものである。なお、制御機器４は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を備えた所謂コンピュータである。
そして、制御機器４は、メモリに格納されている制御プログラムが実行されて各部が協働することにより、図３に示すように、少なくとも温度情報取得部４１、位置情報取得部４２、膨張関連情報格納部４３、電圧調整部４４としての機能を発揮する。
温度情報取得部４１は、弁体２又は弁体２周辺の温度を検出する温度センサ８の検出温度を示す温度情報（温度検出信号）を取得するものである。
なお、弁体２周辺の温度とは、弁体２（具体的には樹脂部材２１）と実質的に同一の温度となる部分の温度である。例えば、樹脂部材２１近傍のブロック体１０又は本体部５の温度、流路Ｒを流れる流体の温度、ブロック体１０において流体の温度と実質的に同一の温度となる部分の温度である。なお、図１では、温度センサ８は、流体の温度を検出する位置に設けられている。
位置情報取得部４２は、位置センサ７からその弁体位置を示す位置情報（位置検出信号）を取得するものである。
膨張関連情報格納部４３は、各温度における樹脂部材２１の膨張量又はそれに伴う開度低下量を示す膨張関連情報を格納するものである。なお、膨張関連情報は、バルブ装置１００毎に求められて予め入力されている。
樹脂部材２１の膨張量は、例えば常温（例えば２５℃）の樹脂部材２１の状態を基準とした各温度の樹脂部材２１の膨張量である。また、開度低下量は、各温度の樹脂部材２１の膨張量により生じる各温度の弁開度の低下量である。
電圧調整部４４は、弁体２を位置制御すべくアクチュエータ３に印加する駆動電圧を所定の操作範囲内で調整するものである。本実施形態の電圧調整部４４は、温度センサ８の検出温度に応じて操作範囲の上限値を変更するものである。
具体的に電圧調整部４４は、温度センサ８の検出温度及び膨張関連情報から求まる樹脂部材２１の膨張量又は開度低下量に基づいて、操作範囲の上限値を変更する。
例えば、弁体２又は弁体２周辺の温度が２５℃、４０℃、６０℃それぞれにおける駆動電圧の操作範囲の上限値は、図４に示すようになる。図３では、３つの設定温度（２５℃、４０℃、６０℃）で段階的に操作範囲の上限値を変更する場合を示しているが、連続的に操作範囲の上限値を変更するようにしても良い。
段階的に操作範囲の上限値を変更する場合において、２５℃における操作範囲の上限値は、２５℃環境下におけるフルスケール流量を流すための駆動電圧に対して、例えば樹脂部材２１が３０℃における熱膨張などを許容するマージンを加えた値とすることができる。また、４０℃における操作範囲の上限値は、４０℃環境下におけるフルスケール流量を流すための駆動電圧に対して、例えば樹脂部材２１が５０℃における熱膨張などを許容するマージンを加えた値とすることができる。さらに、弁体２が６０℃における操作範囲の上限値は、６０℃環境下におけるフルスケール流量を流すための駆動電圧に対して、例えば樹脂部材２１が６５℃における熱膨張などを許容するマージンを加えた値とすることができる。
この場合、温度センサ８の検出温度が所定の設定温度（例えば２５℃）以上であって、当該所定の設定温度の上限値のマージンに含まれる最大温度（例えば３０℃）以下の場合に、電圧調整部４４は、当該所定の設定温度（２５℃）における操作範囲の上限値に基づいて駆動電圧を調整する。一方、前記検出温度が所定の設定温度に含まれる最大温度（例えば３０℃）よりも大きい場合に、電圧調整部４４は、当該所定の設定温度（２５℃）の次に高温の設定温度（４０℃）における操作範囲の上限値に変更して、変更後の操作範囲の上限値に基づいて駆動電圧を調整する。
さらに、電圧調整部４４は、温度センサ８の検出温度及び膨張関連情報から求まる樹脂部材２１の膨張量又は開度低下量と位置センサ７の検出位置とに基づいて駆動電圧を調整する。このように電圧調整部４４がアクチュエータ３に印加する駆動電圧を調整することによって、樹脂部材２１の熱膨張による弁開度の低下を補正して流量制御することができる。
このように構成したバルブ装置１００によれば、電圧調整部４４が温度センサ８の検出温度に応じてアクチュエータ３に印加する駆動電圧の操作範囲の上限値を変更しているので、各温度に対応した操作範囲の上限値となり、応答性及び制御精度の悪化を防ぐことができる。したがって、温度変化により生じる樹脂部材２１の熱膨張に伴う開度変化や流量変動を抑制することができる。
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、前記実施形態では、バルブ装置１００が取り付けられるブロック体１０に弁座２０が設けられる構成を説明したが、バルブ装置１００が弁座を有する構成であっても良い。具体的にはバルブ装置１００が、前記実施形態の構成に加えて内部流路及び弁座が形成された流路形成部材（前記実施形態のブロック体に相当）を有している。
また、前記実施形態では、位置センサの検出位置を用いて流量をフィードバック制御するものであったが、位置センサの検出位置に加えて流量センサの検出流量を用いて流量をフィードバック制御するものであっても良い。
例えば、位置センサ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。
さらに、弁体の温度と当該温度に対する操作範囲の上限値とを対応付けた温度−上限値情報をメモリに格納しておき、温度センサの検出温度と前記温度−上限値情報とに基づいて操作範囲の上限値を変更するようにしても良い。
加えて、前記実施形態では、電圧調整部は、温度センサの検出温度に応じて駆動電圧の操作範囲の上限値を変更するものであったが、操作範囲におけるその他の設定値を変更するものであっても良い。例えば、温度センサの検出温度に応じてフルスケール流量を流すための駆動電圧を変更するものであっても良い。
前記実施形態では、ノーマルクローズタイプ（駆動電圧を印加しない状態でバルブが閉じている）のものであったが、ノーマルオープンタイプ（駆動電圧を印加したい状態でバルブが開いている）ものであっても同様の効果を奏する。
前記実施形態のバルブ装置は流体の流量を制御する流量制御弁であったが、流体の圧力を制御する圧力制御弁としても良い。
前記実形態のバルブ装置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・・・バルブ装置
２ ・・・弁体
２Ｘ ・・・着座面
２１ ・・・樹脂部材
３ ・・・アクチュエータ
４ ・・・バルブ制御装置（制御機器）
４１ ・・・温度情報取得部
４２ ・・・位置情報取得部
４３ ・・・膨張関連情報格納部
４４ ・・・電圧調整部
７ ・・・位置センサ
８ ・・・温度センサ

Claims (5)

  1. アクチュエータに駆動電圧を印加して弁体を変位させるバルブ装置であって、
    前記弁体の位置を検出する位置センサと、
    前記位置センサの検出位置に基づいて前記駆動電圧を調整する電圧調整部と、
    前記弁体又は前記弁体周辺の温度を検出する温度センサとを備え、
    前記弁体の着座面は、樹脂部材により形成されており、
    前記電圧調整部は、前記温度センサの検出温度に応じて前記駆動電圧の設定値を変更するバルブ装置。
  2. 前記電圧調整部は、前記駆動電圧を所定の操作範囲内で調整するものであり、前記温度センサの検出温度に応じて前記操作範囲の上限値を変更する、請求項１記載のバルブ装置。
  3. 各温度における前記樹脂部材の膨張量又はそれに伴う開度低下量を示す膨張関連情報を格納する膨張関連情報格納部をさらに備え、
    前記電圧調整部は、前記検出温度及び前記膨張関連情報から求まる前記樹脂部材の膨張量又は前記開度低下量に基づいて、前記操作範囲の上限値を変更する、請求項２記載のバルブ装置。
  4. 前記電圧調整部は、前記検出温度及び前記膨張関連情報から求まる前記樹脂部材の膨張量又は前記開度低下量と前記位置センサの検出位置とに基づいて、前記駆動電圧を調整する、請求項３記載のバルブ装置。
  5. 着座面が樹脂部材により形成された弁体を駆動するアクチュエータの駆動電圧を制御するバルブ制御装置であって、
    前記弁体の位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部と、
    前記位置センサの検出位置に基づいて前記駆動電圧を調整する電圧調整部と、
    前記弁体又は前記弁体周辺の温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部とを備え、
    前記電圧調整部は、前記温度情報取得部が取得した温度情報に応じて前記駆動電圧の設定値を変更する、バルブ制御装置。
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