KR20210134958A

KR20210134958A - 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치 및 열화 검지 방법

Info

Publication number: KR20210134958A
Application number: KR1020217031861A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 히다카; 카츠유키 스기타; 타카토시 나카타니; 코우지 니시노; 노부카즈 이케다
Original assignee: 가부시키가이샤 후지킨
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-11-11
Also published as: US20230152263A1; US11994482B2; JPWO2020218226A1; TW202102874A; WO2020218226A1; CN113647008A; TWI761816B

Abstract

[과제] 구동 장치의 통상 작동을 정지시키지 않고, 구동 장치에서 사용되고 있는 압전 소자의 열화를 검지할 수 있는 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치 및 열화 검지 방법을 제공한다.
[해결수단] 구동 장치(1)는 압전 소자(2), 전원부(3), 제 1 저항(11), 제 2 저항(12), 측정부 및 제어부를 구비하고, 제 1 저항 및 제 2 저항의 저항값은 압전 소자의 절연 저항값보다 작고, 측정부는 전원부로부터 소정 전압을 공급한 상태에서 제 1 저항의 양단의 전압(제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압)을 측정하고, 제어부(3)는 측정부의 측정에 의해 얻어진 전압값으로부터 압전 소자의 저항값을 산출하고, 산출된 저항값에 의거해 압전 소자 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정한다.

Description

압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치 및 열화 검지 방법

본 발명은 액추에이터 등의 구동 장치의 구동원으로서 사용되는 압전 소자의 열화 검출 회로를 구비한 구동 장치 및 압전 소자의 열화 검출 방법에 관한 것이고, 특히 반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서 가스 등의 유체를 공급하기 위해서 사용되는 제어 장치이며, 압전 소자의 열화 검출 회로를 구비한 압력식 유량 제어 장치, 및 압력식 유량 제어 장치의 압전 소자의 열화 검출 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서 가스 등의 유체의 공급에 사용되는 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있다(특허문헌 1, 2 등). 이 압력식 유량 제어 장치에는 압전 소자(피에조 소자)를 사용한 제어 밸브(밸브)가 사용될 수있다. 예를 들면, 하기 특허문헌 1에는 도 8에 나타내는 압전 소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(이하, 단지 제어 밸브라고 한다)를 구비하는 압력식 유량 제어 장치가 개시되어 있다. 제어 밸브(100)는 압전 소자(101)와, 압전 소자(101)에의 전압 공급을 위한 전원(도시하지 않음)에 접속된 커넥터(102)와, 밸브 본체(103)에 설치된 다이어프램 밸브체(104)를 구비하고 있다. 압전 소자(101)는 원통 형상의 지지통(105)에 수용되고, 커넥터(102)를 통해서 소정 전압의 공급이 온/오프 제어됨으로써 장축 방향으로 변형된다. 압전 소자(101)의 변형에 의해 다이어프램 밸브체(104)가 변형되어 밸브의 개폐가 행해진다.

압력식 유량 제어 장치는 오리피스 등의 스로틀부(106)를 유체(G)의 유로(107)에 구비하고, 스로틀부(106)의 상류측 압력(P1)을 스로틀부(106)의 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 경계 팽창 조건 하에 있어서, 스로틀부(106)의 상류측에 설치한 제 1 압력 센서(108)에서 검출한 상류측 압력(P1)을 스로틀부(106)의 상류측의 제어 밸브(100)에 의해 조정한다. 이것에 의해, 스로틀부(106)의 하류측의 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 연산하고, 유량(Qc)이 소정의 설정값이 되도록 제어하는 것을 기본 원리로 한다. 또한, 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 차가 작고, 상기 경계 팽창 조건을 충족하지 않는 경우라도, 스로틀부(106)의 하류측에 설치한 제 2 압력 센서(도시하지 않음)에 의해 하류측 압력(P2)을 검출하고, 유량을 연산에 의해 구할 수 있다. 즉, 제 1 압력 센서(108) 및 상기 제 2 압력 센서에 의해 측정된 상류측 압력(P1) 및 하류측 압력(P2)에 의거하여 Q=K2·P2m(P1-P2)n(여기서, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)으로부터 유량(Q)을 구할 수 있다. 또한, 도 8에 있어서 부호 109는 제어 회로 기판(제어부)을 나타낸다.

상기와 같은 제어 밸브는 반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서, 장시간 및 연속 사용된다. 제어 밸브에 사용되고 있는 압전 소자는 경년 열화에 의해 고장나지만, 언제 압전 소자의 열화에 의해 제어 밸브가 고장날지는 예측할 수 없다.

제어 밸브는 수분을 포함하는 가스 등의 공급에도 사용되고, 사용 환경에 수분이 있는지의 여부에 따라 압전 소자의 수명은 크게 다르다. 제어 밸브에 따라서는 압전 소자를 수용하는 케이스 내에 수분을 흡수하기 위한 부재(수분 흡착제)가 충전되어 있는 것도 있다. 따라서, 제어 밸브가 동 정도의 기간, 동 정도의 개폐 횟수 사용되는 경우라도, 그 사용 환경(즉, 압전 소자의 사용 환경) 및 수분 흡착제를 구비하고 있는지의 여부에 따라 압전 소자의 열화 정도는 다르다. 그 때문에, 압전 소자의 열화를 예측하고, 압력식 유량 제어 장치의 교환 시기를 예측하는 것은 어렵다.

압전 소자의 열화에 의해, 제어 밸브는 예정된 대로 유량을 제어할 수 없고,고장나면 유체를 공급할 수 없게 된다. 고장나고 나서 제어 밸브를 교환하는 경우, 예정 외의 타이밍에서 설비를 정지하게 된다. 이것을 예방하기 위해서, 제어 밸브를 일정 기간마다 교환하는 것은 가능하다. 그러나, 아직 고장나지 않은 압전 소자를 구비한 제어 밸브까지 교환하게 된다.

하기 특허문헌 3에는 압전 액추에이터에 있어서, 압전 소자의 이상을 사전에 검출하는 압전 액추에이터가 개시되어 있다. 이 압전 액추에이터는 통상 동작시키기 위한 구동회로와는 다른 이상 검출용 회로와, 구동 회로 및 이상 검출용 회로를 스위칭하는 스위치를 구비하고 있다. 압전 액추에이터를 동작시키기 전에, 스위치를 스위칭하여 이상 검출용 회로에 의해 압전 소자에 이상이 발생하고 있는지의 여부를 판정한다. 이상이 없으면, 스위치를 스위칭하고, 구동 회로에 의해 압전 액추에이터를 동작시킨다.

일본 특허 제4119109호 공보 일본 특허 공개 2009-116904호 공보 일본 특허 공개 2017-60356호 공보

상기한 바와 같이, 압전 소자의 열화를 사전에 찰지(察知)하고, 제어 밸브가 열화 또는 고장나기 전에 교환할 수 있으면 바람직하다. 그것을 위해서는, 압전 소자 자체의 열화를 검지하지 않으면 안된다.

특허문헌 3에서는 압전 소자의 열화를 검지할 수는 있지만, 통상 동작 시의 구동 회로와는 별도로 이상 검지용 회로를 설치하지 않으면 안되고, 구성이 복잡해져 비용이 증대하는 문제가 있다. 또한, 통상 동작을 행하기 전에 이상 검지용 회로에 의해 압전 소자의 이상의 유무를 판정할 필요가 있고, 반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서 장기간 및 연속해서 사용되는 기기에는 적용할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하고, 구동 장치의 통상 동작을 정지시키지 않고, 구동 장치에서 사용되고 있는 압전 소자의 열화를 검지할 수 있는 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치 및 열화 검지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 형태 의한 구동 장치는 압전 소자와, 압전 소자에 직렬로 접속된 제 1 저항과, 압전 소자 및 제 1 저항에 의해 형성된 직렬 접속 회로의 양단에 직류 전압을 공급하는 전압 공급부와, 제 1 저항의 전압을 측정하는 측정부와, 전압 공급부 및 측정부를 제어하는 제어부를 구비하고, 제 1 저항의 저항값은 압전 소자의 절연 저항값보다 작고, 측정부는 소정 전압이 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 제 1 저항의 전압을 측정하고, 제어부는 측정부의 측정에 의해 얻어진 전압값으로부터 압전 소자의 저항값을 산출하고, 산출된 저항값에 의거해 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정한다.

측정부는 소정 전압이 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 제 1 저항의 전압을 복수회 측정하고, 제어부는 복수회의 측정에 의해 얻어진 복수의 전압값의 각각으로부터 압전 소자의 저항값을 산출하고, 산출된 압전 소자의 복수의 저항값의 대표값을 산출하고, 대표값을 소정의 임계값과 비교함으로써 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정할 수 있다.

측정부는 소정 전압이 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 제 1 저항의 전압을 복수회 측정하고, 제어부는 복수회의 측정에 의해 얻어진 복수의 전압값의 각각으로부터 압전 소자의 저항값을 산출하는 처리와, 산출된 압전 소자의 복수의 저항값의 대표값을 산출하는 처리를 반복하고, 산출된 복수의 대표값의 기울기를 산출하고, 기울기를 소정의 임계값과 비교함으로써 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정해도 좋다.

측정부는 압전 소자에 최초에 전압이 인가되고 나서 소정 기간이 경과한 것을 수신하여, 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정할 수 있다.

상기 구동 장치는 압전 소자에 의해 밸브를 개폐하는 기구를 갖고, 측정부는 밸브의 개폐 횟수가 소정 횟수를 초과한 것을 수신하여, 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정해도 좋다.

상기 구동 장치는 제 2 저항을 더 구비하고, 제 2 저항은 압전 소자 및 제 1 저항에 직렬로 접속되고, 제 2 저항은 전압 공급부의 정극측의 단자와 제 1 저항 사이에 접속되어 있고, 제 2 저항의 저항값은 압전 소자의 절연 저항값보다 작고, 제 1 저항의 저항값보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명의 제 2 국면에 의한 열화 검지 방법은 압전 소자와, 압전 소자에 직렬로 접속된 제 1 저항과, 직류 전압을 공급하는 전압 공급부와, 전압을 측정하는 측정부를 구비한 구동 장치에 있어서의 압전 소자의 열화 검지 방법이며, 상기 전압 공급부에 의해 압전 소자 및 제 1 저항에 의해 형성된 직렬 접속 회로의 양단에 소정의 직류 전압을 공급하는 스텝과, 소정의 직류 전압을 공급한 상태에서 상기 측정부에 의해 제 1 저항의 전압을 측정하는 측정 스텝과, 측정 스텝에 의해 얻어진 전압값으로부터 압전 소자의 저항값을 산출하는 산출 스텝과, 산출 스텝에 의해 산출된 저항값에 의거해 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 스텝을 포함한다.

본 발명에 의하면, 구동 장치의 통상 동작에 영향을 주지 않고 압전 소자의 열화의 유무를 판정할 수 있다. 즉, 압전 소자를 통상 제어하기 위한 배선의 도중에, 통상 제어에 영향을 주지 않도록 검출 회로를 설치하므로, 불필요한 기기 또는 회로를 설치하지 않고, 통상 제어 시에 압전 소자의 열화의 유무를 판정할 수 있다. 따라서, 구동 장치의 통상 제어 시에 구동 장치 자체를 교환해야 할 것인지의 여부를 판정할 수 있다.

또한, 구동 장치(압전 소자)의 사용 환경, 및 구동 장치가 수분 흡착제를 구비하고 있는지의 여부에 의존하지 않고, 압전 소자의 열화가 발생하고 있는지의 여부, 및 구동 장치를 교환해야 하는지의 여부를 판정할 수 있다.

또한, 구동 장치를 정지시킬 때, 또는 가스 공급이 종료했을 때에 압전 소자의 열화의 유무를 판정하는 것도 가능하다.

1회의 측정으로부터 산출된 압전 소자의 저항값을 소정의 임계값과 비교해서 압전 소자의 열화의 유무를 판정하는 경우, 우연히 임계값을 초과한 경우라도 열화하고 있다고 판정되는 오판정이 생길 가능성이 있다. 그것에 대하여, 산출된 복수의 저항값의 대표값(예를 들면, 평균값), 또는 대표값의 경향(예를 들면, 기울기)을 소정의 기준(임계값)과 비교함으로써 오판정을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 압전 소자에 전압을 공급하는 회로의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 압전 소자의 열화 검지에 관한 제어 부분을 나타내는 블록도이다.
도 4는 압전 소자의 열화 검지 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 데이터 로거에 의한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1과 다른 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 측정 결과로부터 산출된 압전 소자의 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래의 압전 소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브의 구성을 나타내는 종단면도이다.

본 발명에 의한 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치 및 열화 검지 방법의 실시형태에 대해서, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 전체 도면 및 전체 실시형태를 통해서 동일 또는 유사한 구성 부분에는 같은 부호를 첨부했다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자의 열화 검지 회로를 구비한 구동 장치(이하, 구동 장치라고 한다)를 나타내고 있다. 구동 장치(1)는, 예를 들면 압력식 유량 제어 장치이다. 구동 장치(1)는 압전 소자(2), 제어부(3), 전원부(4), 제 1 커넥터(5), 제 2 커넥터(6), 제 1 플러스 단자(7), 제 1 마이너스 단자(8), 제 2 플러스 단자(9), 제 2 마이너스 단자(10), 제 1 저항(11), 제 2 저항(12), 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14)를 포함하고 있다.

전원부(4)는 제어부(3)에 포함되어 있다. 제 1 플러스 단자(7) 및 제 2 플러스 단자(9)는 전기 배선에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 이하, 특별히 명시하지 않는 한, 접속이란 전기적 접속을 의미한다. 제 1 마이너스 단자(8)는 직렬 접속 된 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)을 통해서 제 2 마이너스 단자(10)에 접속되어 있다. 압전 소자(2)는 1개의 압전체로 구성되어 있어도 좋고, 복수의 압전체가 적층되어서 구성된 것이어도 좋다.

전원부(4)는 소정의 크기의 직류 전압(이하, 단지 전압이라고도 한다)을 출력한다. 이것에 의해, 제 1 플러스 단자(7) 및 제 1 마이너스 단자(8)를 통해서 제 2 플러스 단자(9) 및 제 2 마이너스 단자(10) 사이에 소정 전압이 가해지고, 압전 소자(2)가 변형된다. 그것에 의해, 변위부(다이어프램 밸브체 등)를 변형 또는 변위시켜서, 구동부의 동작(밸브의 개폐 등)을 제어하고, 예를 들면 가스 등의 유체의 공급을 제어할 수 있다.

제 1 저항(11)의 양단은 각각 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 제 1 저항(11), 제 2 저항(12), 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14)는 열화 검지 회로(15)를 구성한다. 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)은 제 2 단자(14)의 전압을 후술하는 측정 장치에 입력가능한 전압값으로 떨어뜨리기 위한 분압 저항이다.

도 2에 도 1의 전원부(4), 압전 소자(2), 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)을 포함하는 회로의 등가 회로를 나타낸다. 제 1 저항(11), 제 2 저항(12) 및 압전 소자(2)의 각각의 저항값을 R1, R2 및 R3으로 나타낸다. 제 1 저항(11), 제 2 저항(12) 및 압전 소자(2)는 직렬 접속되고, 형성된 직렬 회로의 양단에는 전원부(4)로부터 소정의 전압이 공급된다.

열화하고 있지 않는 압전 소자(2)의 절연 저항은 대단히 크고, 저항값(R3)은, 예를 들면 R3>1×109(Ω)=1×103(MΩ)이다. 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)에는 열화하지 않은 상태의 압전 소자(2)의 저항값(R3)보다 충분히 작은 저항값을 갖는 것이 사용된다(R1<<R3, R2<<R3). 여기서는, R1=10kΩ, R2=39kΩ이다.

제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압을 V1로 나타내면, 도 2의 회로를 흐르는 전류(I)는 I=V1/R1이 된다. 따라서, R1<<R3, R2<<R3이면, 전원부(4)의 출력 전압값을 V0이라고 하면 압전 소자(2)의 저항값(R3)은 R3≒V0/I=V0/(V1/R1)로 구할 수 있다. 즉, 전원부(4)로부터 소정의 전압(V0)을 공급한 상태에서 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압(V1)을 측정하면, 그 측정 전압으로부터 압전 소자(2)의 저항값을 산출할 수 있다.

압전 소자(2)에 대하여, 장시간 및 반복 전압이 인가되면, 압전 소자(2)는 열화하고, 그 절연 저항값이 저하된다. 따라서, 구동 장치(1)를 통상 동작시켜, 전원부(4)로부터 소정의 전압을 공급한 상태에서 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압을 측정하고, 압전 소자(2)의 저항값(R3)을 산출하고, 산출된 값(R3)을 소정의 임계값(Rth)과 비교함으로써 압전 소자(2)의 열화의 유무를 판정할 수 있다. 예를 들면, R3≥Rth이면, 압전 소자(2)는 열화하고 있지 않고, R3<Rth이면, 압전 소자(2)에 열화가 발생하고 있다고 판정할 수 있다.

상기한 압전 소자(2)의 열화의 검출 방법에 관해서, 보다 구체적으로 설명한다. 구동 장치(1)의 구성 중, 압전 소자(2)의 열화의 검출에 관계되는 구성을 도 3에 나타낸다. 도 3을 참조하여, 제어부(3)는 구동 장치(1) 전체를 제어해서 통상 동작시킨다. 제어부(3)는 CPU(Central Processing Unit)(20), ROM(Read Only Memory)(21), RAM(Random Access Memory)(22), I/O부(23), 버스(24) 및 전원부(4)를 구비해서 구성되어 있다.

I/O부(23)에는 외부의 측정부(25) 및 정보 제시부(26)가 접속되어 있다. 여기서는, 열화 검지 회로(15)에 관해서는 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14)만을 나타내고, 그 밖의 구성 요소는 도시하고 있지 않다.

CPU(20)는 ROM(21)에 기록된 프로그램을 실행함으로써 구동 장치(1)의 기능을 실현한다. ROM(21)은, 예를 들면 전기적으로 기록가능한 불휘발성 메모리이며, 소정의 프로그램과, 프로그램을 실행하면서 필요한 데이터가 기억되어 있다. 필요한 데이터는, 예를 들면 판정의 임계값(Rth), 전원부(4)로부터 압전 소자(2)에 공급하는 전압값(V0), 제 1 저항(11)의 저항값(R1) 등이다. RAM(22)은 휘발성 메모리이며, CPU(20)가 프로그램을 실행할 때의 워크 에리어로서, 또한 연산 결과의 값을 1차적으로 기억하기 위해서 사용된다.

I/O부(23)는 제어부(3)의 외부(측정부(25) 및 정보 제시부(26))와 데이터를 교환하기 위한 인터페이스이다. CPU(20)는 측정부(25)에 측정을 개시시키는 신호(제어 코드 등. 이하, 측정 개시 신호라고도 한다)를 I/O부(23)를 통해서 측정부(25)에 대하여 출력한다. I/O부(23)는 측정부(25)로부터 출력되는 데이터(측정 데이터)를 취득하고, RAM(22)에 기억한다. 또한, I/O부(23)는 정보 제시부(26)에 대하여, CPU(20)로부터 출력된 소정의 데이터를 출력한다.

또한, I/O부(23)에는 도시하고 있지 않지만, 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 좋다. 이것에 의해, 외부 장치와의 인터페이스를 통해서 ROM(21)으로의 프로그램 및 데이터의 기록을 행할 수 있다. 외부 장치와의 인터페이스를 구비하고 있지 않는 경우에는 ROM(21)을 착탈식으로 구성해두면, ROM(21)을 새로운 것으로 교환함으로써 프로그램 및 파라미터를 갱신할 수 있다. 또한, 외부 장치를 이용하여 분리한 ROM(21)의 데이터를 갱신할 수도 있다.

버스(24)는 CPU(20), ROM(21), RAM(22) I/O부(23) 및 전원부(4) 사이에서 서로 데이터를 교환하기 위한 병렬 전기 배선이다. 또한, 도 1 및 도 3에 있어서 도시하고 있지 않지만, 구동 장치(1)는 각 부를 동기해서 동작시키기 위한 클록 신호 발생기 등, 그 동작상 필요한 구성 요소도 구비하고 있다.

측정부(25)의 측정 단자는 열화 검지 회로(15)의 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14)에 접속되어 있다. 측정부(25)는 CPU(20)로부터의 측정 개시 신호를 수신하면, 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압을 측정한다. 측정부(25)는, 예를 들면 전압을 측정가능한 공지의 테스터 또는 데이터 로거이다.

정보 제시부(26)는 정보를 제시할 수 있고, 예를 들면 텍스트 등의 정보를 표시가능한 표시 장치(액정 패널, LED 패널 등), 또는 점등 장치(LED 램프 등)이다.

구동 장치(1)는 이와 같이 구성되어 있음으로써, CPU(20)에 의해 소정의 타이밍에서 전원부(4)로부터 압전 소자(2)로 전압을 공급하여 구동부를 구동시킬 수있다. 또한, 전원부(4)로부터 압전 소자(2)에 전압을 공급하고 있는 상태에서 CPU(20)에 의해 측정부(25)를 제어하고, 제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압(제 1 저항(11)의 양단의 전압)을 측정하고, 상기한 바와 같이 압전 소자(2)의 저항값(R3)을 산출하고, 압전 소자(2)의 열화의 유무를 판정할 수 있다.

도 4의 플로우차트를 참조하고, 구동 장치(1)에 있어서의 압전 소자(2)의 열화의 검출 방법에 관해서 설명한다. 도 4의 플로우차트의 각 스텝은 구동 장치(1)의 전원이 ON되어서 CPU(20)가 ROM(21)으로부터 판독한 소정의 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 여기서는, CPU(20)는 구동 장치(1)를 통상 동작시키기 위한 제어 프로그램(이하, 통상 구동 프로그램이라고도 한다)과, 압전 소자(2)의 열화를 검출하기 위한 제어 프로그램(이하, 검출 프로그램이라고도 한다)을 판독하고, 그것들의 제어 프로그램을 병렬해서 실행하는 것으로 한다. 도 4는 검출 프로그램을 나타내고 있으며, 통상 구동 프로그램은 포함하지 않는다.

검출 프로그램의 스텝(40)에 있어서, CPU(20)는 초기 설정을 행한다. 예를 들면, CPU(20)는 ROM(21)으로부터 소정의 임계값(Rth)을 RAM(22)에 판독하고, RAM(22)에 카운터로서 사용하는 영역을 확보하고, ROM(21)에 기억되어 있는 구동 장치(1)의 구동부가 구동된 횟수(이하, 구동 횟수라고 한다. 예를 들면, 제어 밸브이면, 밸브의 개폐 횟수)를 나타내는 값을 판독하고, 카운터의 초기 값으로서 설정한다. 카운터는 CPU(20)에 의해 통상 구동 프로그램이 실행됨으로써 구동 장치(1)의 구동부가 구동될 때마다 "1"만큼 증대된다. 또한, 구동 장치(1)의 전원이 OFF될 때에는 사전에 RAM(22)의 카운터의 현재 값이 구동 횟수로서 ROM(21)에 기억된다.

스텝(41)에 있어서, CPU(20)는 측정부(25)에 의한 제 1 저항(11)의 전압 측정을 행하는지의 여부를 판정한다. 전압 측정을 행하는 것으로 판정된 경우, 제어는 스텝(42)으로 이행하고, 그렇지 않으면 제어는 스텝(47)으로 이행한다. 전압 측정의 실행은 카운터의 값이 소정의 값을 초과했는지의 여부를 판정함으로써 이뤄진다. 예를 들면, 소정 횟수(50만회, 100만회 등)의 정수배의 값을 초과하면, 전압 측정을 실행하는 것으로 판정한다. 그렇지 않으면, 전압 측정을 실행하지 않는 것으로 판정한다.

스텝(42)에 있어서, CPU(20)는 측정부(25)에 의해 전압 측정을 행한다. 구체적으로는, CPU(20)는 전원부(4)로부터 압전 소자(2)에 소정의 전압(V0)을 공급하고 있는 상태에서 측정부(25)에 대하여, 측정 개시 신호를 I/O부(23)를 통해서 출력한다. 측정부(25)는 측정 개시 신호를 수신하면, 소정의 시간 간격으로 반복해 전압 측정을 행한다. 측정부(25)는 측정 데이터(V1)를 I/O부(23)에 출력하고, I/O부(23)는 수신한 데이터를 RAM(22)에 기억한다.

구동부의 동작을 정지하는 경우, CPU(20)는 전원부(4)로부터 압전 소자(2)로의 전압 공급을 정지하기 전에, 측정부(25)에 대하여 측정 정지를 지시하는 제어 신호(이하, 측정 정지 신호라고 한다)를 I/O부(23)를 통해서 출력한다. 측정부(25)는 측정 정지 신호를 수신하면 전압 측정을 정지한다. 측정부(25)가 측정 데이터를 I/O부(23)에 출력하는 방법은 임의이다. 예를 들면, 측정부(25)는 측정 데이터가 얻어질 때마다 I/O부(23)에 출력해도, 측정부(25) 내부의 기억부(버퍼 등)에 측정 데이터를 일시 기억하고, 측정 정지 신호를 수신했을 때, 또는 일시 기억한 측정 데이터의 양이 소정량이 되었을 때에, 한번에 I/O부(23)에 출력해도 좋다.

상기한 바와 같이, 본 검출 프로그램과 동시에 통상 구동 프로그램이 실행되어 있으므로, 전원부(4)로부터의 전압 공급 및 그 정지는 인터럽트 등에 의해, 통상 구동 프로그램으로부터 본 검출 프로그램으로 전할 수 있다.

스텝(43)에 있어서, CPU(20)는 RAM(22)으로부터 측정 데이터(V1)를 판독하고, 각 측정 데이터(V1i)(i는 데이터 번호이며, i=1∼n)로부터 압전 소자(2)의 저항값을 산출한다. 구체적으로는, 저항의 산출값을 Ri로 하고, Ri=V0/(V1i/R1)에 의해 산출한다. V0 및 R1은 ROM(21)으로부터 판독된 값이며, 각각 압전 소자(2)에 공급하는 전압 및 제 1 저항(11)의 저항값이다. 산출된 저항값(Ri)(i=1∼n)은 RAM(22)에 기억된다.

스텝(44)에 있어서, CPU(20)는 스텝(43)에서 산출한 저항값(Ri)(i=1∼n)을 RAM(22)으로부터 판독하고, 압전 소자(2)의 열화의 유무를 판정하기 위한 평가값(A)을 산출한다. 평가값(A)은 산출된 저항값의 집합(Ri)(i=1∼n)을 대표하는 값이며, 예를 들면 Ri(i=1∼n)의 평균값, 중앙값(메디안) 등이다.

제 1 저항(11)의 저항값의 실측 결과의 일례를 도 5에 나타낸다. 후술하는 바와 같이, 3종류(ID1∼ID3로 나타낸다)의 압전 소자(2)의 각각에 관해서, 2초 간격으로 데이터 로거에 의해 전압을 측정했다. 세로축 및 가로축은 각각 전압(mV 단위) 및 시간(초 단위)을 나타낸다. 도 5에 나타내고 있는 것은 100초간의 데이터이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 저항(11)의 저항값은 소정 정도의 폭으로 변동하므로, 1회의 측정값을 임계값과 비교하는 것보다, 소정 시간에 있어서의 복수의 측정값으로부터 그것들의 대표값(예를 들면, 평균값)을 산출하고, 그 값을 임계값과 비교하는 것이 바람직하다.

스텝(45)에 있어서, CPU(20)는 임계값(Rth)을 RAM(22)으로부터 판독하고, 스텝(44)에서 산출된 평가값(A)이 임계값(Rth)보다 작은지의 여부를 판정한다. A<Rth이면, 제어는 스텝(46)으로 이행하고, 그렇지 않으면(A≥Rth), 제어는 스텝(47)으로 이행한다.

스텝(46)에 있어서, CPU(20)는 소정의 정보를 ROM(21)으로부터 판독하고, I/O부(23)를 통해서 정보 제시부(26)에 출력한다. 소정의 정보는 압전 소자(2)의 열화의 가능성을 나타내는 정보이다. 정보 제시부(26)가 액정 표시 장치이면, 텍스트 데이터(「구동 장치의 압전 소자가 열화하고 있습니다」, 「구동 장치를 교환해주십시오」 등)이며, 정보 제시부(26)가 점등 장치이면, 점등을 지시하는 신호이다. 점등 장치의 점등에 의해, 구동 장치의 압전 소자가 열화하고 있고, 구동 장치를 교환할 필요가 있는 것을 제시할 수 있다.

스텝(47)에 있어서, CPU(20)는 종료의 지시가 된 것인지의 여부를 판정하고, 종료의 지시를 수신한 경우, 본 검출 프로그램을 종료하고, 그렇지 않으면 제어는 스텝(41)으로 돌아간다. 종료의 지시는, 예를 들면 구동 장치(1)의 전원 스위치의 OFF에 의해 이뤄진다.

이상에 의해, 구동 장치(1)의 통상 동작 중에, 압전 소자(2)에 전압이 인가 된 상태에서 제 1 저항(11)의 양단의 전압을 측정해서 압전 소자(2)의 저항값을 산출함으로써 압전 소자(2)의 열화의 유무를 판정할 수 있다. 임계값(Rth)을 적절하게 설정해두면, 구동 장치(1)의 구동부의 구동 횟수의 증대에 따라, 전압 측정 및 열화의 판정을 반복함으로써, 구동 장치(1)가 정상적으로 동작하지 않게 되어 버리기 전에, 압전 소자(2)에 열화가 발생하고 있는 것을 검출하고, 압전 소자(2) 또는 압전 소자(2)를 구비한 구동 장치(1)의 교환을 권할 수 있다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 측정되는 전압값은 변동(진동)하므로, 산출되는 압전 소자의 저항값도 변동한다. 따라서, 1회의 측정으로부터 산출된 저항값을 소정의 임계값과 비교해서 열화를 판정하는 경우, 우연히 임계값을 초과한 경우라도, 열화하고 있으면 판정되는 오판정이 생길 가능성이 있다. 이것에 대해서는 상기한바와 같이, 압전 소자의 산출된 복수의 저항값의 대표값(예를 들면, 평균값)을 소정의 기준(임계값)과 비교함으로써 오판정을 억제할 수 있다.

상기에서는 스텝 41에 있어서, 전압 측정을 행할지의 여부를 구동 횟수에 의해 지정하는 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 전압 측정을 행할지의 여부를 시간으로 지정해도 좋다. 그 경우, 구동 장치(1)가 최초에 동작(압전 소자(2)로의 전압 공급)을 개시하고 나서의 경과 시간이 지정된 시간을 초과하면, 측정을 행하는 것으로 판정되고, 스텝 42∼45를 실행하면 좋다.

상기에서는 측정한 복수의 측정값의 대표값(예를 들면, 평균값)을 평가값으로서 사용하는 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 대표값의 변화의 경향을 소정의 기준(임계값)과 비교해도 좋다. 예를 들면, 대표값의 변화의 비율(기울기)을 평가값으로서 산출해도 좋다. 그 경우에는, 상기한 바와 같이 해서 스텝(44)이 실행될 때마다 산출된 대표값을 RAM(22)(전원이 OFF되는 경우에는 사전에 ROM(21)에 기억한다)에 기억해두면 좋다. 전압을 측정해서 대표값을 산출한 후, 과거에 산출한 대표값을 RAM(22)으로부터 판독하여 기울기를 산출하고, 산출된 기울기를 평가값으로서 소정의 임계값과 비교하면 좋다. 후술하는 실험 결과에 나타내는 바와 같이 압전 소자(2)가 열화하면 저항값(R3)은 열화하고 있지 않는 상태(R3>1×103(MΩ))로부터 소정 정도의 기울기를 가져서 계속해서 감소한다. 따라서, 대표값의 변화(기울기)를 이용하여 압전 소자(2)의 열화의 유무를 판정할 수 있다.

또한, 대표값의 변화의 경향을 산출하는 방법은 공지의 방법을 사용하면 좋다. 예를 들면, 산출된 연속하는 2개의 대표값으로부터 그 기울기를 구해도 좋다. 또한, 산출된 3개 이상의 대표값에 대하여, 최소 제곱법 등을 적용해서 회귀 직선(기울기)을 구해도 좋다.

또한, 대표값 또는 대표값의 경향을 판정 조건 중 하나로 해도 좋고, 그것에 의해 압전 소자의 열화를 보다 정확하게 검지할 수 있다.

상기에서는, 압전 소자(2)에 직렬로 접속하는 제 1 저항(11) 및 제 2 저항 (12)의 저항값(R1 및 R2)이 R1=10kΩ, R2=39kΩ인 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. R1 및 R2는 제 1 저항(11)의 양단의 전압을 측정하는 측정 장치의 입력 레인지(측정하고자 하는 저항값의 영역)에 맞춰서 선정할 수 있고, 압전 소자(2)의 저항값을 산출하는 경우에 R1 및 R2를 무시할 수 있을 정도로 압전 소자(2)의 저항값(R3)과 비교해서 충분히 작으면 좋다.

상기에서는 각 측정 데이터(V1i)로부터 Ri=V0/(V1i/R1)(V0는 전원부(4)의 출력 전압)에 의해 압전 소자(2)의 저항값(Ri)을 산출하는 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 도 2를 참조하고, 제 1 저항(11)의 양단의 전압의 측정값(V1)을 사용하고, V0=(R1+R2+R3)×I=(R1+R2+R3)×(V1/R1)이므로, R3=V0/(V1/R1)-R1-R2가 된다. 따라서, 각 측정 데이터(V1i)로부터, Ri=V0/(V1i/R1)-R1-R2에 의해 압전 소자(2)의 저항값(Ri)을 산출해도 좋다. 이 경우에는, R1 및 R2의 값은 R1<<R3, R2<<R3을 충족시키지 않아도 좋다.

상기에서는, 전원부(4)의 부극측의 출력단과 압전 소자(2) 사이의 전기 배선 상에 열화 검지 회로(15)를 설치하는 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 전원부(4)의 정극측의 출력단과 압전 소자(2) 사이의 전기 배선 상에 열화 검지 회로를 설치해도 좋다. 그 경우에도, 제 1 저항(11), 제 2 저항(12) 및 압전 소자(2)는 직렬 접속된다. 또한, 도 1에 나타낸 회로와 같은 분압을 실현하기 위해서는 제 2 저항(12)은 제 1 저항(11)보다 전원부(4)의 정극측에 가까이 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 6에 나타내는 바와 같이 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)을 압전 소자(2)의 양측에 배치해도 좋다. 또한, 제 2 저항(12)은 제 1 저항(11)의 양단의 전압의 측정에 사용하는 측정 장치에 따라서는 없어도 좋다.

실시예 1

이하에 실험 결과를 나타내고, 본 발명의 유효성을 나타낸다.

도 1에 나타낸 구성의 압력식 유량 제어 장치에 있어서, 압전 소자(2)에 직류 전압 140V를 공급한 상태에서 제 1 저항(11)의 양단의 전압(제 1 단자(13) 및 제 2 단자(14) 사이의 전압)을 측정하고, 그 평균값을 산출했다. 제 1 저항(11) 및 제 2 저항(12)의 저항값은 각각 10kΩ 및 39kΩ으로 했다. 전압 측정에는 테스터(FLUKE사제의 디지털 멀티 미터 289) 및 데이터 로거(Yokogawa Electric Corporation제의 모바일 레코더 MV200)을 사용했다.

동종의 압전 소자를 사용한 동종의 압력식 유량 제어 장치 3대(ID1∼ID3)의 각각에 있어서, 제어 밸브를 300만회 개폐한 후, 상기 2종류의 측정 장치를 이용하여 전압을 측정했다. 제 1 저항(11)의 측정 전압, 및 그것으로부터 산출한 압전 소자(2)의 저항값을 표 1에 나타낸다.

데이터 로거에 의한 측정 조건은 측정 레인지±20mV, 샘플링 주기 2초로 했다. 측정 전압 평균값(mV)은 100초간의 측정 데이터의 평균값이다. 도 5는 데이터 로거를 이용하여 측정한 100초간의 전압값을 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 데이터 로거에 의한 측정 전압의 진동 폭은 약 5mV이었다.

실시예 2

다른 종류의 압전 소자를 사용한 압력식 유량 제어 장치에 관해서, 실시예 1과 마찬가지로 제 1 저항(11)의 양단의 전압을 측정하고, 각각의 압력식 유량 제어 장치에서 사용되고 있는 압전 소자의 저항값을 산출했다. 그 결과를 도 7에 나타낸다.

도 7은 각 압전 소자에 관한 측정값으로부터 산출된 저항값의 변화를 모식 적으로 나타낸다. 도 7에 있어서, 세로축은 압전 소자의 저항값(산출값)을 나타내고, 가로축은 제어 밸브의 구동 시간을 나타낸다. 구동 시간이 커짐에 따라서, 제어 밸브의 개폐 횟수(압전 소자로의 전압의 인가 횟수)는 증대한다. 실선은 수분 흡착제를 구비한 제어 밸브의 측정 결과이며, 파선은 수분 흡착제를 구비하고 있지 않는 제어 밸브의 측정 결과이다. 도 7의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 압전 소자의 절연 저항값은 종류에 따라 다르지만, 어느 압전 소자나 초기의 절연 저항(1×1010Ω 부근)으로부터, 구동 시간이 길어져 열화가 생기면 저항값은 감소한다. 수분 흡착제의 유무에 따라, 압전 소자의 절연 저항값의 감소가 시작되는시기가 다르다. 수분 흡착제를 구비함으로써, 절연 저항값의 감소의 개시가 지연되는, 즉 압전 소자의 열화가 지연되는 것을 알 수 있다.

이상, 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 설명했지만, 상기한 실시형태는 예시이며, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 각종 변경해서 실시할 수 있다.

1 : 구동 장치 2 : 압전 소자
3 : 제어부 4 : 전원부
5 : 제 1 커넥터 6 : 제 2 커넥터
7 : 제 1 플러스 단자 8 : 제 1 마이너스 단자
9 : 제 2 플러스 단자 10 : 제 2 마이너스 단자
11 : 제 1 저항 12 : 제 2 저항
13 : 제 1 단자 14 : 제 2 단자
15 : 열화 검지 회로 20 : CPU
21 : ROM 22 : RAM
23 : I/O부 24 : 버스
25 : 측정부 26 : 정보 제시부
100 : 밸브 본체 110 : 압전 소자
102 : 다이어프램 밸브체 115 : 커넥터
123 : 지지통

Claims

압전 소자와,
상기 압전 소자에 직렬로 접속된 제 1 저항과,
상기 압전 소자 및 상기 제 1 저항에 의해 형성된 직렬 접속 회로의 양단에 직류 전압을 공급하는 전압 공급부와,
상기 제 1 저항의 전압을 측정하는 측정부와,
상기 전압 공급부 및 상기 측정부를 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제 1 저항의 저항값은 상기 압전 소자의 절연 저항값보다 작고,
상기 측정부는 소정 전압이 상기 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 상기 제 1 저항의 전압을 측정하고,
상기 제어부는,
상기 측정부의 측정에 의해 얻어진 전압값으로부터 상기 압전 소자의 저항값을 산출하고,
산출된 상기 저항값에 의거해 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정부는 상기 소정 전압이 상기 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 상기 제 1 저항의 전압을 복수회 측정하고,
상기 제어부는,
복수회의 측정에 의해 얻어진 복수의 전압값의 각각으로부터 상기 압전 소자의 저항값을 산출하고,
산출된 상기 압전 소자의 복수의 상기 저항값의 대표값을 산출하고,
상기 대표값을 소정의 임계값과 비교함으로써 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정부는 상기 소정 전압이 상기 전압 공급부로부터 공급된 상태에서 상기 제 1 저항의 전압을 복수회 측정하고,
상기 제어부는,
복수회의 측정에 의해 얻어진 복수의 전압값의 각각으로부터 상기 압전 소자의 저항값을 산출하는 처리와, 산출된 상기 압전 소자의 복수의 상기 저항값의 대표값을 산출하는 처리를 반복하고,
산출된 복수의 상기 대표값의 기울기를 산출하고,
상기 기울기를 소정의 임계값과 비교함으로써 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정부는 상기 압전 소자에 최초로 전압이 인가되고 나서 소정 기간이 경과한 것을 수신하여, 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 압전 소자에 의해 밸브를 개폐하는 기구를 갖고,
상기 측정부는 상기 밸브의 개폐 횟수가 소정 횟수를 초과한 것을 수신하여, 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 저항을 더 구비하고,
상기 제 2 저항은 상기 압전 소자 및 상기 제 1 저항에 직렬로 접속되고,
상기 제 2 저항은 상기 전압 공급부의 정극측의 단자와 상기 제 1 저항 사이에 접속되어 있고,
상기 제 2 저항의 저항값은 상기 압전 소자의 절연 저항값보다 작고, 상기 제 1 저항의 저항값보다 큰 것을 특징으로 하는 구동 장치.
압전 소자와, 상기 압전 소자에 직렬로 접속된 제 1 저항과, 직류 전압을 공급하는 전압 공급부와, 전압을 측정하는 측정부를 구비한 구동 장치에 있어서의 상기 압전 소자의 열화 검지 방법으로서,
상기 전압 공급부에 의해 상기 압전 소자 및 상기 제 1 저항에 의한 직렬 접속 회로의 양단에 소정의 직류 전압을 공급하는 스텝과,
상기 소정의 직류 전압을 공급한 상태에서 상기 측정부에 의해 상기 제 1 저항의 전압을 측정하는 측정 스텝과,
상기 측정 스텝에 의해 얻어진 전압값으로부터 상기 압전 소자의 저항값을 산출하는 산출 스텝과,
상기 산출 스텝에 의해 산출된 상기 저항값에 의거해 상기 압전 소자에 열화가 발생하고 있는지의 여부를 판정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 열화 검지 방법.