KR20220071909A

KR20220071909A - 유체 제어 장치, 유체 제어 방법 및 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체

Info

Publication number: KR20220071909A
Application number: KR1020210156478A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 샤쿠도
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-05-31
Also published as: US11531359B2; TW202221441A; JP2022083102A; US20220163983A1; CN114542780A

Abstract

전폐 상태로부터 측정량이 설정량으로 되도록 제어 밸브를 제어할 때에 인가되는 초기 인가 전압을 가능한 한, 개시 전압에 가까운 값으로 설정할 수 있어, 응답 속도를 높이면서 큰 오버슈트 등의 발생은 막을 수 있는 유체 제어 장치를 제공하기 위해서, 밸브 제어기(2)가, 제어 밸브(V)를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브(V)에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 전압 생성 회로에 입력하는 초기 구동 전압 설정부(22)와, 상기 제어 밸브의 구동 이력 정보를 기억하는 구동 이력 기억부(21)를 구비하고, 상기 초기 구동 전압 설정부(22)가, 상기 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성했다.

Description

유체 제어 장치, 유체 제어 방법 및 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체{FLUID CONTROL APPARATUS, FLUID CONTROL METHOD, AND PROGRAM RECORDING MEDIUM IN WHICH PROGRAM FOR FLUID CONTROL APPARATUS IS RECORDED}

본 발명은 예를 들면 반도체 제조 프로세스에서 이용되는 각종 가스의 유량이나 압력 등을 원하는 설정량으로 제어하기 위해서 이용되는 유체 제어 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 유체 제어 장치는, 유체가 흐르는 유로 상에 마련된 유량 센서와, 제어 밸브와, 유량 센서의 측정 유량이 설정 유량으로 되도록 제어 밸브를 피드백 제어하는 유량 제어기를 구비하고 있다.

또한, 제어 밸브가 전폐(全閉) 상태에서 유량이 제로 상태로부터 제로 이외의 설정 유량으로 되도록 제어 밸브를 다른 개도(開度)로 제어하기 시작하는 경우, 처음부터 상기와 같은 피드백 제어를 행하면, 측정 유량이 설정 유량에 수렴하기까지 시간이 걸리는 경우가 있다.

이것은, 노멀 클로우즈 타입의 제어 밸브이면, 개시(開始; 열림 시작) 전압을 초과한 전압을 제어 밸브에 인가하지 않는 한, 제어 밸브의 밸브체가 밸브 시트로부터 떨어져 개시되지 않는 것에 기인한다. 즉, 전폐 상태의 제어 밸브를 처음부터 측정 유량과 설정 유량의 편차에 기초하는 피드백 제어를 행하면, 처음의 복수 회의 제어 주기에 있어서 설정되는 인가 전압으로는 개시 전압을 초과할 수 없어, 그 만큼 개시하기까지 시간이 헛되이 되어 버린다.

그래서, 특허문헌 1에서는, 전폐 상태로부터 유량 제어를 개시하는 경우에는, 처음에 설정되는 초기 인가 전압의 값을 예를 들면 개시 전압보다도 큰 값으로 설정하고, 그 후에는 유량 피드백 제어가 개시되도록 구성되어 있다.

그런데, 초기 인가 전압을 개시 전압보다도 큰 값으로 설정해 두면, 이번에는 설정 유량에 대해서 측정 유량이 크게 오버슈트해 버리는 경우가 있다. 이 때문에, 개시 전압에 소정의 안전율을 곱하여, 개시 전압보다도 작은 전압을 초기 인가 전압으로 하여, 소정량 이상의 오버슈트가 발생하지 않도록 하고 있다.

일본 특허 제6279675호 공보

그렇지만, 초기 인가 전압을 개시 전압에 가까운 값으로 설정하면, 어떠한 원인으로 개시 전압이 변화하고, 그 결과, 처음에는 발생하지 않았던 오버슈트가 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 문제가 발생하지 않도록 하려면, 안전율을 높게 하는 것이 생각되지만, 그러면 유량의 상승 등의 응답 속도는 저하되게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 전폐 상태로부터 측정량이 설정량으로 되도록 제어 밸브를 제어할 때에 인가되는 초기 인가 전압을 가능한 한, 개시 전압에 가까운 값으로 설정할 수 있어, 응답 속도를 높이면서 큰 오버슈트 등의 발생은 막을 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본원 발명자가 예의 검토를 행한 결과, 개시 전압의 변화는 제어 밸브에 있어서의 피로(疲勞)에 의해서 발생하고 있는 것이 발견되었다. 본 발명은 이와 같은 발견에 기초하여서 이루어진 것이다.

구체적으로는 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와, 입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로와, 상기 유체 센서가 측정하는 측정량과 설정량의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비하고, 상기 밸브 제어기가, 상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 초기 구동 전압 설정부와, 상기 제어 밸브의 구동 이력 정보를 기억하는 구동 이력 기억부를 구비하고, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 제어 방법은, 유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와, 상기 유체 센서가 측정하는 측정량과, 입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로를 구비한 유체 제어 장치의 제어 방법으로서, 상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 것과, 설정량과의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브에 전압을 출력하여 상기 제어 밸브를 제어하는 것을 포함하고, 상기 제어 밸브의 구동 이력 정보에 따라서 초기 구동 전압의 값을 변경하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 구동 이력 정보에 기초하여 상기 제어 밸브의 피로의 정도를 파악할 수 있다. 따라서, 피로에 의한 개시 전압의 변화에 맞추어 초기 구동 전압을 변화시킬 수 있으므로, 종래와 같이 안전율을 높게 설정하지 않아도 된다. 이 때문에, 설정량에 대한 측정량이 일치하기까지 필요하게 되는 시간을 짧게 하면서, 극단적인 오버슈트 등은 발생하지 않도록 이상적인 응답성을 실현할 수 있다.

상기 제어 밸브의 피로의 진행에 따라서 상기 초기 구동 전압을 변화시켜, 거의 같은 응답성을 계속 유지되도록 하려면, 상기 제어 밸브가, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에서 전폐 상태로 되는 노멀 클로우즈 타입의 밸브이며, 상기 구동 이력 정보가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수를 포함하고, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수에 따라서 상기 초기 구동 전압을 저하시키도록 구성된 것이면 된다.

상기 제어 밸브가 피로 한도에 도달하여, 피로에 의한 개시 전압의 변화가 발생되지 않게 된 후에, 상기 초기 구동 전압을 변화시키지 않게 하여 응답성을 일정하게 유지할 수 있도록 하려면, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수가 소정값 이상인 경우에는, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 초기 구동 전압을 미리 정해진 고정값으로 설정하는 것이면 된다.

예를 들면 설정량이 변경되었을 경우에, 큰 오버슈트가 발생하지 않게 하여, 원하는 제어 성능이 얻어지도록 하려면, 상기 초기 구동 전압이, 상기 제어 밸브가 전폐 상태로부터 개시하는 전압인 개시 전압보다도 낮은 값으로 설정된 것이면 된다.

본 발명에 따른 유체 제어 장치의 다른 양태로서는, 상기 제어 밸브가, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에서 전개(全開) 상태로 되는 노멀 오픈 타입의 밸브이며, 상기 구동 이력 정보가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수를 포함하고, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수에 따라서 상기 초기 구동 전압을 상승 또는 저하시키도록 구성된 것을 들 수 있다.

본 발명자가 검토한 바, 피로에 의한 개시 전압의 변화에 큰 영향을 주는 인자는, 제어 밸브 중에 이용되는 다이어프램(diaphragm)의 가공 방법인 것이 발견되었다. 이와 같은 다이어프램의 차이에 의한 개시 전압의 변화를 반영하여 상기 초기 구동 전압을 적절한 값으로 설정할 수 있도록 하려면, 상기 제어 밸브가, 절삭 가공 또는 드로잉(drawing) 가공 중 어느 것으로 형성된 다이어프램을 구비하는 것이며, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 다이어프램의 가공 방법에 따라서 상기 개폐 횟수에 대한 상기 초기 구동 전압의 변화량을 다르게 하는 것이면 된다.

상기 초기 구동 전압이 상기 전압 생성 회로에 입력된 후부터 설정량과 측정량에 기초하는 피드백 제어가 개시되도록 하려면, 상기 밸브 제어기가, 상기 설정량과 상기 측정량의 편차에 기초하여, 상기 전압 생성 회로에 입력하는 전압 지령을 산출하는 피드백 제어부를 더 구비하고, 상기 초기 구동 전압이 상기 제어 밸브에 입력된 후에 상기 피드백 제어부에서 산출되는 전압 지령이 상기 전압 생성 회로에 입력되도록 구성된 것이면 된다.

상기 제어 밸브가, 상기 제어 밸브의 사용 환경 온도에 따라서 출력 가능한 전압의 상한값이 변경되도록 구성된 것이면, 상기 제어 밸브를 구성하는 밸브체 등의 부품에 열팽창이 발생해도 예를 들면 최대 개도에 있어서 실현되는 유량이나 압력을 같은 값으로 유지하는 것이 가능하게 된다.

본 발명자가 검토한 바, 개시 전압은 피로의 영향 외에 사용 환경 온도의 영향을 받고 있는 것도 발견되었다. 이와 같은 온도 영향을 상기 초기 구동 전압에 반영시켜 더욱 응답성을 향상시키려면, 상기 밸브 제어기가, 상기 제어 밸브의 사용 환경 온도에 따라서 상기 초기 구동 전압을 보정하는 온도 보정부를 더 구비하는 것이면 된다.

기존의 유체 제어 장치에 있어서, 예를 들면 프로그램을 갱신함으로써 본 발명에 따른 유체 제어 장치와 같은 효과를 누릴 수 있도록 하려면, 유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와, 입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로를 구비한 유체 제어 장치에 이용되는 프로그램으로서, 상기 유체 센서가 측정하는 측정량과 설정량과의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것이며, 상기 밸브 제어기가, 상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 초기 구동 전압 설정부와, 상기 제어 밸브의 구동 이력 정보를 기억하는 구동 이력 기억부를 구비하고, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성된 유체 제어 장치용 프로그램을 이용하면 된다.

또한, 프로그램은 전자적으로 전송되는 것이어도 되고, CD, DVD, 플래시 메모리 등의 프로그램 기록 매체에 기록되어 있는 것이어도 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 유체 제어 장치이면, 제어 밸브에 있어서의 피로의 영향에 의한 개시 전압의 변화에 따라서 상기 초기 구동 전압을 적절한 값으로 설정할 수 있다. 따라서, 설정량에 측정량이 추종하기까지 걸리는 시간을 짧게 하면서, 큰 오버슈트 등이 발생하지 않는 상태를 계속 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 유량 제어 장치에 있어서의 제어 밸브의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 제어 보드에 의해 실현되는 각 부의 기능 블록도이다.
도 4는 제1 실시 형태의 유량 제어 장치에 있어서의 개폐 횟수와 개시 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 드로잉 가공으로 형성된 다이어프램을 이용한 제어 밸브의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 6은 드로잉 가공으로 형성된 다이어프램을 나타내는 모식적 사시도이다.
도 7은 드로잉 가공으로 형성된 다이어프램을 이용한 제어 밸브에 있어서의 개폐 횟수와 개시 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 제1 실시 형태의 유량 제어 장치에 있어서의 초기 구동 전압의 변화와, 유량 제어 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태의 유량 제어 장치에 있어서의 기능 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태의 유량 제어 장치에 있어서의 밸브 특성을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유체 제어 장치(100)에 대해서 도 1 내지 도 8을 참조하면서 설명한다.

이 유체 제어 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 각종 가스의 유량을 제어하기 위해서 이용되는 유량 제어 장치이다. 구체적으로는 유체 제어 장치(100)는, 이른바 매스 플로우 컨트롤러로서, 챔버에 접속되어 있는 배관에 장착된다.

이 유체 제어 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이 내부에 유체가 흐르는 유로(L)가 형성된 바디(B)와, 유로(L) 상에 마련된 유체 센서인 열식의 유량 센서(FS)와, 유량 센서(FS)의 하류측에 마련된 제어 밸브(V)와, 유량 센서(FS)의 측정량인 측정 유량이, 유저에 의해서 설정되는 설정량인 설정 유량과 일치하도록 제어 밸브(V)를 제어하는 제어 보드(CB)를 구비하고 있다.

유량 센서(FS)는 도 1, 도 3에 나타내는 바와 같이 유체 저항인 분류(分流) 소자(DE), 분류 소자(DE)의 상류측으로부터 분기되어, 해당 분류 소자(DE)의 하류측에 합류하는 U자 모양의 세관(細管)(TT), 세관(TT)의 외표면에 권회된 제1 저항 소자(R1), 제1 저항 소자(R1)의 하류측에 있어서 세관(TT)의 외표면에 권회된 제2 저항 소자(R2)와, 유량 산출기(F1)를 구비하고 있다. 유량 산출기(F1)는 본 실시 형태에서는 제어 보드(CB)의 연산 기능과 온도 제어 회로(도시하지 않음)를 이용하여 실현되어 있다. 온도 제어 회로는 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2)에 대해서, 주위 환경 온도보다도 높은 소정 온도로 유지되도록 각각 전압을 인가한다. 유량 산출기(F1)는, 각 저항 소자(R1, R2)에 인가되는 각 전압에 기초하여, 기존의 유량 산출식에 기초하여 유량을 산출한다. 또한, 유량 센서(FS)는 열식인 것으로 한정되지 않고, 압력식이나 초음파식 등 다양한 측정 원리의 것을 이용할 수 있다. 압력식의 유량 센서의 경우, 분류 소자(DE) 대신에 마련되는 유체 저항은 층류(層流) 소자여도 되고, 오리피스 플레이트 등이어도 된다. 요컨데 압력에 기초하여 유량을 산출하기 위해서 필요하게 되는 차압(差壓)을 발생시키는 유체 저항의 상류측과 하류측에 각각 압력 센서를 마련하면 된다.

제어 밸브(V)는, 도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 유로(L)로부터 흘러 온 유체가 흘러 나가는 개구(V11)가 형성된 밸브 시트(V1)와, 상방에 있는 밸브 시트(V1)에 대해서 접리(接離) 가능하게 마련되어 밸브 시트(V1)의 개구를 개폐하는 밸브체(V2)와, 밸브체(V2)를 밸브체(V2)에 대해서 접리 동작시키는 피에조 액추에이터(V3)와, 밸브체(V2)와 피에조 액추에이터(V3) 사이에 마련되는 커플링 기구(V4)를 구비하고 있다.

밸브체(V2)는 하방에 있는 판 스프링(S1)에 의해서, 밸브 시트(V1)측으로 가압되어 있고, 피에조 액추에이터(V3)에 전압이 인가되고 있지 않은 경우에는 밸브체(V2)가 밸브 시트(V1)의 개구를 폐지(閉止)하도록 구성되어 있다. 즉, 이 제어 밸브(V)는, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에서 전폐 상태로 되는 노멀 클로우즈 타입의 것으로 된다. 또한, 밸브체(V2)에 있어서 밸브 시트(V1)와 접촉하는 부분이 되는 링 모양 영역에는 소정 두께의 수지막(RF)이 형성되어 있다.

커플링 기구(V4)는 피에조 액추에이터(V3)와 밸브체(V2)의 사이를 접속하는 개략 원기둥 모양의 플런저(PL)와, 플런저(PL)의 길이 방향 중앙부로부터 반경 방향 외측으로 넓어지는 박막(薄膜) 모양의 부위로서, 유로(L)의 내외를 구분하는 다이어프램(D)과, 다이어프램(D)의 외주에 형성되어, 해당 다이어프램(D)보다도 두께가 크고, 바디에 대해서 고정되는 링 모양의 고정부(F)를 구비하고 있다. 이 커플링 기구(V4)는 예를 들면 금속의 블록을 절삭 가공하여 형성된다. 즉, 다이어프램(D)은 금속의 모재(母材)를 엔드 밀 가공 등의 절삭 가공에 의해 박막 모양으로 될 때까지 깎아냄으로써 형성되어 있다.

피에조 액추에이터(V3)는, 피에조 소자를 적층하여 형성된 것으로, 전압이 인가됨으로써 압전 효과에 의해서 인가 전압에 따른 늘어남이 발생하도록 구성되어 있다. 또한, 제어 밸브(V)에 있어서 밸브체(V2)를 구동하기 위한 액추에이터는 피에조 액추에이터(V3)로 한정되는 것은 아니며, 솔레노이드 등의 다른 구동 원리에 기초하는 액추에이터를 이용해도 상관없다.

제어 보드(CB)는, CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 기기 등을 구비한 이른바 컴퓨터로서, 메모리에 격납되어 있는 유체 제어 장치용 프로그램이 실행되고, 각종 기기가 협업함으로써, 도 3에 나타내는 바와 같이 적어도 전압 생성 회로(1), 밸브 제어기(2)로서의 기능을 발휘한다.

전압 생성 회로(1)는 밸브 제어기(2)로부터 입력된 전압 지령에 따른 전압을 제어 밸브(V)에 출력하도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는 전압 생성 회로(1)는, 밸브 제어기(2)로부터 출력되는 직류 전압을 소정의 배율로 증폭시킨 직류 전압으로서 출력하는 DC-DC컨버터이다.

밸브 제어기(2)는 유체 센서가 측정하는 측정량과 설정량과의 편차가 작아지도록 제어 밸브(V)를 제어하는 것이다. 본 실시 형태에서는 밸브 제어기(2)는, 유량 센서(FS)가 측정하는 측정 유량과, 유저가 설정하는 설정 유량과의 편차에 기초하여 제어 밸브(V)의 유량 피드백 제어를 행한다. 구체적으로는 밸브 제어기(2)는, 측정 유량과 설정 유량의 편차에 기초하는 연산에 의해 전압 생성 회로(1)에 입력하는 전압 지령을 결정한다. 또한, 예를 들면 설정 유량이 제로로부터 소정값으로 상승하도록 하는 경우, 즉, 제어 밸브(V)가 전폐 상태로부터 다른 개도로 변경되는 경우에는, 밸브 제어기(2)는 먼저 초기 구동 전압을 나타내는 전압 지령을 출력하고, 그 후, 유량 피드백에 기초하는 전압 지령을 출력하도록 구성되어 있다. 초기 구동 전압은, 제어 밸브(V)에 있어서 발생하고 있는 피로에 기인하는, 개시 전압의 변화에 따른 전압이 인가되도록 하고 있다.

구체적으로는, 밸브 제어기(2)는 도 3에 나타내는 바와 같이 구동 이력 기억부(21), 초기 구동 전압 설정부(22), 피드백 제어부(23)를 구비하고 있다.

구동 이력 기억부(21)는 제어 밸브(V)의 구동 이력 정보를 기억하는 것이다. 구동 이력 정보는 예를 들면 전압 생성 회로(1)로부터 제어 밸브(V)에 출력된 전압을 모니터링하고, 그 전압 변화 이력에 기초하여 작성된다. 또는, 구동 이력 정보는 전압 생성 회로(1)에 입력되는 전압 지령을 모니터링하고, 그 지령값의 변화 이력에 기초하여 작성되어도 된다. 본 실시 형태에서는, 전압 생성 회로(1)가 출력하는 전압 변화로부터 제어 밸브(V)의 개폐 횟수가 구동 이력 정보로서 작성된다. 예를 들면 출력되는 전압이, 제어 밸브(V)가 전폐 상태로 되는 제로로부터 소정값 이상의 전압으로 되고, 다시 제로로 돌아온 것을 판정함으로써 1회 개폐가 행해졌다고 카운트한다. 이와 같은 카운트값이 적산됨으로써 개폐 횟수가 구동 이력 정보로서 구동 이력 기억부(21)에 기억된다.

초기 구동 전압 설정부(22)는, 제어 밸브(V)를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 제어 밸브(V)에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 전압 생성 회로(1)에 입력한다. 초기 구동 전압의 값에 대해서는, 전술한 구동 이력 정보에 기초하여 설정된다. 본 실시 형태에서는 제어 밸브(V)의 개폐 횟수에 따라서 초기 구동 전압이 변경되고, 항상 개시 전압보다도 소정량만큼 작은 전압이 초기 구동 전압으로 되도록 구성되어 있다.

구체적으로는, 도 4의 그래프에 나타내는 바와 같이 제어 밸브(V)의 개폐 횟수가 증가함에 따라서 소정값에 이를 때까지는, 개시 전압이 초기값 V0에 대해서 저하되어 간다. 본 실시 형태에서는 예를 들면 3000만회 이상의 개폐 횟수가 되면 피로 한도에 도달하여 개시 전압은 저하되지 않게 된다. 본 실시 형태에서는 도 2, 도 3의 제어 밸브(V)와 동형(同型)의 밸브에 있어서 실제로 피로 시험을 행하여 얻어진 도 4의 구동 횟수와 개시 전압에 관한 변화 특성 데이터를 초기 전압 설정부가 기억하고 있다. 또한, 변화 특성 데이터는 테이블 형식이어도 되고, 근사 곡선을 나타내는 수식 데이터여도 된다. 그리고, 초기 전압 설정부는, 구동 이력 정보에 포함되는 제어 밸브(V)의 개폐 횟수에 대응하는, 개시 전압을 변화 특성 데이터로부터 취득하고, 개시 전압에 소정의 안전율을 곱한 값을 초기 구동 전압으로서 설정한다.

개폐 횟수에 대한 개시 전압의 변화 특성 데이터에 대해 상술하면, 본 발명자가 예의 검토를 행한 바, 제어 밸브(V)에 있어서 탄성 변형이 반복되는 다이어프램(D)의 종류에 의해서 개시 전압의 저하량이 다르다는 것을 알았다. 즉, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이 다이어프램(D)이 드로잉 가공에 의해 형성된 제어 밸브(V)의 경우, 도 7의 그래프에 나타내는 바와 같이 개폐 횟수가 많아져도 본 실시 형태의 절삭 가공에 의해 형성된 다이어프램(D)을 이용한 제어 밸브(V)와 비교하여, 개시 전압의 저하량이 작다. 이 때문에, 초기 구동 전압 설정부(22)는, 사용되는 제어 밸브(V)의 다이어프램(D)의 가공 방법마다 다른 변화 특성 데이터를 기억함으로써, 제어 밸브(V)의 특성에 따른 초기 구동 전압을 설정한다.

피드백 제어부(23)는, 초기 구동 전압 설정부(22)가 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 출력한 후부터, 설정 유량과 측정 유량의 편차에 기초하는 피드백 제어를 개시한다. 즉, 피드백 제어부(23)는 설정 유량과 측정 유량의 편차에 기초하는 PID 연산을 행하고, PID 연산 결과에 대응하는 전압 지령을 전압 생성 회로(1)에 출력한다. 또한, 피드백 제어부(23)는 제어 밸브(V)가 전폐 상태로부터 다른 개도로 변화하는 것 이외의 경우의 제어를 담당하게 된다.

이와 같이 구성된 유체 제어 장치(100)에 의한 제어 밸브(V)가 전폐되어 있는 상태로부터 유량 제어가 개시되는 경우의 동작에 대해서 도 8을 참조하면서 설명한다.

도 8의 (a)는 공장 출하시의 유체 제어 장치(100)에 있어서의 전폐 상태로부터 최대 유량으로 유체를 흘렸을 경우의 스텝 응답을 나타내는 그래프이다. 도 8의 (a)에 나타내는 바와 같이, 전폐 상태로부터 설정 유량이 상승했을 경우에는, 먼저 초기 구동 전압 설정부(22)에 의해서 공장 출하시의 초기 구동 전압이 출력되도록 전압 지령이 전압 생성 회로(1)에 입력된다. 이 동안은 측정 유량의 피드백이 행해지지 않기 때문에, 전압 생성 회로(1)가 제어 밸브(V)에 인가하는 전압은 단시간에 초기 구동 전압까지 상승하게 된다. 초기 구동 전압은 공장 출하시에 있어서의 개시 전압보다도 약간 작은 값으로 설정되어 있으므로, 초기 구동 전압에 도달하지 않은 지점에서는 아직 제어 밸브(V)는 개방되어 있지 않고, 유로(L)에도 유체는 아직 흐르지 않는다.

전압 생성 회로(1)로부터 출력되는 초기 구동 전압으로 된 시점부터 피드백 제어부(23)에 의한 PID 제어가 개시되고, 이 이후, 제어 밸브(V)는 설정 유량과 측정 유량의 편차에 기초하여, 피드백 제어된다. 개시 전압에 대해서 안전율을 종래보다도 작게 설정하고 있으므로, 예를 들면 피드백 제어의 개시가 수 100msec 경과 후에는, 제어 밸브(V)가 개방 상태로 되어, 측정 유량이 상승하기 시작한다. 이와 같이 초기 구동 전압을 개시 전압에 대해서 가까운 값으로 설정하고 있으므로, 유량의 상승 속도를 종래보다도 빠르게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 초기 구동 전압이 제어 밸브(V)에 인가되어도 제어 밸브(V)는 개방되지 않고, PID 제어에 의해서 조금 인가 전압이 상승한 시점에서 밸브가 개방되므로, 측정 유량이 설정 유량에 대해서 크게 오버슈트되는 일 없이, 설정 유량으로 안정시킬 수 있다.

다음으로 제어 밸브(V)의 개폐 횟수가 소정 횟수를 초과하여, 제어 밸브(V)의 다이어프램(D)에 피로가 진행된 상태에서의 유량 제어에 대해서 도 8의 (b)를 참조하면서 설명한다.

초기 구동 전압 설정부(22)는 구동 이력 정보와 변화 특성 데이터에 기초하여 공장 출하시에 있어서의 개시 전압에 대해서 저하되어 있는 피로 진행 후에 있어서의 개시 전압을 취득한다. 그리고, 초기 구동 전압 설정부(22)는 피로 진행 후에 있어서의 개시 전압에 기초하여 새로운 피로 진행 후에 있어서의 초기 구동 전압을 설정한다. 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이 저하된 개시 전압에 맞추어 초기 구동 전압은 낮아져, 전압의 상승이나 측정 유량의 상승에 대해서는 공장 출하시와 거의 같은 응답성을 실현할 수 있다. 또한, 도 8의 (b)에 있어서의 초기 구동 전압의 변화는 공장 출하시부터 소정 기간 경과후를 이용하여 설명하고 있으므로, 피로 한도에 도달할 때까지는 순차적으로 초기 구동 전압이 변경된다. 또한, 피로 한도를 초과한 후, 초기 구동 전압은 일정값으로 고정된다.

이와 같이 제1 실시 형태에 있어서의 유체 제어 장치(100)이면, 제어 밸브(V)의 구동 이력 정보를 유지하고 있으므로, 제어 밸브(V)에 있어서의 피로의 진행에 의한 개시 전압의 변화에 맞추어 초기 구동 전압을 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 제어 밸브(V)의 상태의 변화에 의하지 않고, 개시 전압과 초기 구동 전압 사이의 관계를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 공장 출하시에 있어서의 유량 제어의 응답성에 대해서는 거의 같은 상태를 계속 유지하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는, 유량의 상승에 필요하게 되는 시간은 소정 시간 내로 하면서, 설정 유량의 종단값에 대해서 큰 오버슈트는 발생시키지 않도록 한 제어 성능을 항상 유지할 수 있다.

이와 같이 전폐 상태로부터 유량이 상승하도록 하는 경우의 응답 특성이 제어 밸브(V)의 개폐 횟수에 의하지 않고 거의 일정하게 유지될 수 있으므로, 예를 들면 ALD(Atomic Layer Deposition) 프로세스 등과 같이 유량을 고속으로 제어 밸브(V)의 온 오프를 전환하여 유량을 펄스 제어하는 경우라도, 장기간에 걸쳐서 공급되는 유량의 정밀도를 유지할 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 유체 제어 장치(100)에 대해서 설명한다. 제1 실시 형태에 있어서 설명한 각 부와 대응하는 부분에는 같은 부호를 부여하는 것으로 한다.

제2 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 제어 밸브(V)의 개폐 횟수뿐만 아니라, 유체 제어 장치(100)에 있어서 측정되는 유체나 주위의 온도인 사용 환경 온도에 기초하여, 초기 구동 전압이 변경된다. 예를 들면 유체의 온도가 상승하면, 제어 밸브(V)를 구성하는 밸브체(V2)나 밸브 시트(V1)에 있어서의 열팽창 등의 영향에 의해서, 열기 어렵게 되어, 개시 전압이 상승하게 된다. 제2 실시 형태의 밸브 제어기(2)는, 이와 같은 온도 상승에 의한 개시 전압의 변화에 대응한 초기 구동 전압이 설정되도록 구성되어 있다.

구체적으로는, 도 9에 나타내는 바와 같이 밸브 제어기(2)는, 초기 구동 전압 설정부(22)에 의해 설정되는 초기 구동 전압을 사용 환경 온도에 따라서 보정하는 온도 보정부(24)를 더 구비하고 있다.

온도 보정부(24)는 예를 들면 초기 구동 전압 설정부(22)로부터 출력되는 전압 지령을 사용 환경 온도에 따라서 보정하고, 보정된 전압 지령을 전압 생성 회로(1)에 입력한다. 본 실시 형태에서는 사용 환경 온도가 높아질수록, 개시 전압은 높아지므로, 사용 환경 온도가 높아질수록 초기 구동 전압도 높아지도록 온도 보정부(24)는 보정을 행한다.

이와 같이 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의하면, 제어 밸브(V)의 개폐 횟수에 의한 개시 전압의 변화뿐만 아니라, 사용 환경 온도의 변화에 의한 개시 전압의 변화에도 대응하여 초기 구동 전압을 변화시킬 수 있다. 따라서, 유체 제어 장치(100)에 있어서 온도 변화가 있어도, 전폐 상태로부터 제어 밸브(V)의 개도가 변화하는 응답 속도를 일정하게 유지할 수 있다.

다음으로 제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 대해서 설명한다. 제1 실시 형태에 있어서 설명한 각 부에 대응하는 부분에는 같은 부호를 부여하는 것으로 한다.

제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 제어 밸브(V)는, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에 있어서 전개 상태로 되는 노멀 오픈 타입임과 아울러, 사용 환경 온도의 변화에 의해, 전폐 상태로 하는데 필요한 인가 전압이 변화해도 대응할 수 있도록 구성한 것이다. 구체적으로는 본 발명자가 검토한 바, 사용 환경 온도가 높아질수록, 노멀 오픈 타입의 제어 밸브(V)를 전폐하는데 필요하게 되는 전압은 커지는 것이 발견되었다. 이 때문에, 제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 전압 생성 회로(1)는 출력할 수 있는 상한 전압을 사용 환경 온도가 높아질수록 크게 하도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)이면, 전압 생성 회로(1)로부터 출력되는 전압의 상한이 온도에 따라서 변경되므로, 도 10의 그래프에 나타내는 바와 같이 초기 상태에 있어서 전폐되어 있던 전압보다도 더 높은 전압이 출력되어, 노멀 오픈 타입의 제어 밸브(V)를 확실히 전폐 상태로 하여 유량이 제로인 상태를 실현할 수 있다.

그 밖의 실시 형태에 대해서 설명한다.

전술한 실시 형태에서는 제어 대상은 유체의 유량이었지만, 본 발명은 유량의 압력을 제어 대상으로 해도 된다. 또한, 유체에 대해서는 기체, 액체, 또는 그것들이 혼합된 것이어도 상관없다.

전술한 실시 형태에서는, 제어 밸브에 있어서의 개시 전압의 변화는 제어 밸브의 개폐 횟수에 기초하여 추정하고 있었지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면 구동 이력 정보는, 제어 밸브의 개폐 횟수가 아니라, 구동 시간을 포함하는 것이어도 된다. 그리고, 초기 구동 전압 설정부는 구동 시간부터 개폐 횟수를 추정하고, 간접적으로 개시 전압을 추정하도록 해도 된다. 또한, 구동 이력 정보는 개폐 가수(假數), 구동 시간 등 다양한 제어 밸브의 구동 이력에 관한 정보를 포함하고 있어도 된다. 또한, 개폐 횟수의 카운트 방법에 대해서는 전술한 실시 형태에 나타낸 것으로 한정되지 않는다. 유저에 의한 설정량으로 제로로부터 제로 이외의 값으로 설정된 횟수를 카운트하여 개폐 횟수로 해도 된다.

제어 밸브가 노멀 클로우즈 타입인 것이어도, 밸브체, 밸브 시트, 다이어프램 등의 구성의 차이에 따라서는, 개폐 횟수에 대한 개시 전압의 변화 경향은, 전술한 실시 형태와는 다를 가능성이 있다. 따라서, 초기 구동 전압은 개시 전압의 변화 특성에 맞추어 적절히 설정하면 된다. 구체적으로는, 개폐 횟수에 대해서 개시 전압이 커지는 경우에는, 그것에 맞추어 초기 구동 전압도 크게 해 나가면 된다.

또한, 본 발명은 노멀 클로우즈 타입의 제어 밸브뿐만 아니라, 노멀 오픈 타입의 제어 밸브에 적용해도 된다. 이 경우에도 초기 구동 전압 설정부가, 구동 이력 정보에 따라서 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성하면 된다.

실시 형태에서는 제어 보드에 있어서, 구동 이력 기억부로서의 기능을 실현하도록 구성되어 있었지만, 유선 또는 무선의 네트워크로 접속된 제어 보드와는 별체의 컴퓨터에 있어서 그 기능이 실현되는 것이어도 된다. 즉, 유체 제어 장치란, 모든 구성 요소가 1개소에 집중되어 구성된 것으로 한정되지 않고, 연산 기능 등의 일부가 제어 밸브나 유체 센서가 마련되어 있는 장소와는 떨어진 장소에 마련된 컴퓨터 등에 의해서 실현되는 것도 포함하는 개념이다.

또한, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서, 다양한 실시 형태의 변형이나, 각 실시 형태의 일부끼리의 조합을 행해도 상관없다.

100…유체 제어 장치 V…제어 밸브
D…다이어프램 1…전압 생성 회로
2…밸브 제어기 21…구동 이력 기억부
22…초기 구동 전압 설정부 23…피드백 제어부

Claims

유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와,
상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와,
입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로와,
상기 유체 센서가 측정하는 측정량과 설정량과의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기를 구비하고,
상기 밸브 제어기가,
상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 초기 구동 전압 설정부와,
상기 제어 밸브의 구동 이력 정보를 기억하는 구동 이력 기억부를 구비하고,
상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 밸브가, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에서 전폐 상태로 되는 노멀 클로우즈 타입의 밸브이며,
상기 구동 이력 정보가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수를 포함하고,
상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수에 따라서 상기 초기 구동 전압을 저하시키도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어 밸브의 개폐 횟수가 소정값 이상인 경우에는, 상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 초기 구동 전압을 미리 정해진 고정값으로 설정하는 유체 제어 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 초기 구동 전압이, 상기 제어 밸브가 전폐 상태로부터 개시(開始)하는 전압인 개시 전압보다도 낮은 값으로 설정된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 밸브가, 전압이 인가되고 있지 않은 상태에서 전개 상태로 되는 노멀 오픈 타입의 밸브이며,
상기 구동 이력 정보가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수를 포함하고,
상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 제어 밸브의 개폐 횟수에 따라서 상기 초기 구동 전압을 상승시키도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어 밸브가, 절삭 가공 또는 드로잉 가공 중 어느 것으로 형성된 다이어프램을 구비하는 것이며,
상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 다이어프램의 가공 방법에 따라서 상기 개폐 횟수에 대한 상기 초기 구동 전압의 변화량을 다르게 하는 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 밸브 제어기가,
상기 설정량과 상기 측정량과의 편차에 기초하여, 상기 전압 생성 회로에 입력하는 전압 지령을 산출하는 피드백 제어부를 더 구비하고,
상기 초기 구동 전압이 상기 제어 밸브에 입력된 후에 상기 피드백 제어부에서 산출되는 전압 지령이 상기 전압 생성 회로에 입력되도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 밸브가, 상기 제어 밸브의 사용 환경 온도에 따라서 출력 가능한 전압의 상한값이 변경되도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 밸브 제어기가,
상기 제어 밸브의 사용 환경 온도에 따라서 상기 초기 구동 전압을 보정하는 온도 보정부를 더 구비하는 유체 제어 장치.
유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와, 상기 유체 센서가 측정하는 측정량과, 입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로를 구비한 유체 제어 장치의 제어 방법으로서,
설정량과의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브에 전압을 출력하여 상기 제어 밸브를 제어하는 것과,
상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 것을 포함하고,
상기 제어 밸브의 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하는 제어 방법.
유로에 마련되어, 인가되는 전압에 따라서 개도가 변화하는 제어 밸브와, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량 또는 압력을 측정하는 유체 센서와, 입력된 전압 지령에 따른 전압을 상기 제어 밸브에 출력하는 전압 생성 회로를 구비한 유체 제어 장치에 이용되는 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체로서,
상기 유체 센서가 측정하는 측정량과 설정량과의 편차가 작아지도록 상기 제어 밸브를 제어하는 밸브 제어기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것이며,
상기 밸브 제어기가,
상기 제어 밸브를 전폐 상태로부터 소정 개도로 변화시키는 경우에, 상기 제어 밸브에 인가되는 초기 구동 전압을 설정하는 전압 지령을 상기 전압 생성 회로에 입력하는 초기 구동 전압 설정부와,
상기 제어 밸브의 구동 이력 정보를 기억하는 구동 이력 기억부를 구비하고,
상기 초기 구동 전압 설정부가, 상기 구동 이력 정보에 따라서 상기 초기 구동 전압의 값을 변경하도록 구성된 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체.