TWI403872B - A pressure control valve drive circuit for a pressure type flow control device having a flow self-diagnosis function - Google Patents

Description

具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路

本發明，係為有關於在半導體或化學品、藥品、精密機械構件等之製造中所使用的氣體等之壓力式流量控制裝置的改良者，且為有關於在使用壓力式流量控制裝置所具備之流量自我診斷功能而檢測出限流孔的由於堵塞或是碎裂、腐蝕等所致之形狀之變化時，能夠恆常以高精確度來進行安定之檢測的壓力控制閥用驅動電路者。

壓力式流量控制裝置，係具有將壓電元件驅動型壓力控制閥與限流孔作了組合之簡單的機構，而能夠對氣體等之各種流體的流量以高精確度來作控制，並在半導體製造裝置等之技術領域中被多數地實用化。

又，此壓力式流量控制裝置，由於係利用限流孔，而將其之上流側的氣體壓力藉由壓力控制閥之開閉控制來作調整，並進行流量控制，因此，係有必要恆常對所謂限流孔之堵塞等作監視。因此，係具備有被稱為所謂的流量自我診斷(或是堵塞檢測)之對於由限流孔的堵塞或碎裂、腐蝕等所致的形狀之變化的程度作自我診斷的功能。

圖5，係為展示先前技術之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的其中一例者。亦即是，將藉由壓力檢測器P₁ 以及溫度檢測器T₁ 所檢測出之在壓力控制閥1與限流孔2之間的管路3內之氣體壓力以及氣體溫度， 輸入至演算處理裝置CPU中，於此，在對於在限流孔2處流通之氣體流量Qc作演算的同時，亦演算出設定流量Qs與演算流量Qc間的流量差ΔQ，而，與此流量差ΔQ相對應之控制訊號S，係被輸入至壓電元件驅動部1a處，並以使前述流量差ΔQ成為0的方式，來對壓力控制閥1作開‧閉控制。

而後，若是在壓力式流量控制裝置之使用中，由於限流孔2之堵塞等而使限流孔口徑有所變化，則由於係會對於圖5中之配管路3內的壓力降下特性帶來變化，因此，在將壓力式流量控制裝置供以實際使用之前(亦即是，在工廠出貨前)，係對該壓力降下特性作計測，並作為初期值而記憶在記憶裝置M中，再藉由將此初期值與使用中之診斷時的壓力降下特性之測定值作比對，而能夠判斷出流量控制之異常的有無。亦即是，流量自我診斷，可以說是對於限流孔2之由於堵塞或碎裂、腐蝕等所致的形狀之變化所造成的控制流量之異常的有無進行自我診斷者。

更具體而言，參考圖5，首先，在壓力式流量控制裝置FCS的出貨前，對於壓力式流量控制裝置FCS之壓電元件驅動型壓力控制閥1而供給流量自我診斷用之氣體(通常係為N₂ 氣體)，又，在將壓力式流量控制裝置FCS之設定流量設定為100%之流量的同時，將記憶裝置M設定為動作狀態(初期值記憶訊號之設定)。另外，此時，不用說，當控制流量(設定流量Qs)係為某一臨限值以下的情況時，則係發出氣體供給壓力不足之警報 A_L 。

接著，在將壓電元件驅動型壓力控制閥1設為急速全關閉的同時，於每一特定時間中而對壓力檢測器P₁ 之檢測壓力與時間之資料作計測，並將此記憶在記憶裝置M中(初期值資料之記憶)。

當對使用中之壓力式流量控制裝置FCS進行流量自我診斷時，首先，係供給與在壓電元件驅動型壓力控制閥1之初期值資料的記憶時所使用之氣體為相同的氣體，同時，將該設定流量Qs設為100%之流量。另外，此時，不用說，當控制流量(設定流量Qs)係為某一臨限值以下的情況時，則係發出氣體供給壓力不足之警報A_L 。

接著，將壓電元件驅動型壓力控制閥1設為急速全關閉，並於每一特定時間中，對於此時之配管路3內的檢測壓力-時間之資料作計測，同時，在演算處理裝置CPU中，與預先所記憶在記憶裝置M中之初期值資料作比較，而當兩者間之差異為較設定值更大的情況時，將診斷結果作為異常，而發出警報。另外，於圖5中，E係為電源電壓。

然而，在壓力式流量控制裝置FCS之壓電元件驅動型壓力控制閥1中，係多所利用有具備壓電元件驅動部之常閉(normal close)型金屬隔膜閥，並藉由在壓電元件驅動部1a之壓電元件處施加驅動電壓而使其之全長伸長，來與彈性體之彈性作抵抗並將閥棒拉起，而將閥開放。又，若是施加在壓電元件處之電壓被除去，則壓電元 件之長度係回復到初期之長度尺寸，而藉由彈性體之彈力，閥棒係下降，藉由此，而將閥關閉(日本特開2005-149075)。

其結果，由於將被施加在壓電元件上之電壓除去的速度(以下，稱為壓電元件驅動電壓之降下延遲)，在閥之從全開啟到全關閉為止之時間中，係必然會產生有偏差，而在壓力降下特性之測定中的最初之取樣點的時間位置(取樣開始時刻)會有所變動，而使正確之壓力降下特性的測定成為困難。另外，此壓電驅動電壓之降下延遲對壓力降下特性所造成的影響，係當壓電元件之衝程位移量或壓電元件驅動電壓、閥體之外徑變得越大時，則變得越大，又，當診斷之取樣時間變得越小時，則對壓力降下特性所造成之壓電元件驅動電壓的降下延遲的影響係變得越大。

圖6，係展示先前技術之壓力式流量控制裝置((股份有限公司)FUJIKIN公司製，FCS型)的壓力降下特性之其中一例，可以得知，若是氣體供給壓力(KPaG)越低，則就算是相同之壓力式流量控制裝置，其壓力降下特性曲線亦會朝向上方移動。

又，圖7，係為對氣體供給壓力之變動所致的壓力降下特性之變化對於診斷結果(%)所造成之影響作了調查者。

一般而言，在常閉型之壓電元件驅動型壓力控制閥1中，當供給壓力為低的情況時，相較於供給壓力為高的情 況，壓電元件電壓係變高，而壓力控制閥之關閉時間係成為容易延遲(日本特開2005-149075號)。其結果，若是供給壓力變低，則壓電元件驅動電壓係上升，壓力控制閥之關閉時間延遲係變大，而會如圖7一般地成為使診斷結果(%)朝向正(plus)側而移動。

圖8，係為對先前技術之壓電元件型壓力控制閥的壓電元件驅動電路之構成作展示的區塊圖，從壓力式流量控制裝置FCS之演算處理裝置(CPU)起，而通過電場電晶體FET₁ 、電感L、二極體D來從供給電源而將驅動電壓供給至壓電元件(電容C)處。

具體而言，若是經由升壓指令訊號而使電場電晶體FET₂ 成為ON，則在電感L處係被激勵有電壓，而後，若是電場電晶體FET₂ 成為OFF，則電感L內之感應電壓係被重疊在驅動電壓上，而被重疊了此驅動電壓之電壓，係作為壓電元件驅動電壓而被施加(充電)在壓電元件(電容器)上。又，當繼續升壓的情況時，則前述升壓用電場電晶體FET₂ 之ON-OFF係被反覆進行。

又，藉由對於該當壓電元件之充電，壓電元件之全長係伸長，而壓力控制閥係成為被開閥。

另一方面，當使壓力控制閥作全關閉的情況時，係經由降壓指令訊號之輸入而將降壓用電場電晶體FET₃ 設為ON，藉由此，壓電元件(電容器)之充電電壓係被放電。經由此，壓電元件係縮小，而壓力控制閥係成為藉由彈簧彈性力而被關閉。

[專利文獻1]日本特開平8-338546號公報

[專利文獻2]日本特開2000-137528號公報

[專利文獻3]日本特開2005-149075號公報

如上述一般，在先前技術之具備有流量自我診斷功能的壓力式流量控制裝置中，在流量自我診斷時，係將壓電驅動型壓力控制閥關閉，並進行壓力降下特性之測定。

但是，於此時所測定之壓力降下特性，若是供給氣體壓力或壓電驅動電壓之大小有所變化，則會有特性曲線之形態改變、或是就算在完全相同之條件下作測定壓力降下特性曲線亦會有所變動的事態，在將使用開始前(初期時)與診斷時之壓力降下特性曲線之對比作為基礎的流量控制之自我診斷中，係有著無法迅速地進行高精確度之診斷的問題。

在先前之流量控制的異常之診斷、亦即是對於限流孔之堵塞或碎裂、腐蝕等所致之形狀的變化所造成的流量控制之異常的自我診斷中，係存在有如同上述一般之問題，也就是說，係存在有若是供給氣體壓力或壓電驅動電壓之大小有所變化，則無法安定地得到正確之壓力降下曲線，故而無法進行高精確度之診斷的問題，而本發明，係為用以解決此種問題者，其主要目的，係在於提供一種具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用 壓電元件驅動電路，其係藉由將從對於具備有壓電元件驅動部之壓力控制閥而供給全關閉訊號起直到閥全關閉為止的時間延遲、亦即是將閥之從全開啟起直到全關閉為止的切換時間大幅度的縮短，而能夠不受供給氣體壓或壓電驅動電壓之高低的影響而恆常地得到安定之壓力降下曲線，並經由此而能夠以高精確度而對於流量控制之異常(限流孔之堵塞或碎裂、腐蝕等所造成之形狀的變化)作診斷。

申請專利範圍第1項之發明，係為一種具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路，該流量自我診斷功能，係將預先測定並作了記憶的初期壓力降下特性資料，和在與前述初期壓力降下特定之測定為相同之條件下所測定了的流量診斷時之壓力降下特定資料作比對，並從兩特性資料之差異，來檢測出流量控制之異常，該壓力控制閥用驅動電路，其特徵為：與控制閥之驅動電路並聯地，而分別設置有用以將該控制閥關閉之第1關閉電路、和時間常數為較第1關閉電路更小之第2關閉電路，並且將前述第2關閉電路，作為在前述流量自我診斷時而用以將控制閥作急速關閉的關閉電路。

申請專利範圍第2項之發明，係在申請專利範圍第1項所記載之發明中，將壓力控制閥用驅動電路，設為使壓電元件驅動型壓力控制閥動作之壓力控制閥用壓電元件驅動電路，同時，將用以使控制閥急速關閉的第2放電電路 之時間常數，設為0.3msec以下，而將該第2關閉電路，設為根據從前述中央處理裝置而來之高速降壓指令訊號，而使施加於前述壓電元件上的壓電元件驅動電壓，通過高速降壓指令電路而急速地放電下降之放電電路。

申請專利範圍第3項之發明，係在申請專利範圍第2項之發明中，將第2放電電路，設為藉由低電阻、和構成經由高速降壓指令訊號的輸入而作導通之高速降壓指令電路的切換元件，此兩者間之串聯電路，而形成之。

申請專利範圍第4項之發明，係在申請專利範圍第2項或第3項之發明中，將與第2放電電路並聯連接之第1放電電路，設為將根據從壓力式流量控制裝置之中央處理裝置而來之降壓指令訊號而使施加於壓電元件上的壓電元件驅動電壓通過降壓指令電路而放電下降之時間常數，設定成50~100msec之放電電路。

申請專利範圍第5項之發明，係在申請專利範圍第4項之發明中，將第1放電電路，設為藉由高電阻、和構成經由降壓指令訊號的輸入而作導通之降壓指令電路的切換元件，此兩者間之串聯電路，而形成之。

在本發明中，於具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路中，由於係與控制閥之驅動電路並聯地，而設置用以將控制閥高速關閉之關閉電路，因此，在自我流量診斷時，係能夠將壓力控制閥急 速地從全開啟而切換為全關閉，而使壓力式控制閥之閉閥延遲時間大幅度的縮短。藉由此，係成為能夠以高精確度且安定地來進行流量自我診斷時之壓力降下特性的測定，而流量自我診斷之診斷結果亦成為高精確度。

特別是，在以具備有壓電元件驅動部之壓力控制閥為對象的壓力控制閥用壓電元件驅動電路中，係與壓電元件驅動用電壓之供給電路並聯地，而設置藉由降壓指令訊號之輸入來將施加於壓電元件處之壓電元件驅動電壓通過降壓指令電路而作放電下降的第1放電電路、和藉由高速降壓訊號之輸入來將施加於壓電元件處之壓電元件驅動電壓通過高速降壓指令電路而急速地放電下降之第2放電電路，平常之流量控制，係藉由通過前述第1放電電路而使壓電驅動電壓下降來進行，又，在流量自我診斷時，係通過前述第2放電電路來將壓電驅動電壓急速地放電下降，藉由採用此種構成，平常之流量控制，係能夠順暢且安定地進行，同時，在自我流量診斷時，係能夠將壓電元件驅動型壓力控制閥急速地從全開啟而切換至全關閉。其結果，壓力式控制閥之閉閥延遲時間係成為被大幅度的縮短，藉由此，在成為能夠以高精確度且安定的狀態來進行流量自我診斷時之壓力降下特性的測定的同時，流量自我診斷之診斷結果亦成為高精確度且為安定。

以下，根據圖面並說明本發明之實施形態。圖1，係 為展示本發明之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓電元件驅動電路之電路構成的區塊線圖，於圖1中，4係為壓電元件，5係為壓電元件驅動電路，6係為升壓指令電路，7係為降壓指令電路，8係為高速降壓指令電路，9係為升壓用電壓供給電路，10係為壓力式流量控制裝置之演算裝置(CPU)。又，E係為電源，11~16係為各輸入端子，17以及18係為對於壓電元件4之輸出端子。

前述壓電元件4本身，係具備有電容器構造，在本實施例中，其靜電容量係為5.7μF，但是，輸入端子17、18間之全容量，在電路構成上係為6.7μF。

本發明之壓電元件驅動電路5，係由前述之升壓指令電路6與降壓指令電路7與高速降壓指令電路8以及升壓用電壓供給電路9等所構成，並通過端子17、18而對壓電元件4供給壓電元件驅動電壓。

又，對於端子11，係從壓力式流量控制裝置之演算處理裝置CPU10而輸入有輸入電壓，對於端子12，係輸入有升壓指令訊號，對於端子13，係輸入有降壓指令訊號，進而，在流量自我診斷(流量異常診斷時)中，係對於端子14而輸入有高速降壓指令訊號。

亦即是，若是從CPU而對端子12輸入被作了脈衝寬幅控制之升壓指令訊號，並使升壓指令電路6之電場電晶體FET₂ 成為ON，則藉由從端子11而來之輸入電壓，在升壓電壓供給電路9之電感L處係被激勵有起電力。又， 若是電場電晶體FET₂ 成為OFF，則前述電感L之感應起電力係被重疊在從輸入端子11而來之電源電壓上，並從輸出端子17而被施加至壓電元件4處。另外，當使對於壓電元件4之施加電壓增加的情況時，係藉由調整對於端子12之升壓指令訊號的脈衝寬幅或脈衝數，並使電感L之感應起電力的大小或是其之重疊次數改變，而使施加電壓上升。

又，相反的，當使施加電壓減少的情況時，係藉由CPU10而對於端子13輸入降壓指令訊號，並將降壓指令電路7之電場電晶體FET₃ 設為ON，而將壓電元件4之施加電壓(充電電壓)通過由電阻R與降壓指令電路7之電場電晶體FET₃ 之間的串聯電路所成的第1放電電路來作放電。另外，在圖1之實施例中，第1放電電路之時間常數係設定為=R₁ ×C=22KΩ×6.7μF=147.4msec，壓電元件驅動電壓係以較為緩慢的速度而被降壓。另外，第1放電電路，從保持壓電驅動電壓之調整所致的流量控制之安定性一點來看，係以設定為50~100msec為理想。

進而，在流量自我診斷時(流量異常診斷時)，若是從中央處理裝置(CPU)10而對於端子14輸入高速降壓指令訊號，則高速降壓指令電路8之電場電晶體FET₄ 係成為ON，而將壓電元件4之施加電壓(充電電壓)通過由電阻R₂ 與高速降壓指令電路8之電場電晶體FET₄ 之間的串聯電路所成的第2放電電路來作放電。亦即是，由高速降壓指令電路8之電晶體和電阻R₂ 所成的第2放電電 路之時間常數，係被設定為=R₂ ×C=47Ω×6.7μF=0.3msec，壓電元件驅動電壓係成為急速的下降。另外，第2放電電路之時間常數，係以越短為越理想，但是，係確認了以設定為0.3msec以下為最適合。

另外，針對通常的流量控制、亦即是針對藉由將對於壓電元件驅動電壓所致之閥開度控制作分擔之降壓指令電路7的第1放電電路之時間常數設為較少而削除了高速降壓指令電路8(亦即是第2放電電路)的電路構成，亦係進行了其之動作確認測試，但是，於此情況時，係判明了：在穩態(steady)之流量控制時的壓電元件驅動電壓係成為缺乏安定性，而產生了在實用上控制困難之狀態。因此，係採用除了穩態之流量控制用的降壓指令電路7以外，亦併設了僅在流量自我診斷時而使用的高速降壓指令電路8的電路構成。

圖2，係為展示：當將本發明之壓電元件驅動電路適用在與先前技術相同之(股份有限公司)FUJIKIN製FCS型壓力式流量控制裝置中的情況時，在與前述之圖6為相同之條件下所測定了的壓力降下特性。如同由圖2亦可明顯得知一般，就算是施加於壓電元件驅動型壓力控制閥1處之氣體供給壓力改變，壓力降下特性曲線亦係成為略為同一之形態，而代表了：藉由將在自我流量診斷之開始時而將壓力控制閥1從全開啟而切換至全關閉時的切換時間縮短(亦即是，將壓電元件驅動電壓之放電時間縮短)，並將壓力控制閥1之關閉時間延遲減少，壓力降下特性係 成為大幅度地被安定化。

又，藉由所測定之壓力降下特性成為安定者一事，必然的，以壓力降下特性之測定值為基礎所計算的流量異常等之診斷結果亦係成為高精確度者，而先前技術之於圖7中所示的供給壓力與診斷結果(%)間的關係，係成為如同圖3一般之狀態。亦即是，供給壓力之變動所致的診斷結果(%)之偏差，係成為被大幅度的作了改善，就算是供給壓力有所改變，診斷結果(%)之值亦成為不會受到影響。

另外，在圖2之壓力降下特性或圖3之診斷結果(%)與供給壓力(KPaG)之關係的測定中所使用了的具備有壓電驅動部1a之壓力式控制閥(壓電元件驅動式常閉型金屬隔膜閥)1，由於係為與在日本特開2005-149075號中所揭示者具備有同一之構造者，因此，在此係省略其之詳細說明。

圖4(A)，係為展示壓電元件驅動電壓之放電狀態的波形圖，曲線F，係為展示放電電路之時間常數R×C為2KΩ×6.7μF=13.4msec的情況，又，曲線N，係為展示當放電電路之時間常數R×C為47Ω×6.5μF=0.3msec的情況。

又，圖4(B)係為上述圖4(A)的部分擴大圖，可以得知，在設置有高速降壓指令電路8之本發明的壓電元件驅動電路5中，閥關閉速度係成為極為高速。

進而，在上述實施形態中，作為切換元件，雖係使用 電場電晶體，但是，不用說，亦可為電場電晶體以外之切換元件。關於控制閥之驅動部，亦為相同，可為壓電元件驅動部以外之驅動部，例如亦可為電磁驅動部，又，壓電元件之種類或構造，亦可為任意。

[產業上之利用可能性]

本發明之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的控制閥用驅動電路，係可適用於其他之各種用途的控制閥中，特別是最適合於作為壓電元件驅動式之高速開閉型流量‧壓力自動控制閥的驅動電路。

1‧‧‧壓力控制閥

1a‧‧‧壓電元件驅動部

2‧‧‧限流孔

3‧‧‧配管路

4‧‧‧壓電元件

5‧‧‧壓電元件驅動電路

6‧‧‧升壓指令電路

7‧‧‧降壓指令電路

8‧‧‧高速降壓指令電路

9‧‧‧壓電電壓訊號反餽電路

10‧‧‧CPU(演算裝置)

11~16‧‧‧輸入端子

17~18‧‧‧對於壓電元件之輸出端子

FCS‧‧‧壓力式流量控制裝置

E‧‧‧電源

M‧‧‧記憶裝置

Qc‧‧‧演算流量

Qs‧‧‧設定流量

ΔQ‧‧‧Qs-Qc

S‧‧‧控制訊號

P₁ ‧‧‧壓力檢測器

T₁ ‧‧‧溫度檢測器

[圖1]展示本發明之壓電元件驅動電路的電路構成之區塊線圖。

[圖2]展示具備有本發明之壓電元件驅動部的壓力式流量控制裝置之壓力降下特性的線圖。

[圖3]展示具備有本發明之壓電元件驅動部的壓力式流量控制裝置之流量自我診斷結果的供給壓力依存特性之線圖。

[圖4](A)係為展示使用有先前技術之壓電驅動部的情況與使用有本發明之壓電驅動部的情況時之壓力控制閥的開閉速度特性之線圖，(B)係為(A)之部分擴大圖。

[圖5]展示先前技術之具備有流量自我診斷功能之壓 力式流量控制裝置的基本構成之區塊線圖。

[圖6]展示當對於壓力式流量控制裝置FCS之壓力控制閥1的氣體供給壓力為相異的情況時之壓力降下特性者。

[圖7]展示供給壓力與流量異常之流量診斷結果的關係之線圖。

[圖8]展示先前技術之壓電元件驅動電路的構成之區塊線圖。

4‧‧‧壓電元件

5‧‧‧壓電元件驅動電路

6‧‧‧升壓指令電路

7‧‧‧降壓指令電路

8‧‧‧高速降壓指令電路

9‧‧‧壓電電壓訊號反餽電路

10‧‧‧CPU(演算裝置)

11、12、13、14、16‧‧‧輸入端子

17、18‧‧‧對於壓電元件之輸出端子

Claims (5)

1. 一種具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路，該流量自我診斷功能，係將預先測定並作了記憶的初期壓力降下特性資料，和在與前述初期壓力降下特定之測定為相同之條件下所測定了的流量診斷時之壓力降下特定資料作比對，並從兩特性資料之差異，來檢測出流量控制之異常，該壓力控制閥用驅動電路，其特徵為：與控制閥之驅動電路並聯地，而分別設置有用以將該控制閥關閉之第1關閉電路、和時間常數為較第1關閉電路更小之第2關閉電路，並且將前述第2關閉電路，作為在前述流量自我診斷時而用以將控制閥作急速關閉的關閉電路。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路，其中，係將壓力控制閥用驅動電路，設為使壓電元件驅動型壓力控制閥動作之壓力控制閥用壓電元件驅動電路，同時，將用以使控制閥急速關閉的第2放電電路之時間常數，設為0.3msec以下，而將該第2關閉電路，設為根據從前述中央處理裝置而來之高速降壓指令訊號，而使施加於前述壓電元件上的壓電元件驅動電壓，通過高速降壓指令電路而急速地放電下降之放電電路。
3. 如申請專利範圍第2項中所記載之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電 路，其中，係將第2放電電路，設為藉由低電阻、和構成經由高速降壓指令訊號的輸入而作導通之高速降壓指令電路的切換元件，此兩者間之串聯電路，而形成之。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路，其中，係將與第2放電電路並聯連接之第1放電電路，設為將根據從壓力式流量控制裝置之中央處理裝置而來之降壓指令訊號而使施加於壓電元件上的壓電元件驅動電壓通過降壓指令電路而放電下降之時間常數，設定成50~100msec之放電電路。
5. 如申請專利範圍第4項中所記載之具備有流量自我診斷功能之壓力式流量控制裝置的壓力控制閥用驅動電路，其中，係將第1放電電路，設為藉由高電阻、和構成經由降壓指令訊號的輸入而作導通之降壓指令電路的切換元件，此兩者間之串聯電路，而形成之。