KR20090074016A - 압력 레귤레이터 및 제진장치 - Google Patents

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KR20090074016A
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토시하루 카가와
토모노리 카토
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고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
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Abstract

하류측에 유량변동이 발생한 경우에 있어서도, 고응답 또한 고정밀도로 압력 제어를 수행할 수 있는 압력 레귤레이터를 제공한다. 압력 레귤레이터(1)는, 서보밸브(11)에 의해, 기체공급원(10)으로부터 공급되는 기체의 등온화 압력용기(13)로의 유입유량을 규제하고, 등온화 압력용기(13) 내의 압력을 일정하게 유지한다. 여기서, 서보밸브(11)를 조작하는 압력 제어수단(컴퓨터(16))은, 압력계(14)에서 계측한 등온화 압력용기(13) 내의 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계를 메인 루프로 하고, 그 내측에, 유량계(12)에서 계측한 유입유량을 피드백 제어하는 유입유량 제어계를 구성함과 동시에, 유입유량과 압력미분계(15)에서 계측한 등온화 압력용기(13) 내의 압력미분값에 기초하여 등온화 압력용기(13)로부터 유출하는 유출유량을 추정하는 옵서버를 구성하고, 추정한 유출유량을 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계를 구성한다.

Description

압력 레귤레이터 및 제진장치{PRESSURE REGULATOR AND VIBRATION ISOLATOR}
본 발명은, 압력을 일정하게 유지하는 압력 레귤레이터 및 그 압력 레귤레이터를 이용한 공기 스프링식의 제진장치에 관한 것이다.
기체의 압력제어는, 반도체 제조과정에 있어서의 불활성 가스의 제어, 반도체 제조용 노광장치의 토대가 되는 공기 스프링식의 제진대나 각종 가스의 분석장치 등에 있어서 필요불가결하다. 이와 같은 반도체 제조에 이용되는 장치를 비롯하여, 많은 분야에서 정밀한 압력제어가 요구되고 있다.
압력을 일정하게 유지하는 압력 레귤레이터는, 기계적인 피드백 기구를 이용한 것이 저렴하게 판매되고 있으며, 예를 들면, 기계적인 피드백 기구가 붙은 파일럿식의 정밀 레귤레이터가 자주 이용되나, 큰 유량을 흘리면 그 영향을 받기 때문에, 정밀한 계측이나 제어에는 큰 문제가 있었다. 그것을 회피하기 위해서, 용적이 큰 용기를 버퍼로서 마련하여, 사용 유량의 변동에 의한 영향을 저감하는 방법이 취해졌다. 그러나, 큰 용적의 용기를 설치하면, 설치를 위해서 넓은 스페이스를 점유한다는 문제가 있었다.
그래서, 본원 발명자 등은, 특허문헌 1에 있어서, 압력용기에 유입하는 공기량을 공기압 서보밸브에 의해 규제함으로써, 이 압력용기 내의 압력을 일정하게 제 어하는 압력 제어장치에 있어서, 공기압 서보밸브의 기체 출구에 유량계를 배치하여 압력용기에 유입하는 공기의 유입유량을 계측함과 동시에, 압력용기에 압력계를 배치하여, 압력용기 내의 공기의 압력을 계측하고, 압력계에서 계측한 압력을 피드백 제어하는 메인 루프와, 유량계에서 계측한 유입유량을 피드백 제어하는 마이너 루프로 이루어지는 캐스케이드(cascade) 제어기구를 구비한 압력 제어장치를 제안하였다. 이에 의해, 공기압 서보밸브를 통해서 유출하는 공기의 압력을 고속으로 제어할 수 있게 되었다.
또, 본원 발명자 등은, 특허문헌 2에 있어서, 유량제어형 서보밸브를 이용한 공기 스프링을 지지다리로 하는 제진장치를 제안하였다.
특허문헌 1 : 특개 2004-310478호 공보(단락 0016 ∼ 단락 0021, 도1, 도2)
특허문헌 2 : 특개 2006-144859호 공보(단락 0024 ∼ 단락 0044, 도10)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
특허문헌 1에서 제안한 압력 제어장치는, 압력용기에 유입하는 공기의 유입유량을 피드백 제어함으로써, 고속의 압력제어를 실현하였으나, 게다가, 하류측에 유량 변동이 생긴 경우에도 고속으로 압력제어를 수행하기 위해서는, 압력용기로부터 유출하는 공기의 유출유량을 감지하여 제어할 필요가 있었다.
이를 위해서, 예를 들면, 압력용기의 하류측에도 유량계를 배치하여, 압력용기로부터 유출하는 유출유량을 계측하는 방법을 생각할 수 있으나, 배치한 하류측의 유량계에 의해 압력손실이 발생하기 때문에, 정밀하게 압력제어를 수행하는 것은 곤란하였다.
또, 특허문헌 2에서 제안한 제진장치를, 더 응답성 및 정밀도를 향상시키기 위해서는, 공기 스프링의 압력 제어뿐만 아니라, 공기 스프링에 공급하는 공기 공급원의 압력을 고속 또한 고정밀도로 제어할 필요가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여, 하류측에 유량변동이 발생한 경우에 있어서도, 고응답 또한 고정밀도로 압력 제어를 수행할 수 있는 압력 레귤레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 고속 응답과 고정밀도의 위치 정정(整定)이 가능한 공기 스프링식의 제진장치를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서 창안된 것이며, 청구항 1에 기재된 압력 레귤레이터는, 압축성 유체 공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 유입유량을 규제하는 서보밸브와, 상기 서보밸브를 통해서 유입하는 압축성 유체를 등온상태로 유지하는 등온화 압력용기와, 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값을 검출하는 압력미분값 검출수단과, 상기 서보밸브를 조작하여 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하는 압력 제어수단을 구비하고, 상기 압력 제어수단은, 상기 압력 검출수단에 의해 검출된 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계와, 상기 등온화 압력용기로 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 피드백 제어하는 유입유량 제어계와, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 압력미분값으로부터, 상기 등온화 압력용기 내로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하는 유출유량 추정수단을 가지며, 상기 압력 제어계의 제어 루프의 내측에 구성함과 동시에, 상기 유출유량 추정수단에 의해 추정된 유출유량을 상기 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계를 구성하도록 하였다.
상기 구성에 따르면, 압력 레귤레이터는, 등온화 압력용기를 버퍼로서 이용함에 따라, 해당 등온화 압력용기로의 공기 등의 기체로 대표되는 압축성 유체의 유입과정 및 유출과정을 등체적 그리고 등온변화로 간주할 수 있으므로, 간편하게 압력 제어를 수행할 수 있다.
이 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하기 위해서, 서보밸브에 의해, 압축성 유체공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 등온화 압력용기로의 유입유량을 규제한다. 이때, 압력 레귤레이터는, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계를 메인 루프로 하는 압력 제어수단에 의해, 서보밸브를 조작하여 유입유량을 규제하고, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어한다.
여기서, 압력 제어수단은, 압력 제어계의 내측에 구성한 마이너 루프인 유입유량 제어계에 의해, 등온화 압력용기로 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 피드백 제어함과 동시에, 유출유량 추정수단에 의해, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값에 기초하여, 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하고, 추정한 유출유량을 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계에 의해 보상한다.
청구항 2에 기재된 압력 레귤레이터는, 압축성 유체 공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 유입유량을 규제하는 서보밸브와, 상기 서보밸브를 통해서 유입하는 압축성 유체를 등온상태로 유지하는 등온화 압력용기와, 상기 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기로 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 취득하는 유입유량 취득수단과, 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력을 검출하는 압력 검출수단과, 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값을 검출하는 압력미분값 검출수단과, 상기 서보밸브를 조작하여 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하는 압력 제어수단을 구비하고, 상기 압력 제어수단은, 상기 압력 검출수단에 의해 검출된 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계와, 상기 유입유량 취득수단에 의해 취득된 유입유량을 피드백 제어하는 유입유량 제어계와, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 압력미분값과 상기 유입유량 취득수단에 의해 취득된 유입유량에 기초하여, 상기 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하는 유출유량 추정수단을 가지며, 상기 유입유량 제어계를 상기 압력 제어계의 제어 루프의 내측에 구성함과 동시에, 상기 유출유량 추정수단에 의해 추정된 유출유량을 상기 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계를 구성하도록 하였다.
상기 구성에 따르면, 압력 레귤레이터는, 등온화 압력용기를 버퍼로서 이용함에 따라, 해당 등온화 압력용기로의 공기 등의 기체로 대표되는 압축성 유체의 유입과정 및 유출과정을 등체적 그리고 등온변화로 간주할 수 있으므로, 간편하게 압력 제어를 수행할 수 있다.
이 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하기 위해서, 서보밸브에 의해, 압축성 유체공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 등온화 압력용기로의 유입유량을 규제한다. 이때, 압력 레귤레이터는, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계를 메인 루프로 하는 압력 제어수단에 의해, 서보밸브를 조작하여 유입유량을 규제하고, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어한다.
여기서, 압력 제어수단은, 압력 제어계의 내측에 구성한 마이너 루프인 유입유량 제어계에 의해, 등온화 압력용기로 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 피드백 제어함과 동시에, 유출유량 추정수단에 의해, 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값과 등온화 압력용기로 유입하는 압축성 유체의 유입유량에 기초하여, 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하고, 추정한 유출유량을 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계에 의해 보상한다.
청구항 3에 기재된 압력 레귤레이터는, 청구한 1 또는 청구항 2에 기재된 압력 레귤레이터에 있어서, 상기 서보밸브는, 스풀형 서보밸브로 하였다.
상기 구성에 따르면, 압력 레귤레이터는, 유량제어형 서보밸브인 스풀형 서보밸브를 이용하여 유입유량의 제어를 수행하기 때문에, 예를 들면, 압력제어형의 노즐 플래퍼형 서보밸브를 이용한 경우에 비해, 배기량을 적게할 수 있다.
청구항 4에 기재된 압력 레귤레이터는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터에 있어서, 상기 압력미분값 검출수단은, 압력실과, 다이어프램식 차압계 혹은 유속계와, 상기 등온화 압력용기와 상기 압력실을 연통하는 원통형의 슬릿 유로를 구비한 압력미분계로 하였다.
상기 구성에 따르면, 원통형의 슬릿 유로를 이용한 압력미분계로 하였기 때문에, 유로 단면적을 크게 취할 수 있어, 시정수를 작게할 수 있다. 따라서, 고속으로 응답하는 압력미분계로 할 수 있다.
청구항 5에 기재된 압력 레귤레이터는, 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터에 있어서, 상기 유입유량 취득수단은, 상기 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 계측하는 층류형 유량계로 하였다.
상기 구성에 따르면, 유입유량을 취득하기 위해서, 압력손실이 작은 층류형 유량계를 이용하기 때문에, 유량의 계측에 의한 압력에의 영향을 적게할 수 있다.
청구항 6에 기재된 압력 레귤레이터는, 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터에 있어서, 상기 유입유량 취득수단은, 상기 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 상기 서보밸브의 전후 압력 및 개도로부터 유입유량을 추정한다.
상기 구성에 따르면, 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 상기 서보밸브의 전후 압력 및 개도로부터 유입유량을 추정하고, 동특성(dynamic characteristic)이 우수한 압력센서를 이용하여 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 고속 제어한다.
청구항 7에 기재된 압력 레귤레이터는, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터에 있어서, 상기 유출유량 추정수단은, 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량(Gin)과, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값(dP/dt)에 기초하여, 하기 식(8)에 의해 상기 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 산출한다.
[수 1]
Figure 112009012463223-PCT00001
여기서, R은 가스상수[J/(kg·K)], V는 등온화 압력용기의 용적[m3], θ는 등온화 압력용기 내의 공기의 온도[K], P는 등온화 압력용기 내의 압력[Pa], t는 시간[s]이다.
상기 구성에 따르면, 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 유입유량 제어계의 가산접합점에 피드백하는 모델 추종 제어계를 구성함으로써, 하류에서의 유출유량의 근소한 변화에 대응하여 압력 제어가 수행되고, 외란에 강한 고응답의 압력 레귤레이터를 구성할 수 있다.
청구항 8에 기재된 제진장치는, 정반과, 상기 정반을 지지하는 공기 스프링과, 상기 공기 스프링에 대한 공기의 유입유량 및 유출유량을 규제하는 서보밸브와, 공기공급원으로부터 공급되는 공기를 소정의 압력으로 제어하여 상기 서보밸브로 공급하는 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터와, 상기 정반의 위치를 검출하는 위치 검출수단과, 상기 정반의 가속도를 검출하는 가속도 검출수단과, 상기 위치 검출수단에 의해 검출된 위치와 상기 가속도 검출수단에 의해 검출된 가속도에 기초하여, 상기 서보밸브를 조작하여 상기 정반을 소정의 위치로 제어하는 공기 스프링 제어수단을 구비하여 구성하였다.
상기 구성에 따르면, 제진장치는, 압력 레귤레이터에 의해 소정의 압력으로 제어된 공기를 서보밸브로 공급하고, 공기 스프링 제어수단에 의해, 위치 검출수단에서 검출한 정반의 위치와 가속도 검출수단에서 검출한 정반의 가속도에 기초하여, 서보밸브를 조작하여, 공기 스프링에 대한 유입유량 및 유출유량을 규제함으로서, 정반을 소정의 위치로 제어한다.
청구항 9에 기재된 제진장치는, 청구항 8에 기재된 제진장치에 있어서, 상기 서보밸브는, 스풀형 서보밸브로 하였다.
상기 구성에 따르면, 공기 스프링에의 공기의 공급과 배기를 수행하는 서보밸브로서, 유량제어형인 스풀형 서보밸브를 이용했기 때문에, 배기량을 적게할 수 있다. 또한, 압력 레귤레이터에 이용하는 서보밸브도 스풀형 서보밸브로 함으로써, 한층 배기량을 적게할 수 있다.
발명의 효과
청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 하류에서의 유출유량의 근소한 변화에 대응하여 압력 제어가 수행되기 때문에, 외란에 강하고, 응답성이 높은 압력 레귤레이터로 할 수 있다. 또, 유출유량을 압력미분값에 기초하여 추정하기 때문에, 유출유량을 직접 계측하는 경우에 비교하여, 높은 정밀도로 압력 제어를 수행할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 배기량을 적게 할 수 있으므로, 환경 부하를 저감할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 고속으로 응답하는 압력미분계를 이용하기 때문에, 압력 레귤레이터의 응답성을 더 향상시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 유입유량의 계측에 의한 압력에의 영향이 적기 때문에, 압력 레귤레이터는, 높은 정밀도로 압력 제어를 수행할 수 있다.
청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 동특성이 우수한 압력센서를 이용하여 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 고속 제어할 수 있다.
청구항 7에 기재된 발명에 따르면, 하류에서의 유출유량의 근소한 변화에 대응하여 압력 제어가 수행되어, 외란에 강한 고응답의 압력 레귤레이터를 구성할 수 있다.
청구항 8에 기재된 발명에 따르면, 압력 레귤레이터에 의해 공기 스프링에 공급되는 공기 공급원의 압력이 고응답으로 고정밀도로 유지되기 때문에, 제진장치는, 정반의 위치를 신속하게 그리고 고정밀도로 정정할 수 있다.
청구항 9에 기재된 발명에 따르면, 제진장치의 사용에 의한 환경부하를 저감할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 압력 레귤레이터의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 제1 실시형태의 압력미분계의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이 다.
도 3은 제1 실시형태의 압력 레귤레이터의 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 4는 제2 실시형태의 압력 레귤레이터의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 제2 실시형태의 압력 레귤레이터의 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 6은 실험 1의 실험장치의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 7은 실험 1에 있어서의 공급압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실험 1의 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실험 2의 실험장치의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 10은 실험 2에 있어서의 유출유량의 계측값과 추정값을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실험 2의 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실험 3의 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 압력미분계에 의해 계측한 압력미분값과, 압력계에 의해 계측한 압력값을 이산미분하여 구한 압력미분값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 압력 레귤레이터를 이용한 공기 스프링식 제진장치의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
부호의 설명
1 압력 레귤레이터
10 기체공급원(압축성 유체 공급원)
10A 공기공급원
11 서보밸브
12 유량계(유입유량 취득수단)
13 등온화 압력용기
14 압력계(압력 검출수단)
15 압력미분계(압력미분값 검출수단)
16 컴퓨터(압력 제어수단, 공기 스프링 제어수단)
20 압력 제어계
23 유입유량 제어계
27 옵서버(유출유량 추정수단)
28 모델 추종 제어계
46 컴퓨터(압력 제어수단)
100 제진장치
110 제진대
111 공기 스프링
112 정반
113 위치검출기(위치 검출수단)
114 가속도검출기(가속도 검출수단)
115 서보밸브
120 공기 스프링 제어부(공기 스프링 제어수단)
151 등온화 압력용기(압력실)
152 슬릿 유로
153 차압계
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명의 실시형태에 대해서, 적절히 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(제1 실시형태)
<압력 레귤레이터의 구성>
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태의 압력 레귤레이터의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시한 압력 레귤레이터(1)는, 서보밸브(11)와, 유량계(12)와, 등온화 압력용기(13)와, 압력계(14)와, 압력미분계(15)와, 컴퓨터(16)와, A/D(아날로그/디지털) 변환기(17)와, D/A(디지털/아날로그) 변환기(18)를 구비한다. 각 압력기기의 사이는, 도관(19a, 19b, 19c, 19d)으로 연결되어 있다.
본 발명의 제1 실시형태의 압력 레귤레이터(1)는, 기체공급원(10)으로부터 공급되는 기체의, 등온화 압력용기(13)로의 유입유량을 서보밸브(11)에 의해 규제함으로써, 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b)로부터 도관(19d)을 통해서 출력되는 기체를 소정의 일정 압력으로 유지하는 것이다.
또한, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서는, 압축성 유체로서, 공기를 예로 설명하나, 공기 이외의, 예를 들면, 질소, 수소, 이산화탄소 등의 기체를 대표로하 는 압축성 유체에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시형태의 설명에서 이용하는 주요 기호는, 다음에 나타내는 바와 같다.
fc : 컷오프 주파수[Hz]
Gin : 유입유량[kg/s]
Gout : 유출유량[kg/s]
Kgi : 적분게인[Pa·s2/kg]
Kp : 압력 제어 루프의 비례 게인[kg/(Pa·s)]
Kv : 스풀형 서보밸브의 전압-유량 게인[kg/(Pa·s)]
L : 원통형 슬릿 유로의 길이[m]
P : 등온화 압력용기 내의 압력[Pa]
Pc : 압력미분계의 용기 내의 압력[Pa]
Pj : 압력미분계의 차압계에 걸리는 차압[Pa]
Pref : 목표설정압력[Pa]
Ps : 기체공급원으로부터 공급되는 공기의 공급압력[Pa]
R : 가스상수[J/kg·K)]
r1 : 슬릿 유로의 외경(반경)[m]
r2 : 슬릿 유로의 내경(반경)[m]
T : 시정수[s]
V : 등온화 압력용기의 용적[m3]
Vd : 압력미분계의 용기의 용적[m3]
θ : 등온화 압력용기 내의 공기의 온도[K]
μ : 공기의 점도[Pa·s]
ρa : 공기의 밀도[kg/m3]
(기체공급원)
기체공급원(압축성 유체 공급원)(10)은, 압축성 유체인 공기를 공급하는 공급원이며, 공급하는 공기를 고압으로 충전한 봄베를 이용할 수 있다. 또, 컴프레서 등의 펌프류를 이용하여 압축공기를 공급하도록 해도 좋다.
(서보밸브)
서보밸브(11)는, 기체공급원(10)으로부터 도관(19a)을 통해서 공급되는 공기의 등온화 압력용기(13)로의 유입유량을 규제함과 동시에, 등온화 압력용기(13)로부터 역류하는 공기의 유출유량(음의 유입유량)을 규제하는 유량제어형 서보밸브이다. 바람직하게는, 압력손실이 적은 스풀형 서보밸브를 이용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태의 서보밸브(11)는, 흡기포트(11a)와 배기포트(11b)와 제어포트(11c)가 마련된 스풀형의 3방 밸브이며, 컴퓨터(16)로부터 D/A 변환기(18)를 통해서 출력되는 제어신호(제어전압 Ei1)에 의해, 제어포트(11c)와, 흡기포트(11a) 또는 배기포트(11b)와의 접속 및 개도가 조작됨으로써, 유입유량 및 그 방향을 규제한다.
흡기포트(11a)는, 도관(19a)을 통해서 기체공급원(10)에 접속되고, 배기포트(11b)는, 대기로 개방되어 있다. 또, 제어포트(11c)는, 도관(19b)을 통해서 유량계(12)에 접속되어 있다.
또한, 예를 들어, 독성, 인화성, 악취 등이 있어, 대기중에 배기하는 것이 바람직하지 않은 기체를 이용하는 경우에는, 배기포트(11b)는, 대기로 개방하지 않고, 적절히 도관을 접속해서 배기되는 기체를 회수하여, 인체 등에 영향이 없도록 폐기 처리하도록 하면 좋다.
(유량계)
유량계(유입유량 취득수단)(12)는, 기체공급원(10)으로부터 서보밸브(11)를 통해서 등온화 압력용기(13)로 공급되는 공기의 유입유량을 계측하는 것이다. 계측된 공기의 유입유량에 관한 검출신호는, A/D 변환기(17)를 통해서, 컴퓨터(16)로 송신된다.
또한, 등온화 압력용기(13) 내의 공기가 서보밸브(11)의 배기포트(11b)로부터 유출하는 경우에는, 음의 유입유량으로서 계측된다. 이후는, 등온화 압력용기(13)로의 "유입유량"이란, 이 음의 유입유량의 경우도 포함시킨 것으로서 설명한다.
유량계(12)로서는, 층류형 유량계, 오리피스 유량계, 열식 유량계 등의 유량계 등을 이용할 수 있으나, 특히, 층류형 유량계는 압력손실이 작기 때문에 바람직하다. 또한, 유량계로서, 서보밸브(11)를 통해서 등온화 압력용기(13)에 유입하는 압축성 유체의 서보밸브(11)의 전후 차압을 계측하는 차압계를 이용해도 좋다.
또, 층류형 유량계로서는, 예를 들면, 본원 발명자 등이 참고문헌 1에서 제안한 층류형 유량계을 이용할 수 있다.
(참고문헌 1)
船木達也，川嶋健嗣， 香川利春, "고속응답을 갖는 기체용 층류 유량계의 특성 해석", 계측 자동 제어 학회 논문집, Vol.40, No.10, pp.1008-1013(2004)
(등온화 압력용기)
등온화 압력용기(13)는, 도관(19c)을 통해서 유입구(13a)로부터 유입하는 기체를 등온상태로 유지하는 것이다. 이 등온화 압력용기(13)는, 통상, 금속으로 형성된다.
이 등온화 압력용기(13)의 형상은, 원통상, 다각주체, 구체, 타원체 등 다양한 형상을 채용할 수 있다. 예를 들면, 원통상 형상의 경우는, 어느 한쪽의 저면측에 마련한 유입구(13a)로부터 공기를 유입시키고, 다른쪽의 저면에 마련한 유출구(13b)로부터 공기를 유출시킨다. 이때, 공기의 유입방향의 안 길이(원통의 높이)는, 단면의 최대폭(저면의 직경)의 2배 이하로 하는 것이 바람직하다. 원통의 높이(안 길이)가 이 범위에 있으면 공기의 유입시에 있어서의, 압력 구배의 발생을 억제할 수 있다. 또, 다각주체 형상의 경우, 단면중의 최대폭, 타원체라면 안 길이 방향의 중심 단면에 있어서의 직경이다.
이 등온화 압력용기(13)는, 버퍼 탱크의 역할을 갖기 때문에, 등온화 압력용기(13)의 내용적(V)은, 공기의 체적유출유량(Qout[NL/min])에 대해서, 5.0×10- 6Qout∼7.0×10-5Qout[m3]의 범위에 있는 것이 바람직하나, 압력 레귤레이터(1)의 응답성 사양에 따라서 적절히 결정할 수 있다.
이 등온화 압력용기(13)의 내부에는, 금속세선의 집속체 또는 다공질 금속체로 이루어지는 표면적이 큰 열전도성 재료가 충전되어 있다. 이 열전도성 재료를 등온화 압력용기(13)의 내부에 충전함으로써, 내부에 있어서의 전열 면적을 증대시킬 수 있다. 그리고, 이 열전도성 재료에 의해, 등온화 압력용기(13)로의 기체의 유입 및 등온화 압력용기(13)로부터의 공기의 유출에 즈음하여, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 온도변화가 억제된다. 그리고, 이 열전도성 재료에 의한 온도변화의 억제는, 등온화 압력용기(13)도 열전도성이 높은 것으로 하면 더 유효하다.
이 표면적이 큰 열전도성 재료로서, 예를 들면, 스틸울 등의 금속세선의 집속체, 구리선 등의 다공질 금속체, 혹은 목면이나 플라스틱제의 면상체 등을 채용할 수 있다. 즉, 금속세선의 집속체 또는 목면이나 플라스틱제의 면 등의 섬유상의 형태인 경우는, 그 섬유경이 10∼50[μm]의 범위에 있는 것이, 전열 면적을 크게 취할 수 있기 때문에 바람직하다. 또, 이 열전도성 재료는, 열전도도가 0.05[W/mK] 이상인 것이 바람직하다. 이 열전도성 재료는, 등온화 압력용기(13)에 유지되는 공기의 온도변화를 3[K] 정도로 억제할 수 있도록, 그 재질 및 등온화 압력용기(13)로의 충전량 등이 조정된다. 이와 같이, 등온화 압력용기(13)에 스틸울 등의 열전도성 재료를 충전함으로써, 등온화 압력용기(13)의 전열 면적을 증대시킬 수 있다.
또, 열전도성 재료의 충전 밀도는 200∼400[kg/m3]의 범위에 있는 것이 바람 직하다. 충전 밀도가 이 범위에 있으면, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 온도변화를 충분히 억제할 수 있다.
(압력계)
압력계(압력 검출수단)(14)는, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)을 계측하고, 그 계측결과(압력값)에 관한 검출신호를, A/D 변환기(17)를 통해서 컴퓨터(16)로 송신하는 것이다. 이 압력계(14)는, 공기의 압력값을 전기신호로서 출력할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 반도체식 압력 센서 등을 이용할 수 있다. 그리고, 압력계(14)의 측정 가능범위는, 대기압∼기체공급원(10)으로부터 공급되는 공기의 공급압력(Ps)의 범위를 커버하는 것이 바람직하다.
(압력미분계)
압력미분계(압력미분값 검출수단)(15)는, 등온화 압력용기(13) 내의 공기 압력(P)의 미분값(dP/dt)을 계측하고, 그 계측결과(압력미분값)에 관한 검출신호를, A/D 변환기(17)를 통해서 컴퓨터(16)로 송신하는 것이다.
압력미분계(15)로서는, 예를 들면, 본원 발명자 등에 의해, 참고문헌 2에서 제안한 압력미분계를 이용할 수 있다.
(참고문헌 2)
특개 2005-98991호 공보
본 발명의 제1 실시형태에서는, 상기한 참고문헌 2에서 제안한 평판 슬릿형 유로를 이용한 압력미분계보다도, 더 고응답의 압력미분계를 이용하도록 하였다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 압력미분계(15)의 구성에 대해서 설명한다.
또한, 도 2는, 본 발명의 제1 실시형태의 압력미분계의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시한 압력미분계(15)는, 등온화 압력용기(151)와, 슬릿 유로(152)와, 차압계(153)를 구비하고 있다.
압력미분계(15)는, 도 2에 있어서, 좌우단에 반경 r1의 저면을 갖는 원통형의 외형을 하고 있으며, 좌단측의 저면에 개구부(154)가 형성되어 있다. 이 개구부(154)가 등온화 압력용기(151)에 접속되어 있다.
개구부(154)의 우측에는, 반경 r2의 저면을 갖는 원통형의 등온화 압력용기(151)가 마련되고, 압력미분계(15)의 측면과 해당 등온화 압력용기(151)의 측면에 의해 원통형의 슬릿 유로(152)가 구성되어 있다. 슬릿 유로(152) 좌단의 개구부(152a)에 있어서의 공기의 압력은, 계측대상인 등온화 압력용기(151) 내의 공기의 압력(P)이 된다. 또, 개구부(152a)로부터 유로 길이(L)를 사이에 둔 우단의 개구부(152b)는, 등온화 압력용기(151)의 내부와 연통하고 있으며, 개구부(152b)에 있어서의 공기의 압력은, 등온화 압력용기(151) 내의 공기의 압력(Pc)이 된다. 또, 압력미분계(15)의 측면에는, 슬릿 유로(152)의 개구부(152a)와 개구부(152b)에 있어서의 공기 압력차(Pj)를 계측하기 위한 차압계(153)가 마련되어 있다.
등온화 압력용기(압력실)(151)는, 도 1에 도시한 압력 레귤레이터(1)의 등온화 압력용기(13)와 마찬가지로, 내부에 구리선 등의 열전도성 재료가 충전되어 있 으며, 슬릿 유로(152)를 통해서 공기가 유입 또는 유출할 때, 신속하게 열량을 흡수 또는 공급하여, 등온화 압력용기(151) 내의 공기의 온도를 일정하게 유지하는 것이다. 등온화 압력용기(151)의 용적은, 1.0×10-8∼1.0×10-4[m3]의 범위에 있는 것이 바람직하다. 용적이 1.0×10-8[m3] 이상이면, 등온화 압력용기(151)를 구성하기 쉽다는 이점이 있다. 또, 용적이 1.0×10-4[m3] 이하이면, 고응답의 계측이 가능하게 된다.
또, 열전도성 재료는, 등온화 압력용기(13)와 동일한 재료를 동일한 체적비로 충전하여 이용할 수 있다.
슬릿 유로(152)는, 압력미분계(15)의 측면과 등온화 압력용기(151)의 측면에 둘러싸인 원통형의 유로이다. 계측시에 슬릿 유로(152) 내를 흐르는 공기는, 층류인 것이 바람직하다. 이에 따라, 압력과 유량에 비례관계가 성립하고, 고정밀도로 압력미분값을 계측할 수 있다.
차압계(153)는, 다이어프램(153a)을 갖는 다이어프램식의 차압계이며, 다이어프램(153a)의 양면에 걸리는 압력차(Pj)에 따른 신호가 출력된다.
이 밖에, 예를 들면, 벨로스를 이용한 차압계와 같이, 다른 방식의 차압계를 이용해도 좋다.
여기서, 압력미분계(15)의 동작 원리에 대해서 설명한다.
측정 압력(P)이 변화하면, 공기는 슬릿 유로(152)를 지나 등온화 압력용기(151)로 흐르고, 등온화 압력용기(151) 내의 압력(Pc)이 근소하게 지연하여 변화 한다. 이 때 발생하는 차압(Pj(＝P―Pc))을 측정하면, 압력미분값(dP/dt)과 차압(Pj)은 식(1)과 같은 1차 지연의 관계로 나타난다(참고문헌 3).
(참고문헌 3)
川嶋 健嗣，藤田 壽憲，香川 利春, "용기 내 압력변화에 따른 압축성 유체의 유량계측법", 계측 자동 제어 학회 논문집, Vol.32, No.11, pp.1485-1492(1996)
[수 2]
Figure 112009012463223-PCT00002
여기서, 시정수(T)는, 식(2)로 나타난다.
[수 3]
Figure 112009012463223-PCT00003
또한, r1 및 r2는, 각각 원통형의 슬릿 유로(152)의 외경(반경) 및 내경(반경)을 나타낸다.
이상으로부터, 컷오프 주파수(fc)는 식(3)과 같이 된다.
[수 4]
Figure 112009012463223-PCT00004
본 발명의 제1 실시형태의 압력미분계(15)는, 원통형의 슬릿 유로를 이용하기 때문에, 참고문헌 2에서 제안한 평판 슬릿형 유로를 이용한 압력미분계와 비교하여, 유로 단면적을 크게할 수 있다. 때문에, 시정수(T)를 작게 할 수 있어, 고응답의 압력미분계로 할 수 있다.
도 1로 돌아가, 압력 레귤레이터(1)의 구성에 대해서 설명을 계속한다.
(도관)
도관(19a), 도관(19b), 도관(19c) 및 도관(19d)은, 각각, 기체공급원(10) 및 서보밸브(11)의 흡기포트(11a), 서보밸브(11)의 제어포트(11c) 및 유량계(12), 유량계(12) 및 등온화 압력용기(13)의 유입구(13a), 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b) 및, 예를 들면, 제진장치 등의 외부기기를 접속한다.
또한, 도관(19a, 19b, 19c, 19d)의 단면적은, 서보밸브(11)의 유효단면적의 4배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 도관(19a, 19b, 19c, 19d)의 단면적이, 이 범위에 있으면, 도관에 의한 압력 강하를 거의 무시할 수 있기 때문이다.
(A/D 변환기. D/A 변환기)
A/D 변환기(17)는, 유량계(12), 압력계(14) 및 압력미분계(15)에 의해 검출되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 컴퓨터(16)로 출력하는 것이다. 또, D/A 변환기(18)는, 컴퓨터(16)로부터의, 서보밸브(11)의 개폐 또는 개도에 관한 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 서보밸브(11)로 출력하는 것이다.
(컴퓨터)
컴퓨터(압력 제어수단)(16)는, 유량계(12)에 의해 계측된 공기의 유입유량(Gin)에 관한 검출신호와, 압력계(14)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)에 관한 검출신호와, 압력미분계(15)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 압력의 미분값(dP/dt)에 관한 검출신호를, A/D 변환기(17)를 통해서 디지털 신호로서 수신하고, 그들의 검출신호에 기초하여, 서보밸브(11)를 통해서 등온화 압력용기(13)에 유입하는 공기의 유입유량(Gin(서보밸브(11)의 배기포트(11b)로부터 공기를 유출하는 "음의 유입유량"의 경우도 포함))을 제어하는 제어전압(Ei1)을, D/A 변환기(18)를 통해서, 서보밸브(11)로 송신하는 것이다.
이 컴퓨터(16)에 있어서, 유량계(12)에 의해 계측된 공기의 유입유량(Gin)과, 압력계(14)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)과, 압력미분계(15)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력미분값(dP/dt)을 적절히 이용하여, 서보밸브(11)의 개폐 또는 개도를 제어하기 위한 연산이 수행된다.
<압력의 제어방법>
다음으로, 도 3을 참조(적절히 도 1 참조)하여, 본 발명의 제1 실시형태의 압력 레귤레이터(1)에 의한 압력의 제어에 대해서 설명한다. 여기서, 도 3은, 본 발명의 제1 실시형태의 압력 레귤레이터의 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시형태의 압력 레귤레이터(1)의 제어계는, 목표설정압력(Pref)에 대해서 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)을 피드백하여 PI(비례동작, 적분동작) 제어하는 압력 제어계(20)를 메인 루프로서 구성되어 있다.
이 메인 루프의 내측에, 등온화 압력용기(13)에 서보밸브(11)를 통해서 유입하는 공기의 유입유량(Gin)을 피드백 제어하는 유입유량 제어계(23)를 하나의 마이너 루프로서 구성함과 동시에, 유입유량(Gin)과 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력미분값(dP/dt)에 기초하여 등온화 압력용기(13)로부터 유출하는 유출유량(Gout)을 추정하는 옵서버(유출유량 추정수단)(27)를 구성하고, 옵서버(27)에서 추정한 유출유량(Gout)(위에 hat)을 유입유량 제어계(23)에 피드백하여 보상하는 모델 추종 제어계(28)를 다른 마이너 루프로서 구성하고 있다.
압력 제어계(20)에 있어서는, 제어량인 압력(P)을 피드백하고, 가산접합점(21)에 있어서, 목표값(Pref)과의 편차를 산출한다. 여기서, 압력(P)은 압력계(14)에 의해 계측된다.
산출된 압력의 편차는 제어요소(22)로 전달되고, 제어요소(22)에 의해, 비례게인을 Kp로 하는 PI 제어가 수행된다. 이에 따라, 압력(P)의 편차를 해소하기 위한 등온화 압력용기(13)로의 공기의 유입유량의 목표값이 산출되고, 유입유량 제어계(23)의 제어량인 유입유량(Gin)의 목표값(Gref)이 된다. 또한, 압력 제어계(20)의 제어요소(22)는, PI 제어 대신에 PID(비례동작, 적분동작, 미분동작) 제어를 수행하도록 해도 좋다.
유입유량 제어계(23)는, 메인 루프인 압력 제어계(20)의 내측에 구성되는 캐스케이드 루프이며, 유입유량(Gin)의 피드백 제어를 수행한다.
유입유량 제어계(23)에 있어서는, 우선, 유량계(12)에 의해 계측된 유입유량(Gin)을 피드백하고, 가산접합점(231)에 있어서, 제어요소(22)의 출력인 유입유량의 목표값(Gref)과의 편차가 산출된다. 또, 가산접합점(231)에는, 옵서버(27)에 의해 출력되는 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)이 가산되고, 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 고려한 유입유량(Gin)의 편차가 산출된다.
가산접합점(231)에서 산출된 유입유량(Gin)의 편차는 제어요소(232)로 전달되고, 제어요소(232)에 의해 적분게인(Kgi)이 곱해져서, 유입유량(Gin)의 편차를 해소하기 위한 유입유량(Gin)을 주는 서보밸브(11)의 제어전압(Ei1)이 산출된다. 이 제어전압(Ei1)을 D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신함으로써, 서보밸브(11)는, 제어전압(Ei1)에 대응하는 개도로 밸브를 열고, 등온화 압력용기(13)에 공기를 유입시킨다.
또한, 서보밸브(11)로서 스풀형 서보밸브를 이용한 경우에는, 제어전압(Ei1)과 유입유량(Gin)과의 사이에는, 식(4)와 같이, Kv를 전압-유량 게인으로 하는 거의 비례관계가 있다.
Figure 112009012463223-PCT00005
따라서, 유량계(12)에 의해 유입유량(Gin)을 계측하는 대신에, 제어전압(Ei1)을 이용하여, 식(4)에 의해 유입유량(Gin)을 산출하여 취득할 수도 있다.
이와 같이, 유입유량(Gin)을 피드백 제어함으로써, 전압-유량 특성의 비례관계로부터 벗어나는 비선형성을 보상하여, 압력 제어계(20)에 의한 압력 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어전압(Ei1)을 서보밸브(11)로 송신함으로써, 등온화 압력용기(13)에는, 유입구(13a)로부터 제어전압(Ei1)에 대응하는 유입유량(Gin)의 공기가 유입하는 한편, 외부기기가 접속된 도관(19d)을 통해서, 유출구(13b)로부터 유출하는 유출유량(Gout)이 외란(外亂)으로서 가산된다. 도 3에 있어서는, 가산접합점(24)에 의해, 이 외란을 표기하고 있다.
그리고, 압력 제어를 고응답 또한 고정밀도로 수행하기 위해서는, 압력 제어계(20)에 있어서, 이 유출유량(Gout)을 보상할 필요가 있다.
유출유량(Gout)은, 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b)의 하류측에 유량계를 접속하여 계측함으로써 검출할 수 있다. 그러나, 유량계를 접속함으로써, 유량계에 의한 압력손실이 새로운 외란이 되기 때문에, 반드시, 압력 제어의 고응답화 및 고정밀도화에 공헌하지는 않는다는 문제가 있다. 예를 들면, 압력손실이 적은 층류형 유량계를 이용한 경우에도, 층류 저항관에 의해 수백 파스칼의 압력손실이 생겨버리기 때문에, 하류측에 유량계를 설치하는 것은 바람직하지 않다.
그래서, 본 발명에 있어서는, 유량계보다도 압력손실이 적은 압력미분계(15)에 의해 계측되는 압력미분값(dP/dt)과, 유입유량(Gin)에 기초하여, 유출유량(Gout)을 추정하는 옵서버(27)를 마련하도록 하였다.
여기서, 유출유량(Gout)의 추정방법에 대해서 설명한다.
우선, 서보밸브(11)로부터 등온화 압력용기(13)로의 유입유량(Gin), 등온화 압력용기(13)로부터의 유출유량(Gout) 및 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)과의 사이의 관계에 대해서 설명한다.
기체의 상태 방정식은, 식(5)와 같이 된다. 단, V는 등온화 압력용기(13)의 용적, W는 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 질량을 나타낸다.
Figure 112009012463223-PCT00006
식(5)를 전미분하면, 식(6)과 같이 된다. 단, G＝dW/dt이다.
[수 5]
Figure 112009012463223-PCT00007
여기서, 등온화 압력용기(13) 내의 공기는, 등체적변화(dV/dt＝0) 그리고 등온변화(dθ/dt＝0)하는 것을 고려하면, 등온화 압력용기(13)에 대한 유입유량(Gin), 유출유량(Gout) 및 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)의 사이에는, 식(7)의 관계가 있다.
[수 6]
Figure 112009012463223-PCT00008
따라서, 유입유량(Gin)과 등온화 압력용기(13) 내의 압력미분값(dP/dt)에 기 초하여, 식(8)에 의해, 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 산출할 수 있다.
[수 7]
Figure 112009012463223-PCT00009
그래서, 옵서버(27)는, 유입유량(Gin) 및 유출유량(Gout)에 수반하는 압력변화(압력미분값)(dP/dt)에, 제어요소(271)에 의해 V/(Rθ)를 곱함으로써 "Gin―Gout"을 산출하고, 가산접합점(272)에 있어서 유입유량(Gin)으로부터 뺌으로써, 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 산출할 수 있다.
이 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 유입유량 제어계(23)의 가산접합점(231)에 피드백하는 모델 추종 제어계(28)를 구성함으로써, 하류에서의 유출유량의 근소한 변화에 대응하여 압력 제어가 수행되고, 외란에 강한 고응답의 압력 레귤레이터(1)를 구성할 수 있다.
또한, 압력미분값(dP/dt)은, 압력계(14)에 의해 계측되는 압력(P)을 이산미분(수치미분)함으로써도 얻을 수 있다. 그러나, 압력(P)의 이산미분에 있어서는, 근소한 압력 변동에 대해서 큰 노이즈 성분을 포함하여, 양호한 피드백 신호를 얻는 것이 곤란하기 때문에, 압력미분계(15)를 마련하여 계측하는 것이 바람직하다.
이상, 설명한 압력 레귤레이터(1)의 압력 제어계(20)의 연산은, 컴퓨터(16)에 의해 수행되고, 컴퓨터(16)에 의해 산출되는 제어전압(Ei1)을, D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신함으로써, 등온화 압력용기(13) 내의 공기를 소정의 일정압력으로 제어할 수 있다.
또한, 압력 제어계(20)의 연산은, 예를 들면, PC(Personal Computer)와 같은 범용 컴퓨터를 이용하여 수행해도 좋으며, 전용의 연산회로를 구성하여 연산하도록 해도 좋다.
<압력 레귤레이터의 동작>
다음으로, 도 1을 참조하여, 압력 레귤레이터(1)의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 압력 레귤레이터(1)가 기동되고, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)이 소정의 목표값(Pref)으로 정정(整定)된 상태에 있다고 한다. 이때, 서보밸브(11)는, 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b)로부터 유출하는 유출유량(Gout)과, 유입구(13a)로부터 유입하는 유입유량(Gin)이 밸런스하는 개도로 조정되어 있다.
여기서, 기체공급원(10)의 압력(Ps) 또는 등온화 압력용기(13)로부터 유출하는 유출유량(Gout)에 변동이 생겨, 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)이 목표값(Pref)으로부터 변화하면, 압력 레귤레이터(1)는 공기 압력의 변동을 보상하기 위해서, 컴퓨터(16)에 의해, 유량계(12)에서 계측된 유입유량(Gin), 압력계(14)에서 계측된 압력(P) 및 압력미분계(15)에서 계측된 압력미분값(dP/dt)을 A/D 변환기(17)를 통해서 수신하고, 수신한 이들의 계측 데이터에 기초하여, 서보밸브(11)에 대한 제어전압(Ei1)을 산출하고, 산출한 제어전압(Ei1)을 D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신한다.
서보밸브(11)는, 컴퓨터(16)에 의해 산출된 제어전압(Ei1)에 따른 개도로 밸브를 조절하고, 그 개도에 따른 유입유량(Gin)으로 등온화 압력용기(13)에 공기를 유입한다. 이에 따라, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)이 목표값(Pref)으로 정정되도록 제어된다.
(제2 실시형태)
도 4는, 본 발명의 제2 실시형태의 압력 레귤레이터의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다. 도 4에 있어서, 도 1에 도시하는 압력 레귤레이터(1)와 동일한 기기, 부위에는, 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 4에 도시한 압력 레귤레이터(41)는, 서보밸브(11)와 등온화 압력용기(13) 사이의 도관(19b)에 유량계(12)가 마련되어 있지 않은 것, 컴퓨터(46)에 있어서의 연산이 다른 것 이외는, 제1 실시형태의 압력 레귤레이터(1)와 동일한 구성을 갖는 것이다. 따라서, 이하, 서보밸브(11), 등온화 압력용기(13), 압력계(14), 압력미분계(15), A/D(아날로그/디지털) 변환기(17), D/A(디지털/아날로그) 변환기(18), 및 도관(19a, 19b, 19d)에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시형태의 압력 레귤레이터(41)는, 기체공급원(10)으로부터 공급되는 기체의, 등온화 압력용기(13)로의 유입유량을 서보밸브(11)에 의해 규제함으로써, 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b)로부터 도관(19d)을 통해서 출력되는 기체를 소정의 일정압력으로 유지하는 것이다.
또, 본 발명의 제2 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 압축성 유체로서, 공기를 예로 설명하나, 공기 이외의, 예를 들면, 질소, 수소, 이산화탄소 등의 기체를 대표로 하는 압축성 유체에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시형태의 설명에서 이용하는 주요 기호(fc, Gin, Gout, Kgi, Kp, Kv, L, P, Pc, Pj, Pref, Ps, R, r1, r2, T, V, Vd, θ, μ, ρa)는, 상기와 동일하다.
(컴퓨터)
본 발명의 제2 실시형태에 있어서, 컴퓨터(압력 제어수단)(46)는, 압력계(14)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)에 관한 검출신호와, 압력미분계(15)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 압력의 미분값(dP/dt)에 관한 검출신호를, A/D 변환기(17)를 통해서 디지털 신호로서 수신하고, 그들의 검출신호에 기초하여, 서보밸브(11)를 통해서 등온화 압력용기(13)에 유입하는 공기의 유입유량(Gin(서보밸브(11)의 배기포트(11b)로부터 공기를 유출하는 "음의 유입유량"의 경우도 포함))을 제어하는 제어전압(Ei2)을, D/A 변환기(18)를 통해서, 서보밸브(11)로 송신하는 것이다.
본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 컴퓨터(46)에 있어서, 압력계(14)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)과, 압력미분계(15)에 의해 계측된 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력미분값(dP/dt)을 적절히 이용하여, 서보밸브(11)의 개폐 또는 개도를 제어하기 위한 연산이 수행된다.
<압력의 제어방법>
다음으로, 도 5를 참조(적절히 도 4 참조)하여, 본 발명의 제2 실시형태의 압력 레귤레이터(41)에 의한 압력의 제어에 대해서 설명한다. 여기서, 도 5는, 본 발명의 제2 실시형태의 압력 레귤레이터의 제어계를 나타내는 블록선도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태의 압력 레귤레이터(41)의 제어계는, 목표설정압력(Pref)에 대해서 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)을 피드백하여 PI(비례동작, 적분동작) 제어하는 압력 제어계(50)를 메인 루프로서 구성되어 있다.
이 메인 루프의 내측에, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력미분값(dP/dt)에 기초하여 등온화 압력용기(13)로부터 유출하는 유출유량(Gout)(위에 hat)을 추정하는 옵서버(유출유량 추정수단)(57)를 구성하고, 옵서버(57)에서 추정한 유출유량(Gout)(위에 hat)을 유입유량 제어계(53)에 피드백하여 보상하는 모델 추종 제어계(58)를 마이너 루프로서 구성하고 있다.
압력 제어계(50)에 있어서는, 제어량인 압력(P)을 피드백하고, 가산접합점(51)에 있어서, 목표값(Pref)과의 편차를 산출한다. 여기서, 압력(P)은 압력계(14)에 의해 계측된다.
산출된 압력의 편차는 제어요소(52)로 전달되고, 제어요소(52)에 의해, 비례게인을 Kp로 하는 PI 제어가 수행된다. 이에 따라, 압력(P)의 편차를 해소하기 위한 등온화 압력용기(13)의 공기의 유입유량의 목표값이 산출되고, 유입유량 제어계(53)의 제어량인 유입유량(Gin)의 목표값(Gref)이 된다. 또한, 압력 제어계(50)의 제어요소(52)는, PI 제어 대신에 PID(비례동작, 적분동작, 미분동작) 제어를 수행하도록 해도 좋다.
유입유량 제어계(53)는, 메인 루프인 압력 제어계(50)의 내측에 구성되는 캐스케이드 루프이며, 유입유량(Gin)의 피드백 제어를 수행한다.
유입유량 제어계(53)에 있어서는, 가산접합점(531)에 있어서, 제어요소(52) 의 출력인 유입유량의 목표값(Gref)과의 편차가 산출된다. 또, 가산접합점(531)에는, 옵서버(57)에 의해 출력되는 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)이 가산되고, 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 고려한 유입유량(Gin)의 편차가 산출된다.
가산접합점(531)에서 산출된 유입유량(Gin)의 편차는 제어요소(532)로 전달되고, 제어요소(532)에 의해 적분게인(Kgi)이 곱해져서, 유입유량(Gin)의 편차를 해소하기 위한 유입유량(Gin)을 주는 서보밸브(11)의 제어전압(Ei2)이 산출된다. 이 제어전압(Ei2)을 D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신함으로써, 서보밸브(11)는, 제어전압(Ei2)에 대응하는 개도로 밸브를 열고, 등온화 압력용기(13)에 공기를 유입시킨다.
또한, 서보밸브(11)로서 스풀형 서보밸브를 이용한 경우에는, 제어전압(Ei2)과 유입유량(Gin)과의 사이에는, 식(4)와 같이, Kv를 전압-유량 게인으로 하는 거의 비례관계가 있다.
Figure 112009012463223-PCT00010
따라서, 제어전압(Ei2)을 이용하여, 식(4)에 의해 유입유량(Gin)을 산출하여 취득할 수 있다.
이와 같이, 유입유량(Gin)을 피드백 제어함으로써, 전압-유량 특성의 비례관계로부터 벗어나는 비선형성을 보상하여, 압력 제어계(50)에 의한 압력 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제어전압(Ei2)을 서보밸브(11)로 송신함으로써, 등온화 압력용기(13)에는, 유입구(13a)로부터 제어전압(Ei2)에 대응하는 유입유량(Gin)의 공기가 유입하는 한편, 외부기기가 접속된 도관(19d)을 통해서, 유출구(13b)로부터 유출하는 유출유량(Gout)이 외란으로서 가산된다.
그리고, 압력 제어를 고응답 또한 고정밀도로 수행하기 위해서는, 압력 제어계(50)에 있어서, 이 유출유량(Gout)을 보상할 필요가 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 있어서는, 유량계보다도 압력손실이 적은 압력미분계(15)에 의해 계측되는 압력미분값(dP/dt)에 기초하여, 유출유량(Gout)을 추정하는 옵서버(57)를 마련하도록 하였다.
여기서, 본 발명의 제2 실시형태에 있어서의 유출유량(Gout)의 추정방법에 대해서 설명한다.
우선, 등온화 압력용기(13)의 유입유량(Gin), 등온화 압력용기(13)로부터의 유출유량(Gout) 및 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)과의 사이의 관계에 대해서 설명한다.
우선, 기체의 상태 방정식은, 상기와 같이, 식(5)와 같이 된다. 단, V는 등온화 압력용기(13)의 용적, W는 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 질량을 나타낸다.
Figure 112009012463223-PCT00011
그리고, 식(5)를 전미분하면, 상기 식(6)과 같이 된다.
여기서, 등온화 압력용기(13) 내의 공기는, 등체적변화(dV/dt＝0) 그리고 등 온변화(dθ/dt＝0)하는 것을 고려하면, 등온화 압력용기(13)에 대한 유입유량(Gin), 유출유량(Gout) 및 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)의 사이에는, 상기 식(7)의 관계가 있다.
그래서, 옵서버(57)는, 유입유량(Gin) 및 유출유량(Gout)에 수반하는 압력변화(압력미분값)(dP/dt)에, 제어요소(571)에 의해 V/(Rθ)를 곱함으로써 "Gin―Gout"을 산출할 수 있다.
이 유입유출량 "Gin―Gout"을 유입유량 제어계(53)의 가산접합점(531)에 피드백하는 모델 추종 제어계(58)를 구성함으로써, 하류에서의 유출유량의 근소한 변화에 대응하여 압력 제어가 수행되고, 외란에 강한 고응답의 압력 레귤레이터(1)를 구성할 수 있다.
또한, 압력미분값(dP/dt)은, 압력계(14)에 의해 계측되는 압력(P)을 이산미분(수치미분)함으로써도 얻을 수 있다. 그러나, 압력(P)의 이산미분에 있어서는, 근소한 압력 변동에 대해서 큰 노이즈 성분을 포함하여, 양호한 피드백 신호를 얻는 것이 곤란하기 때문에, 압력미분계(15)를 마련하여 계측하는 것이 바람직하다.
이상, 설명한 압력 레귤레이터(41)의 압력 제어계(50)의 연산은, 컴퓨터(46)에 의해 수행되고, 컴퓨터(46)에 의해 산출되는 제어전압(Ei2)을, D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신함으로써, 등온화 압력용기(13) 내의 공기를 소정의 일정압력으로 제어할 수 있다.
또한, 압력 제어계(50)의 연산은, 예를 들면, PC(Personal Computer)와 같은 범용 컴퓨터를 이용하여 수행해도 좋으며, 전용의 연산회로를 구성하여 연산하도록 해도 좋다.
<압력 레귤레이터의 동작>
다음으로, 도 4를 참조하여, 압력 레귤레이터(41)의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 압력 레귤레이터(41)가 기동되고, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)이 소정의 목표값(Pref)으로 정정(整定)된 상태에 있다고 한다. 이때, 서보밸브(11)는, 등온화 압력용기(13)의 유출구(13b)로부터 유출하는 유출유량(Gout)과, 유입구(13a)로부터 유입하는 유입유량(Gin)이 밸런스하는 개도로 조정되어 있다.
여기서, 기체공급원(10)의 압력(Ps) 또는 등온화 압력용기(13)로부터 유출하는 유출유량(Gout)에 변동이 생겨, 등온화 압력용기(13) 내의 압력(P)이 목표값(Pref)으로부터 변화하면, 압력 레귤레이터(41)는 공기 압력의 변동을 보상하기 위해서, 컴퓨터(46)에 의해, 압력계(14)에서 계측된 압력(P) 및 압력미분계(15)에서 계측된 압력미분값(dP/dt)을 A/D 변환기(17)를 통해서 수신하고, 수신한 이들의 계측 데이터에 기초하여, 서보밸브(11)에 대한 제어전압(Ei2)을 산출하고, 산출한 제어전압(Ei2)을 D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(11)로 송신한다.
서보밸브(11)는, 컴퓨터(46)에 의해 산출된 제어전압(Ei2)에 따른 개도로 밸브로 조절하고, 그 개도에 따른 유입유량(Gin)으로 등온화 압력용기(13)에 공기를 유입한다. 이에 따라, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)이 목표값(Pref)으로 정정되도록 제어된다.
<실험 예>
다음으로, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)를 이용하여, 압력 레귤레이터(1)의 상류측의 압력 변동과 하류측의 유출유량의 변동에 대한 응답을 평가한 실험결과에 대해서 설명한다.
(압력 레귤레이터의 구성)
도 1에 도시한 압력 레귤레이터를 구성하였다. 각부의 상세 사양을 이하에 나타낸다.
(서보밸브(11)):
스풀형 서보밸브는 5포트의 FESTO사 제조 MYPE-5-M5-SA를 이용하였다. 사용하지 않는 2개의 포트는 막고, 흡기, 배기 및 제어의 3개의 포트를 이용하였다.
(등온화 압력용기(13)):
동경 메타 주식회사 제조의, 용적이 1.0×10-3[m3]의 용기에 선경 50[μm]의 구리선이 용적율로 하여 5％ 봉입된 것을 이용하였다. 또한, 구리선의 표면은 코팅이 되어 있다.
(유량계(12)):
층류형 유량계는 외경 0.5[mm], 내경 0.3[mm], 길이 50[mm]의 세관을 약 320개 삽입하여 층류 엘리먼트를 구성한 것을 이용하였다(상세는 참고문헌 1을 참조할 것).
(압력계(14)):
압력계는 TOYODA MACHINE WORKS 제조의 반도체식 PD-64S500K를 이용하였다.
(압력미분계(15)):
도 2에 도시한 원통형 슬릿 유로를 마련한 압력미분계를 이용하였다. 슬릿 유로의 외경 r1＝1.0×10-2[m], 내경 r2＝0.99×10-2[m], 유로 길이 L＝2.5×10-2[m], 등온화 압력용기의 용적 Vd＝8.06×10-6[m3]이다. 컷오프 주파수(fc)의 이론값은, 식(3)에 의해, 압력 P＝300[kPa]에서, 67[Hz]이다. 차압계는, Allsensors사 제조의 측정범위 ±1인치 H2O(249[Pa])의 것을 이용하였다. 또, 정현파상의 파동류를 발생시킨 사전 실험에 의해, 이 압력미분계는, 30[Hz] 정도까지 충분히 응답하는 것이 확인되어 있다.
(제어 파라미터의 설정):
제어 파라미터는 이하와 같이 설정하였다.
도 3에 도시한 블록선도에 있어서, 유입유량(Gin)의 제어는 압력 제어보다도 충분히 빠르다고 가정하면, 압력 제어의 전달함수는 식(9)와 같이 된다.
[수 8]
Figure 112009012463223-PCT00012
상류측 또는 하류측의 압력 변동 등 외란 발생시의 압력 회복의 정정시간(목표값의 95％에 달하는 시간)은 0.3[s] 이내를 목표로 하고, Tp＝0.1[s]이 되도록, 압력 제어계(20)의 비례게인으로서, Kp＝1.19×10-7[kg/(Pa·s)]를 설정하였다.
다음으로, 유입유량 제어계(23)에 있어서, 압력 제어계(20)의 제어요소(22)로부터의 입력을 Gref, 서보밸브(11)의 제어전압(Ei1)에 대한 유량게인을 Kv, 유입유량 제어계(23)의 적분게인을 Kgi라 하면, 유입유량 제어의 전달함수는, 식(10)과 같이 된다.
[수 9]
Figure 112009012463223-PCT00013
Kv는 엄밀히는 비선형이나, 본 실험에서 이용한 스풀형의 서보밸브(11)는, 서보밸브(11)의 상류측의 공급압력 Ps＝500[kPa(abs)], 하류측의 압력 P＝300[kPa(abs)]로 하는 실험 조건하에서는, 사전에 계측한 정특성에 기초하여, Kv＝2.155×10-4[kg/(s·V)]로 선형근사하였다. 유입유량 제어계(23)의 루프는 압력 제어계(20)의 루프의 마이너 루프이므로, 제어주기는 압력 제어계(20)에 비하여 충분히 빠를 것이 필요하다. 따라서 Tgi＝0.0075[s](Tp:TG=15:1)이 되도록, Kgi＝6.19×105[s2·V/kg]으로 설정하였다. 후기하는 실험 2에서도, Pref＝300[kPa(abs)]로 하였다.
비교를 위해, 본 발명의 압력 레귤레이터(1) 대신에, 시판 정밀 레귤레이터(파일럿식 압력 레귤레이터) 및 전공 레귤레이터로 치환하여 실험을 수행하였다.
(정밀 레귤레이터):
SMC사 제조 IR2010-02G를 이용하였다.
(전공 레귤레이터):
SMC사 제조 ITV2050-212BL5를 이용하였다.
(실험 1 : 상류측 압력의 변동실험)
실험 1에 있어서는, 압력 레귤레이터(1)의 상류측에 압력 변동을 일으키고, 압력 레귤레이터(1)에 의해 압력이 정정되는 모습을 계측하였다.
실험장치는, 도 6에 도시한 바와 같이, 도 1에 도시한 압력 레귤레이터(1)에 대해서, 기체공급원(10)과 서보밸브(11)를 접속하는 도관(19a)에, 분기관(30)과 압력계(32)를 마련하였다. 분기관(30)으로부터의 배기유량(Gout_up)은 가변조리개로 조정할 수 있도록 하고, 분기관(30)의 하류측에 층류형의 유량계(31)를 마련하였다. 분기관(30)에 의해, 서보밸브(11)에 공급되는 공기의 일부를 배기함으로써, 공급압력(Ps)을 변동시켰다.
배기유량(Gout_up) 및 서보밸브(11)에 공급되는 공기의 압력(Ps)은, 각각 유량계(31) 및 압력계(32)에 의해 계측하였다.
또한, 도 6에 있어서는, 압력 레귤레이터(1)의 제어수단인 컴퓨터(16), A/D 변환기(17) 및 D/A 변환기(18)(도 1 참조)의 기재는 생략하였다. 또, 본 실험장치의 압력계(32) 및 유량계(31)에 의한 계측 데이터는, A/D 변환기(17)를 통해서 컴퓨터(16)로 송신되고, 컴퓨터(16)에 있어서, 유량계(12), 압력계(14) 및 압력미분계(15)에 의한 계측 데이터와 함께 데이터 처리를 수행하였다.
(실험 조작)
도 6에 도시한 실험장치에 있어서, 압력(P)이 충분히 정정한 후, t≥30[s]에서 서보밸브(11)의 상류에 있는 분기관(30)의 핸드밸브를 개방하여, Gout_up＝6.47×10-3[kg]의 공기를 방출하였다. 그때의 공급압력(Ps)의 변화를 도 7에 나타낸다. 또, 비교대상으로서, 상기한 시판 정밀 레귤레이터 및 전공 레귤레이터를 이용하여 동일한 실험을 수행하였다.
(실험결과)
도 8은, 실험 1의 실험결과를 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서, "A"는, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)를 이용한 경우, "B"는, 정밀 레귤레이터를 이용한 경우, "C"는, 전공 레귤레이터를 이용한 경우의 압력변화를 나타낸다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)를 이용한 경우는, 압력(P)은 목표값인 300[kPa]에 편차없이 정정하고, 공급압력(Ps) 변동의 영향은 거의 받지 않고 있다. 그에 대해, 정밀 레귤레이터 및 전공 레귤레이터를 이용한 경우는, 압력의 목표값에 대해서 정상(定常) 오프셋이 보인다. 정밀 레귤레이터를 이용한 경우는, 공급압력(Ps)의 저하에 따라, 하류측의 압력(P)도 저하하고 있다. 한편, 전공 레귤레이터를 이용한 경우는, 공급압력(Ps)의 변동의 영향은 보이지 않으나, t≥39[s]에서, 압력(P)이 상승하고 있다. 이것은, t＝39[s]에서 공급압력(Ps)이 전공 레귤레이터의 임계값을 밑돌아, 레귤레이터의 스위치가 작동한 것이 원인이라고 생각된다.
(실험 2 : 하류측 유출유량의 변동실험)
실험 2에 있어서는, 압력 레귤레이터(1)의 하류측에 사용유량(유출유량)의 변동을 일으키고, 압력 레귤레이터(1)에 의해 압력이 정정되는 모습을 계측하였다.
실험장치는, 도 9에 도시한 바와 같이, 도 1에 도시한 압력 레귤레이터(1)에 대해서, 압력 레귤레이터(1) 출력측의 도관(19d)의 하류단에 스풀형 서보밸브(33)를 접속하고, 또한 서보밸브(33)의 하류측에 층류형의 유량계(34)를 접속하였다. 서보밸브(33)에 제어전압(E2)을 주고, 서보밸브(33)의 개도를 조절함으로써 유출유량(Gout)을 변동시켰다. 유출유량(Gout)은, 유량계(34)에 의해 계측하였다.
또한, 도 9에 있어서는, 압력 레귤레이터(1)의 제어수단인 컴퓨터(16), A/D 변환기(17) 및 D/A 변환기(18)(도 1 참조)의 기재는 생략하였다. 또, 본 실험장치의 유량계(34)에 의한 계측 데이터는, A/D 변환기(17)를 통해서 컴퓨터(16)로 송신되고, 컴퓨터(16)에 있어서, 유량계(12), 압력계(14) 및 압력미분계(15)에 의한 계측 데이터와 함께 데이터 처리를 수행하였다. 또, 컴퓨터(16)에 의해 D/A 변환기(18)를 통해서 서보밸브(33)에 대한 제어전압(E2)을 송신하고, 서보밸브(33)를 구동하였다.
(실험조작)
도 9에 도시한 실험장치에 있어서, 압력 레귤레이터(1)의 하류측에 설치한 서보밸브(33)로의 제어전압(E2)을,
t＜20[s] 일 때, E2＝6.5[V]
t≥20[s] 일 때, E2＝8.0[V]
로 단계적으로 변화시켜, 압력 레귤레이터(1)의 하류측에 외란을 발생시켰다.
도 10은, 실험 2에 있어서의 유출유량의 계측값과 추정값을 나타내는 그래프이다. 도 10에 있어서, "A"는, 유량계(34)에 의해 계측한 유출유량(Gout)을 나타내고, "B"는, 식(8)에 의해 추정된 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 나타낸다. 또, 실험 2에서도, 비교대상으로서, 상기한 시판 정밀 레귤레이터 및 전공 레귤레이터를 이용하여 동일한 실험을 수행하였다.
(실험결과)
도 11은, 실험 2의 실험결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서, "A"는, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)를 이용한 경우, "B"는, 정밀 레귤레이터를 이용한 경우, "C"는, 전공 레귤레이터를 이용한 경우의 압력변화를 나타낸다.
실험 2의 결과에 있어서도, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)를 이용한 경우는, 압력의 목표값인 300[kPa]에 오프셋없이 정정하고, 하류측 외란의 영향은 0.3[s] 정도로 신속하게 보상되고 있어, 시판 레귤레이터에 대한 우위성을 나타내고 있다.
(실험 3 : 압력계의 계측값을 이산미분하여 이용한 제어실험)
실험 3에 있어서는, 도 9에 도시한 실험장치를 이용하고, 식(8)에 의한 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 산출하기 위해서, 압력미분계(15)에 의해 계측되는 압력미분값(dP/dt) 대신에, 압력계(14)에 의해 계측되는 압력(P)을 이산미분하여 구한 압력미분값을 이용하였다. 또한, 압력(P)을 이산미분하는 디지털 필터는, 압력미분계(15)와 동일하게 불완전미분기로 하고, 컷오프 주파수(fc)는 67[Hz]로 하였다.
다른 실험조건은, 실험 2와 같다.
(실험결과)
도 12는, 실험 3의 실험결과를 나타내는 그래프이다. 도 12에 있어서, "A"는, 압력미분계에 의해 계측한 압력미분값을 이용한 경우를 나타내고, "B"는, 압력계에 의해 계측한 압력값의 이산미분을 이용한 경우를 나타낸다.
도 12에 도시한 바와 같이, 압력미분계에 의한 계측값을 이용한 경우와 비교하여, 이산미분을 이용한 경우에는 정상 변동이 커져 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 압력계(14)의 측정값을 이산미분한 것에 따른 노이즈 성분의 증폭이 원인이라고 생각된다.
도 13은, 압력미분계에 의해 계측한 압력미분값과, 압력계에 의해 계측한 압력값을 이산미분하여 구한 압력미분값을 나타내는 그래프이다. 도 13에 있어서, "A"는, 압력미분계에 의해 계측한 압력미분값을 나타내고, "B"는, 압력계에 의해 계측한 압력값을 이산미분하여 구한 압력미분값을 나타낸다.
도 13에 도시한 바와 같이, 압력계(14)에 의한 계측값을 이산미분한 압력미분값보다도, 압력미분계(15)를 이용하여 계측한 압력미분값 쪽이, 변동이 작게 되어 있으며, 노이즈 성분이 적은 것을 알 수 있다. 따라서, 고정밀도로 압력 제어를 수행하기 위해서는, 압력미분계(15)를 이용하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.
<제진장치의 구성>
다음으로, 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 압력 레귤레이터(1)의 적용 예로서, 압력 레귤레이터(1)를 이용한 공기 스프링식의 제진장치(100)에 대해서 설명한다. 여기서, 도 14는, 본 발명의 압력 레귤레이터를 이용한 공기 스프링식 제진장치의 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 제진장치(100)는, 제진대(110)와, 공기 스프링 제어부(120)로 구성되어 있다.
제진장치(100)는, 공기 스프링(111)에 대한 공기의 공급 및 배기를, 서보밸브(115)에 의해 규제함으로써. 진동 등에 의해 변위하는 정반(112)의 위치를 설정 변위로 정정하도록 제어하는 것이다. 또, 서보밸브(115)에 공급되는 공기는, 공기공급원(10A)으로부터 압력 레귤레이터(1)를 통해서 고정밀도로 일정의 압력으로 유지되어 공급되도록 구성되어 있다.
본 발명의 실시형태에서는, 공기 스프링 제어부(120)에 의해, 정반(112)의 위치 및 가속도를 피드백 제어하고, 서보밸브(115)에 대한 제어전압(E3)을 산출하고, 서보밸브(115)를 조작하도록 구성되어 있다.
(제진대)
제진대(110)는, 공기공급원(10A)과, 압력 레귤레이터(1)와, 서보밸브(115)와, 공기 스프링(111)과, 정반(112)과, 위치검출기(113)와, 가속도검출기(114)로 구성되어 있다.
공기공급원(10A)은, 공기 스프링(111)에 공기를 공급하기 위한 공급원이며, 컴프레서 등의 펌프류를 이용하여 압축공기를 공급하는 것이다. 또, 공급하는 공기 를 고압으로 충전한 봄베를 이용할 수도 있다. 공기공급원(10A)으로부터 공급되는 공기는, 압력 레귤레이터(1)에 유입되고, 소정의 압력으로 조정된다.
압력 레귤레이터(1)는, 공기공급원(10A)으로부터 공급되는 공기를, 소정의 압력으로 조정하여, 서보밸브(115)를 통해서, 공기 스프링(111)에 공급하는 것이며, 도 1에 도시한 본 발명에 따른 압력 레귤레이터이다.
서보밸브(115)는, 공기 스프링(111)에 대해서 공기의 공급 및 배기를 규제하는 것이다. 도 14에 도시한 본 실시형태의 서보밸브(115)는, 흡기포트(115a)와 배기포트(115b)와 제어포트(115c)를 갖는 스풀형 서보밸브이며, 도 1에 도시한 압력 레귤레이터(1)의 서보밸브(11)와 동일한 서보밸브를 이용할 수 있다.
서보밸브(115)는, 공기 스프링(111)에 대해서 공기의 공급 및 배기를 규제할 수 있는 것이라면, 예를 들면, 노즐 플래퍼형 서보밸브를 이용할 수도 있으나, 특히, 배기유량이 적은 유량제어형 서보밸브인 스풀형 서보밸브를 이용하는 것이 환경 부하를 저감하기 위해서도 바람직하다.
서보밸브(115)의 제어포트(115c)는, 공기 스프링(111)에 접속되고, 흡기포트(115a)는 압력 레귤레이터(1)에 접속되고, 배기포트(115b)는 대기로 개방되어 있으며, 공기 스프링 제어부(120)로부터 D/A 변환기(미도시)를 통해서 송신되는 제어전압(E3)에 기초하여, 제어포트(115c)와, 흡기포트(115a) 또는 배기포트(115b)와의 접속 전환, 및 밸브의 개도가 조절된다. 이에 따라, 공기 스프링(111)에 대한 공기의 공급 및 배기를 규제할 수 있다.
공기 스프링(111)은, 버퍼 탱크부(111a)와 고무 벨로스부(111b)로 구성되며, 내부의 공기 압력에 따라서 고무 벨로스부(111b)가 신축하는 액츄에이터로, 정반(112)을 지지하는 지지다리이다.
공기 스프링(111)은, 서보밸브(115)의 제어포트(115c)와 접속되고, 서보밸브(115)의 밸브의 접속방향 및 개도에 따라서, 공기 스프링(111)에 대한 공기의 공급 및 배기가 수행된다.
정반(112)은, 진동이 제거된 상태에서 사용하는, 예를 들면, 노광장치 등의 기기를 재치(載置)하는 재치대이다. 정반(112)은, 공기 스프링(111)에 의해 지지됨과 동시에, 위치검출기(113) 및 가속도검출기(114)에 의해, 정반(112)의 위치(변위) 및 가속도가 검출된다.
위치검출기(113)는, 정반(112)의 위치(변위)를 검출하고, 검출한 신호를 A/D 변환기(미도시)를 통해서 공기 스프링 제어부(120)로 출력한다. 위치검출기(113)로서는, 와전류식 변위센서, 정전용량센서, 광전변환소자를 응용한 위치검출센서 등을 이용할 수 있다.
가속도검출기(114)는, 정반(112)의 가속도를 검출하고, 검출한 신호를 A/D 변환기(미도시)를 통해서 공기 스프링 제어부(120)로 출력한다. 가속도검출기(114)로서는, 압전형 가속도센서, 정전용량형 가속도센서 등을 이용할 수 있다.
(공기 스프링 제어부)
공기 스프링 제어부(공기 스프링 제어수단)(120)는, 필터(121)와, 필터(122)와, 비교기(123)와, PI 보상기(124)와, 감산기(125)를 구비하여 구성되어 있으며, 제진대(110)의 위치검출기(113) 및 가속도검출기(114)에 의해 계측되는 정반(112) 의 위치 및 가속도를 A/D 변환기(미도시)를 통해서 수신하고, 수신한 위치 및 가속도를 피드백 제어하여, 서보밸브(115)에 대한 제어전압(E3)을 산출하고, D/A 변환기(미도시)를 통해서 서보밸브(115)로 송신한다. 이에 따라, 정반(112)의 위치를 목표값인 설정 변위로 정정함과 동시에, 가속도의 변화를 최소한으로 억제하도록, 서보밸브(115)를 제어한다.
공기 스프링 제어부(120)는, 압력 레귤레이터(1)의 제어계와 마찬가지로, 컴퓨터를 이용하여 실현할 수 있다. 또, 압력 레귤레이터(1)의 컴퓨터(16)(도 1 참조)를 공기 스프링 제어부(120)로서 겸용하도록 해도 좋다.
필터(121)는, 위치검출기(113)에 의해 검출된 정반(112)의 위치신호를, 적절한 증폭도와 시정수에 의해 필터 처리를 수행하고, 비교기(123)로 출력한다.
필터(122)는, 가속도검출기(114)에 의해 검출된 정반(112)의 가속도신호를, 적절한 증폭도와 시정수에 의해 필터 처리를 수행하고, 감산기(125)로 출력한다.
비교기(123)는, 정반(112) 위치의 목표값인 설정 변위와, 필터(121)에 의해 필터 처리된 정반(112)의 위치신호(변위신호)를 비교하고, 위치신호의 설정변위로부터의 편차를 산출하여 PI 보상기(124)로 출력한다.
PI 보상기(124)는, PI 제어의 제어량인 정반(112) 위치의 편차에 기초하여, 이 편차를 해소하기 위한 서보밸브(115)에 대한 제어전압을 산출하여, 감산기(125)로 출력한다.
감산기(125)는, PI 보상기(124)에서 산출된 제어전압으로부터, 가속도신호를 필터(122)에서 필터 처리한 신호를 감산하고, 제어전압(E3)을 산출한다. 이에 따 라, 가속도가 부귀환되고(negative feedback), 덤핑이 부여된 제어계 루프가 되기 때문에, 제어기구의 안정을 도모할 수 있다. 산출된 제어전압(E3)은, D/A 변환기(미도시)를 통해서 서보밸브(115)로 송신되고, 서보밸브(115)의 개도가 조절된다.
본 실시형태에 있어서는, PI 제어계의 피드백 루프를 구성하였으나, PID 제어계의 피드백 루프를 구성하도록 해도 좋다. 또, 정반(112)의 위치와 가속도를 피드백 제어하도록 하였으나, 피드백 제어하는 제어량은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 게다가 공기 스프링(111) 내의 공기압 또는 공기압의 미분값을 계측하여 피드백 제어계를 구성하도록 해도 좋다.
또한, 제진장치의 제어에 대해서는, 본원 발명자들이 특허문헌 2에서 제안한 제진장치에 상세히 설명하고 있다.
<제진장치의 동작>
다음으로, 제진장치(100)의 동작에 대해서, 도 14를 참조(적절히 도 1 참조)하여 설명한다. 우선, 제진장치를 기동 후에, 충분히 시간이 경과하여, 정반(112)이 설정 변위로 정정된 상태라고 한다. 이때, 서보밸브(115)는 닫힌 상태이며, 공기 스프링(111)에 대한 공기의 유입 및 유출은 수행되지 않는다.
여기서, 제진대(110)의 설치면으로부터의 진동 또는 정반(112) 상에 설치된 기기의 동작 등에 의해, 정반(112)의 위치에 변동이 발생하면, A/D 변환기(미도시)를 통해서 수신한 위치검출기(113) 및 가속도검출기(114)에 의해 검출된 위치신호 및 가속도신호에 기초하여, 공기 스프링 제어부(120)에 의해 정반(112)의 위치를 설정 변위로 정정하기 위한 제어전압(E3)을 산출하고, D/A 변환기(미도시)를 통해 서 서보밸브(115)로 출력한다.
서보밸브(115)는, 공기 스프링 제어부(120)에 의해 산출된 제어전압(E3)에 따른 개도로 밸브를 열고, 공기 스프링(111)에 대해서, 흡기포트(115a)로부터의 공기의 공급 또는 배기포트(115b)로의 공기의 배기를 수행한다. 이에 따라, 공기 스프링(111) 내의 공기압이 조정되고, 공기 스프링(111)이 지지하는 정반(112)의 위치가 설정 변위로 정정하도록 제어된다.
한편, 공기공급원(10A)으로부터 압력 레귤레이터(1)를 통해서 공기 스프링(111)에 공기가 공급된 경우에는, 압력 레귤레이터(1) 내의 공기의 압력에 변동기 생기게 된다. 때문에, 압력 레귤레이터(1)는, 공기 압력의 변동을 보상하기 위해서, 유량계(12), 압력계(14) 및 압력미분계(15)에 의해 각각 계측되는 유입유량(Gin), 압력(P) 및 압력미분값(dP/dt)에 기초하여, 컴퓨터(16)에 의해, 서보밸브(11)에 대한 제어전압(Ei1)을 산출하고, 서보밸브(11)로 송신한다.
서보밸브(11)는, 송신된 제어전압(Ei1)에 따른 개도로 밸브를 열고, 등온화 압력용기(13)에 대해서, 공기를 유입시킨다. 이에 따라, 등온화 압력용기(13) 내의 공기의 압력(P)이 목표값(Pref)으로 정정되도록 제어된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 제진장치(100)는, 공기 스프링(111)에 공급되는 공기의 압력을, 압력 레귤레이터(1)에 의해 소정의 압력을 유지하도록 제어한다. 때문에, 제진장치(100)는, 안정된 압력의 공기 공급을 받아 공기 스프링(111)을 제어하여, 정반(112)의 진동 등에 의한 변위의 변동을 신속하고 고정밀도로 정정할 수 있다.

Claims (9)

  1. 압축성 유체 공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 유입유량을 규제하는 서보밸브;
    상기 서보밸브를 통해서 유입하는 압축성 유체를 등온상태로 유지하는 등온화 압력용기;
    상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값을 검출하는 압력미분값 검출수단;
    상기 서보밸브를 조작하여 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하는 압력 제어수단;을 구비하고,
    상기 압력 제어수단은, 상기 압력 검출수단에 의해 검출된 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계와, 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 피드백 제어하는 유입유량 제어계와, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 압력미분값으로부터, 상기 등온화 압력용기 내로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하는 유출유량 추정수단을 가지며, 상기 압력 제어계의 제어 루프의 내측에 구성함과 동시에, 상기 유출유량 추정수단에 의해 추정된 유출유량을 상기 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추정 제어계를 구성하는 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  2. 압축성 유체 공급원으로부터 공급되는 압축성 유체의 유입유량을 규제하는 서보밸브;
    상기 서보밸브를 통해서 유입하는 압축성 유체를 등온상태로 유지하는 등온화 압력용기;
    상기 서보밸브롤 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 취득하는 유입유량 취득수단;
    상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력을 검출하는 압력 검출수단;
    상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값을 검출하는 압력미분값 검출수단;
    상기 서보밸브를 조작하여 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체를 소정의 압력으로 제어하는 압력 제어수단;을 구비하고,
    상기 압력 제어수단은, 상기 압력 검출수단에 의해 검출된 압력을 피드백 제어하는 압력 제어계와, 상기 유입유량 취득수단에 의해 취득된 유입유량을 피드백 제어하는 유입유량 제어계와, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 압력미분값과 상기 유입유량 취득수단에 의해 취득된 유입유량에 기초하여, 상기 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량을 추정하는 유출유량 추정수단을 가지며, 상기 유입유량 제어계를 상기 압력 제어계의 제어 루프의 내측에 구성함과 동시에, 상기 유출유량 추정수단에 의해 추정된 유출유량을 상기 유입유량 제어계에 피드백하는 모델 추종 제어계를 구성하는 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 서보밸브는, 스풀형 서보밸브인 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력미분값 검출수단은, 압력실과, 다이어프램식 차압계 혹은 유속계와, 상기 등온화 압력용기와 상기 압력실을 연통하는 원통형의 슬릿 유로를 구비한 압력미분계인 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  5. 제 2항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입유량 취득수단은, 상기 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량을 계측하는 층류형 유량계인 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  6. 제 2항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입유량 취득수단은, 상기 서보밸브를 통해서 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 상기 서보밸브의 전후 압력 및 개도로부터 유입유량을 추정하는 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
  7. 제 2항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출유량 추정수단은, 상기 등온화 압력용기에 유입하는 압축성 유체의 유입유량(Gin)과, 상기 압력미분값 검출수단에 의해 검출된 상기 등온화 압력용기 내의 압축성 유체의 압력미분값(dP/dt)에 기초하여, 하기 식(8)에 의해 상기 등온화 압력용기로부터 유출하는 압축성 유체의 유출유량의 추정값(Gout)(위에 hat)을 산출하는 것을 특징으로 하는 압력 레귤레이터.
    [수 1]
    Figure 112009012463223-PCT00014
    여기서, R은 가스상수[J/(kg·K)], V는 등온화 압력용기의 용적[m3], θ는 등온화 압력용기 내의 공기의 온도[K], P는 등온화 압력용기 내의 압력[Pa], t는 시간[s]이다.
  8. 정반;
    상기 정반을 지지하는 공기 스프링;
    상기 공기 스프링에 대한 공기의 유입유량 및 유출유량을 규제하는 서보밸브;
    공기공급원으로부터 공급되는 공기의 압력을 일정하게 유지하여 상기 서보밸브로 공급하는 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 기재된 압력 레귤레이터;
    상기 정반의 위치를 검출하는 위치 검출수단;
    상기 정반의 가속도를 검출하는 가속도 검출수단;
    상기 위치 검출수단에 의해 검출된 위치와 상기 가속도 검출수단에 의해 검 출된 가속도에 기초하여, 상기 서보밸브를 조작하여 상기 정반을 소정의 위치로 제어하는 공기 스프링 제어수단;
    을 구비한 것을 특징으로 하는 제진장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 서보밸브는, 스풀형 서보밸브인 것을 특징으로 하는 제진장치.
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