JP5867517B2 - 流量制御装置及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、流体の流量を制御する流量制御装置及びプログラムに関する。
半導体、液晶パネル等の製造工程で使用される流量制御装置には、流量設定値の変化に対応した高速な流量応答が求められる。そこで、流量設定値の変化に対して速やかに流量を変化させる技術がある(例えば、特許文献1、2、3参照)。
米国特許第7603186号公報 特開2001−147723号公報 特開2012−168822号公報
ところで、流路のバルブを開閉するアクチュエータがピエゾアクチュエータである場合、その圧電素子は電気容量が大きい。そのため、流量設定値の変化に対するピエゾアクチュエータの変位応答は遅く、その結果流量変化の応答も遅れる。
特許文献1に係る技術は、流量をPI制御するためのパラメータを調整する技術であり、ピエゾアクチュエータの変位応答遅れに起因する流量応答を短縮することはできない。特許文献2に係る流量制御方法は、流体が流れ始めるときの電圧よりも僅かに低い初期電圧を圧電素子に印加し、その後速度型PID制御に移行する。そこで、応答を速くするために、特許文献2に係る初期電圧を高くすることが考えられる。しかし、かかる場合、オーバーシュートが発生し、製品の品質が低下する。特許文献3に係る流量制御装置は、バルブの開度の操作量における位相ずれをデジタル演算により補償するものであるが、その応答性は従来の流量制御装置における応答性と変わらない。
本願はかかる事情に鑑みてなされたものである。その目的は、オーバーシュート無しに高速な応答制御を実現することができる流量制御装置及びプログラムを提供することである。
本願に係る流量制御装置は、流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、目標流量を受け付ける受付手段と、流量を前記受付手段が受け付けた目標流量と一致するように変化させるべく、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力する出力手段とを備える流量制御装置において、前記出力手段は、前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、変化後の目標流量に対応する目標電圧値と異なる電圧値に対応する信号を過渡的に出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を出力するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、駆動回路が圧電素子に印加する電圧に対応する信号を駆動回路に出力する出力手段を備えている。出力手段は、受け付けた目標流量が変化したとき、変化後の目標流量に対応する目標電圧値と異なる電圧値に対応する信号を過渡的に出力する。出力手段は、その後変化後の目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を出力する。
本願に係る流量制御装置は、前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、該流量調整弁が閉状態でない場合に該目標流量が変化したときよりも、変化後の目標流量に対応する目標電圧値に対してより大きな振幅を示す電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、流量調整弁が閉状態である場合に受け付けた目標流量が変化したとき、流量調整弁が閉状態でない場合に受け付けた目標流量が変化したときよりも、出力手段は変化後の目標流量に対応する目標電圧値に対してより大きな振幅を示す電圧変化に対応する信号を駆動回路に出力する。
本願に係る流量制御装置は、前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、スパイク状の電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、出力手段は、流量調整弁が閉状態である場合に受け付けた目標流量が変化したとき、スパイク状の電圧変化に対応する信号を駆動回路に出力する。
本願に係る流量制御装置は、前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、変化後の目標流量に対応する目標電圧値よりも高い電圧値までステップ状に立ち上がる電圧変化に対応する信号を出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、出力手段は、流量調節弁が閉状態である場合に受け付けた目標流量が変化したとき、目標流量に対応する電圧よりも高い電圧に向けてステップ状に高速に立ち上がる電圧変化に対応する信号を駆動回路に出力する。
本願に係る流量制御装置は、流路を流れる流体の流量を検出する検出手段と、前記流路を開閉する流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、流体の目標流量を受け付ける受付手段と、該受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する制御手段とを備える流量制御装置において、前記制御手段は、前記偏差に対応する信号を生成する生成手段と、前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数を含む制御要素により、前記生成手段が生成した信号を補償する補償手段とを有し、前記補償手段が補償した信号を前記駆動回路に出力するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、制御手段は、受け付けた目標流量と検出した流量との偏差に対応する信号を生成する。制御手段が有する補償手段は、圧電素子の電気的特性に係る数値及び圧電素子の応答特性に応じた定数を含む制御要素により、生成した信号を補償する。
本願に係る流量制御装置は、前記制御要素は、前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数と、前記圧電素子の応答特性に応じた定数及び前記ゲインを含む第二伝達関数とを有することを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、補償手段に係る制御要素は、第一伝達関数及び第二伝達関数を有する。第一伝達関数は、圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む。第二伝達関数は、圧電素子の電気的特性に係るゲインと、圧電素子の応答特性に応じた定数を含む。
本願に係る流量制御装置は、前記第一及び第二伝達関数は前記駆動回路の電気的特性に係るゲインを含むことを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、第一伝達関数と第二伝達関数とは、駆動回路の電気的特性に係るゲインを含む。
本願に係る流量制御装置は、前記制御要素は、前記制御手段から前記駆動回路へ信号を入力してから、前記圧電素子が前記弁体を作動させるまでの応答に係ることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、補償手段に係る制御要素は、制御手段が駆動回路へ信号を入力してから、圧電素子が弁体を作動させるまでの応答に係る。
本願に係る流量制御装置は、前記制御手段は、前記流量調整弁を閉じる場合、前記駆動回路に対して前記圧電素子に印加させる電圧を、該流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から該流量調整弁を更に閉じる方向に所定電圧Vcだけ異なるようにしてあり、前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号を補償するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、制御手段は、流量制御弁を閉じる場合、駆動回路に対して、圧電素子に印加させる電圧を、流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から流量調整弁を更に閉じる方向へ所定電圧Vcだけ異なるようにしてある。補償手段は、流量調整弁が閉状態である場合に受け付けた目標流量が変化したとき、生成した信号に、所定電圧Vcを重畳する。
本願に係る流量制御装置は、前記駆動回路は前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記制御手段に出力する出力手段を有し、前記制御手段は、前記出力手段が出力した信号に基づいて、前記圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する信号生成手段を有し、前記補償手段は、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、駆動回路は、圧電素子に印加する電圧に対応する信号を制御手段に出力する。制御手段は、駆動回路が出力した信号に基づいて、圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する。補償手段は、生成した信号に所定電圧Vcを重畳した信号及び生成したフィードバック信号を補償する。
本願に係る流量制御装置は、前記第二伝達関数に基づいて、前記Vcに対応する信号を変換する変換手段を備え、前記信号生成手段は、前記出力手段が出力した信号及び前記変換手段が変換した信号を補償することにより、フィードバック信号を生成するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、変換手段は、所定電圧Vcに対応する信号を、第二伝達関数に基づいて変換する。流量制御装置は、駆動回路が出力した信号と、変換手段が変換した信号とを補償することにより、圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する。
本願に係る流量制御装置は、前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号を補償するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、流量制御弁を閉じる場合、駆動回路に対して圧電素子に印加させる電圧は、流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から流量調整弁を更に閉じる方向へ所定電圧Vcだけ異なる。流量制御装置は、このVcを緩和する。補償手段は、流量調整弁が閉状態である場合に受け付けた目標流量が変化したとき、生成した信号に、緩和したVcを重畳する。
本願に係る流量制御装置は、前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、前記変換手段は前記緩和手段が緩和したVcに対応する信号を変換するようにしてあり、前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてあることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、流量制御弁を閉じる場合、駆動回路に対して圧電素子に印加させる電圧は、流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から流量調整弁を更に閉じる方向へ所定電圧Vcだけ異なる。流量制御装置は、このVcを緩和する。変換手段は、緩和したVcに対応する信号を、第二伝達関数に基づいて変換する。流量制御装置は、駆動回路が出力した信号と、変換手段が緩和したVcに対応する信号を変換した信号とを補償することにより、圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する。補償手段は、生成した信号に緩和したVcを重畳した信号及び生成したフィードバック信号を補償する。
本願に係る流量制御装置は、前記圧電素子は積層圧電素子であることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、圧電素子は積層圧電素子である。
本願に係る流量制御装置は、前記流量調整弁は前記流路に設けられた弁口を含み、前記弁体は、前記圧電素子からの押圧で弾性的に変形することにより、前記弁口の周囲に着座可能な板状のダイヤフラムであることを特徴とする。
本願に係る流量制御装置では、弁体は、板状のダイヤフラムである。ダイヤフラムは、圧電素子からの押圧で弾性的に変形することにより、流体が流れる流路に設けられた弁口の周囲に着座する。
本願に係るプログラムは、流量を検出する検出手段と、流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、目標流量を受け付ける受付手段とを備える流量制御装置が有するコンピュータに、前記受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する処理を実行させるプログラムにおいて、前記偏差に基づいて、前記駆動回路に出力する信号を生成し、前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数に基づいて、生成した信号に係る補償計算を実行する処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。
本願に係るプログラムでは、流量制御装置が有するコンピュータに次の処理を実行させる。流量制御装置が受け付けた目標流量と検出した流量との偏差に基づいて、駆動回路に出力する信号を生成する。生成した信号に係る補償計算を、圧電素子の電気的特性に係る数値と圧電素子の応答特性に応じた定数に基づいて、実行する。
本願に係るプログラムは、前記補償計算を実行する処理は、前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数並びに該圧電素子の応答特性に応じた定数及び該ゲインを含む第二伝達関数の比からなる伝達関数により、生成した信号に係る補償計算を実行することを特徴とする。
本願に係るプログラムでは、第一伝達関数は、圧電素子の電気的特区性に係るゲインを含む。第二伝達関数は、圧電素子の電気的特区性に係るゲインと、圧電素子の応答特性に応じた定数とを含む。プログラムは、第一伝達関数と第二伝達関数との比からなる伝達関数により、生成した信号に係る補償計算をコンピュータに実行させる。
本願に係るプログラムは、前記受付手段が受け付けた目標流量が所定値未満から所定値以上に変化した場合、前記信号を生成する処理が生成した信号に所定電圧に対応する信号を加算することを特徴とする。
本願に係るプログラムでは、流量制御装置が受け付けた目標流量が所定値未満から所定値以上に変化した場合、駆動回路に出力する信号に所定電圧に対応する信号を加算する。
本願による開示の一観点によれば、オーバーシュート無しに高速な応答制御を実現することができる。
流量制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。 制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。 流量制御系の一例を示すブロック線図である。 流量制御系の他例を示すブロック線図である。 制御部が実行する処理の手順の一例を示すフローチャートである。 制御部が実行する処理の手順の一例を示すフローチャートである。 バルブ駆動回路の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合におけるアクチュエータの時間応答波形の一例を示す説明図である。 バルブ駆動回路の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合におけるアクチュエータの時間応答波形の一例を示す説明図である。 バルブ駆動回路の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合におけるアクチュエータの時間応答波形の一例を示す説明図である。 バルブ駆動回路の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合におけるアクチュエータの時間応答波形の一例を示す説明図である。 バルブ駆動回路の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合におけるアクチュエータの時間応答波形の一例を実態モデルと規範モデルとについて示した説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量制御系の他例を示すブロック線図である。 流量制御系の他例を示すブロック線図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。 流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。
以下、実施の形態をその図面に基づいて説明する。本実施の形態に係る流量制御装置は、半導体、光ファイバー、太陽電池、液晶パネル、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ、LED(Light Emitting Diode)、食品、化粧品、薬品等の製造に用いられる流量制御装置である。また、本実施の形態に係る流量制御装置は、流体の質量流量を制御する装置でもよいし、流体の体積流量を制御する装置でもよい。以下では、ガス流体の質量流量を制御する流量制御装置(マスフローコントローラ)を例に挙げて、実施の形態を説明する。
なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
実施の形態1
図1は、流量制御装置1のハードウェア構成例を示すブロック図である。流量制御装置1は、製品の製造工程全体を制御する外部のホストコンピュータHと接続されている。流量制御装置1は、流量制御装置1が製品製造装置に供給すべきガスの流量を示す流量設定信号SspをホストコンピュータHから受け付ける。他方、流量制御装置1は、現在流しているガスの流量を示す流量出力信号SgoutをホストコンピュータHに出力する。
流量制御装置1は、流路部(流路)2、センサ部(検出手段)3、制御部(制御手段、コンピュータ)4、バルブ駆動回路(駆動回路、出力手段)5及びバルブ部(流量調整弁)6を含む。
センサ部3は、流路部2が取り込んだガスの流量を検出する。制御部4は、センサ部3が検出したガスの流量値と流量設定信号Sspが示す流量設定値とを比較し、実際の流量値が設定流量値(目標流量値)になるように出力信号Soutをバルブ駆動回路5に出力する。バルブ駆動回路5は、出力信号Soutを入力し、入力した出力信号Soutに基づいて、バルブ部6を駆動するバルブ駆動信号Spztをバルブ部6に出力する。バルブ部6は、バルブ駆動信号Spztを入力し、入力したバルブ駆動信号Spztに基づいて、流路部2を流れるガスの流量を調整する。
流量制御装置1において、制御部4は、流量設定値及びセンサ部3が検出した流量に基づいて、バルブ部6をフィードバック制御することにより、流路部2を流れるガスの流量を制御する。
流路部2は、例えばステンレススチールにより形成された管状のガス通路である。流路部2の上流側には、ガスを流路部2に供給するガス管Gが接続されている。流路部2の下流側には、ガスを製品製造装置に供給するガス管Gが接続されている。
センサ部3は、バイパス群31、センサ管32、コイル31R、32R、センサ回路33及び圧力検出部34を含む。
バイパス群31は、束ねられた複数のバイパス管からなり、流路部2の上流側に設けられている。センサ管32は、バイパス群31を迂回するように、バイパス群31の両端に設けられたステンレススチール製の毛細管である。センサ管32は、バイパス群31を流れるガスに対して少量の一定比率のガスを流すように構成されている。これにより、センサ管32には、流路部2を流れる全ガス流量に対して一定比率のガスが供給される。
コイル31R及びコイル32Rは、夫々センサ管32の上流部分と下流部分とに巻回された一対の発熱抵抗線であり、直列に接続されている。コイル31R及びコイル32Rに電流を流した場合、コイル31R及びコイル32Rは発熱する。センサ管32にガスが流れていない場合、コイル31R及びコイル32Rの温度は、共に同じ温度でバランスする。一方、センサ管32にガスを流した場合、コイル31Rはガスにより熱を奪われ、ガスはコイル31Rにより加熱される。コイル32Rには、上流側で加熱されたガスから熱が与えられる。そのため、コイル31R及びコイル32Rには、ガスの流量に比例した温度変化又は温度差が生じる。
センサ回路33は、コイル31R及びコイル32Rの温度変化又は温度差を電気信号に変換するブリッジ回路、当該ブリッジ回路が変換した電気信号を増幅する増幅回路等を有する。センサ回路33は、増幅後の流量を示すアナログ流量信号Sqcを制御部4に出力する。
圧力検出部34は、例えば圧力トランスデューサである。圧力検出部34は、所定時間間隔で流路部2を流れるガスの圧力値をサンプリングし、サンプリングしたガスの圧力値を圧力検出信号Svに変換する。圧力検出部34は、変換した圧力検出信号Svを制御部4に出力する。圧力検出部34が出力する圧力検出信号Svは、制御部4が制御定数等を決定する際に、利用される。
なお、制御部4が流量制御に圧力検出信号Svを利用しない場合、圧力検出部34はなくてもよい。
制御部4は、コンピュータを含み、センサ部3からアナログ流量信号Sqc及び圧力検出信号Svを受け付ける。また、制御部4は、ホストコンピュータHから流量設定信号Sspを受け付ける。制御部4は、現在流れている流量を示す流量出力信号Sgoutとして、アナログ流量信号SqcをホストコンピュータHに出力する。また、制御部4は、アナログ流量信号Sqcが示す流量と流量設定信号Sspが示す流量とが一致するように、バルブ部6を操作すべく、バルブ駆動回路5に出力信号Soutを出力する。
バルブ駆動回路5は、バルブ部6の弁を駆動する回路である。バルブ駆動回路5は、制御部4から出力信号Soutを入力し、入力した出力信号Soutを増幅することにより、バルブ駆動電圧を発生させる。バルブ駆動回路5は、発生させたバルブ駆動電圧をバルブ部6に印加する。バルブ駆動電圧の高低により、バルブ部6の弁開度は調整される。
なお、バルブ駆動信号Spztは、バルブ駆動電圧に応じた信号である。
バルブ駆動回路5は、バルブ駆動信号Spztを制御部4に出力してもよいし、出力しなくてもよい。
バルブ駆動回路5がバルブ駆動信号Spztを制御部4に出力する場合、制御部4はバルブ駆動回路5からバルブ駆動信号Spztを受け付ける。制御部4は、受け付けたバルブ駆動信号Spztを流量のフィードバック制御に利用する。
バルブ部6は、ケース60、アクチュエータ(圧電素子)61、規制部材62、ばね座63、コイルばね64、弁棒65、球体66、スラストボタン67、ダイヤフラム(弁体)68及び弁口69を含む。ただし、バルブ部6を組み立て可能とするための分割構造の図示は省略する。
ケース60は、バルブ部6の各構成部を収納する箱である。ケース60は、センサ部3よりも下流側の流路部2上面に設けられており、ケース60の底部は流路部2と接合されている。ケース60の底部には、流体が流通可能な空間が設けられている。ケース60の底面には、2つの開口が開設されており、1つの開口は、バイパス群31を通過したガスがケース60底部の空間に流入する開口である。もう1つの開口は、ケース60底部の空間からガスが流路部2に流出する開口である。後者の開口は、バルブ部6の弁口69を構成している。
弁口69と対向するケース60内には、上から下に向かって順にアクチュエータ61、規制部材62、ばね座63、コイルばね64、弁棒65、球体66、スラストボタン67及びダイヤフラム68が配設されている。
アクチュエータ61は、例えば積層圧電素子(ピエゾ素子)である。積層圧電素子は、多数のPZTセラミック円板を積層した構造をなす。積層圧電素子は、高いバルブ駆動電圧が印加された場合、積層方向に伸長し、低いバルブ駆動電圧が印加された場合、積層方向に収縮する。すなわち、アクチュエータ61は、印加されるバルブ駆動電圧によって、上下方向に機械的に伸縮する。
規制部材62は、アクチュエータ61の下向きの変位を阻止する部材である。ばね座63は、規制部材62に装着されており、コイルばね64を保持する。弁棒65は、ケース60とアクチュエータ61との間に形成された円筒状の部材である。弁棒65は、アクチュエータ61の伸縮により、ケース60の内面に設けられたガイドに沿って昇降するように構成されている。コイルばね64は、上側の規制部材62と下側の弁棒65の底面との間の空間に収容されている。コイルばね64は、弁棒65を下方に付勢するらせん状のばねである。
弁棒65の底面の外面には、下向きの浅い凹部が形成されている。スラストボタン67は、その上面に上向きの浅い凹部が形成された金属製の台である。球体66は、弁棒65の凹部とスラストボタン67の凹部との間に収納される球である。弁棒65、球体66及びスラストボタン67は、剛的に連続し、上側のアクチュエータ61の機械的伸縮による力を下側のダイヤフラム68に伝達する。球体66は、ダイヤフラム68に伝達する上下方向の力が一箇所に偏在しないようにする機能を有している。
ダイヤフラム68は、弾性変形可能な金属製の平板である。ダイヤフラム68の周端部は、ケース60の内壁に遊嵌されており、柔軟に移動可能に構成されている。ダイヤフラム68の直下には、ガスが流通可能な弁口69が配置されている。弁口69の周囲は、バルブ部6の弁座に該当する。
アクチュエータ61の積層圧電素子に電圧を印加しない場合、弁棒65はコイルばね64からの押圧力により押し下げられ、ダイヤフラム68は下向きに撓むように弾性変形する。弾性変形したダイヤフラム68は、弁座に着座し、弁口69を閉じる。その際、バルブ部6の閉状態が維持されるように、コイルばね64のばね荷重は選定されている。一方、アクチュエータ61の積層圧電素子に電圧を印加した場合、積層圧電素子は積層方向に伸長する。伸長した積層圧電素子の下向きの変位は規制部材62に阻止されるため、積層圧電素子は上方に伸びる。これにより、弁棒65の上端部が積層圧電素子により上向き方向に押されるので、弁棒65が上昇し、ダイヤフラム68は球体66及びスラストボタン67を介してコイルばね64の圧縮力から解放される。コイルばね64の圧縮力から解放されたダイヤフラム68は、自身の復元力により元の形状に戻ろうとすることにより、ダイヤフラム68と弁座との間に隙間ができ、弁口69が解放される。
つまり、ダイヤフラム68と弁口69との間隔は、アクチュエータ61の伸縮及び弁棒65の昇降に伴い変化する。アクチュエータ61に印加するバルブ駆動電圧を低くした場合、アクチュエータ61は収縮し、弁棒65は下降する。そして、ダイヤフラム68と弁口69との間隔は狭くなり、流路部2を流れるガスの流量は減少する。一方、アクチュエータ61に印加するバルブ駆動電圧を高くした場合、アクチュエータ61は伸長し、弁棒65は上昇する。そして、ダイヤフラム68と弁口69との間隔は広くなり、流路部2を流れるガスの流量は増大する。
上述で説明したバルブ部6は、積層圧電素子に電圧を印加していない場合に弁を閉じるノーマリークローズである。しかし、バルブ部6は、積層圧電素子に電圧を印加していない場合に弁を開くノーマリーオープンであってもよい。以下では、バルブ部6は、ノーマリークローズであるものとする。
図2は、制御部4のハードウェア構成例を示すブロック図である。制御部4は、CPU(Central Processing Unit)(出力手段、補償手段、生成手段、変換手段)41、RAM(Random Access Memory)42及びROM(Read Only Memory)43を含む。また、制御部4は、タイマ44、入出力インタフェース(受付手段)45及びAD/DA変換部46を含む。CPU41、RAM42、ROM43、タイマ44、入出力インタフェース45及びAD/DA変換部46は、相互にバス4bで接続されている。
CPU41は、流量制御装置1の各構成部を制御する。CPU41は、ROM43に記録されたプログラム1Pを読み込み、当該プログラム1Pを実行する。なお、CPU41は、制御部4が備えるプロセッサの一例であり、MPU(Micro Processor Unit)がCPU41を代替してもよい。
RAM42は、例えばSRAM(Static RAM)、DRAM(Dynamic RAM)等であり、CPU41が実行する処理の過程で必要な作業変数、データ等を一時的に記録する。なお、RAM42は主記憶装置の一例であり、RAM42の代わりにフラッシュメモリ、メモリカード等が用いられてもよい。
ROM43は、例えば不揮発性の半導体メモリ又は半導体メモリ以外の読み出し専用記憶媒体である。ROM43は、CPU11が実行するプログラム1Pを記録している。ROM43は、流量制御装置1内部に取り付けられるものであっても、流量制御装置1外部に設置されるものであってもよい。
タイマ44は、日時を計時し、計時した結果をCPU41に出力する。CPU41は、タイマ44から受け付けた日時に基づいて、例えばプログラム1Pに基づく割り込み処理を実行する。
入出力インタフェース45は、ホストコンピュータH、センサ部3及びバルブ駆動回路5と信号又は情報を送受信するためのデジタル入出力ポートを有するインタフェースである。なお、入出力インタフェース45は、外部のディスクドライブ装置と接続することもできる。また、入出力インタフェース45は、LAN(Local Area Network)、WAN(Wide Area Network)、インターネット等のネットワークと接続する機能も有している。
AD/DA変換部46は、センサ部3及びバルブ駆動回路5から受け付けたアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を入出力インタフェース45に出力する。また、AD/DA変換部46は、入出力インタフェース45から受け付けたデジタル信号をアナログ信号に変換し、変換したアナログ信号(例えば、出力信号Sout)をバルブ駆動回路5に出力する。
なお図2に示すように、流量制御装置1を動作させるためのプログラム1Pは、ディスクドライブ装置を介して光ディスク4aから読み込まれてもよい。あるいは、図2に示すように、プログラム1Pは、入出力インタフェース45及びネットワークを介して外部の情報処理装置又は記録装置から読み込まれてもよい。さらに、図2に示すように、プログラム1Pを記録したフラッシュメモリ等の半導体メモリ4cが、制御部4内に実装されていてもよい。
図3は、流量制御系の一例を示すブロック線図である。ここでの流量制御系は、制御部4を中心とし、センサ部3、バルブ駆動回路5及びバルブ部6の構成要素又は制御要素を含む。なお、図3において、制御部4は破線で囲まれた範囲の要素群に対応する。流量制御装置1の制御部4は図2に示したコンピュータであるが、図3はコンピュータの機能を回路が代替した場合について示している。
図3の右上に示す流量Qmfは、コイル31R、32Rにより温度変化量又は温度差として検出される。コイル31R、32Rが検出した温度変化量又は温度差は、センサ回路33に含まれるブリッジ回路で電気信号に変換され、かつ増幅回路で増幅された流量センサ信号Vfsとなる。信号は電圧と対応関係にあり、以下では信号をVで表す。
流量センサ信号Vfsは、アナログ入力回路71で所定のアナログ処理が施され、アナログ流量信号Vqcとなる。アナログ流量信号Vqcは、流量センサ信号Vfsの周波数特性によって高い周波数の成分が大きく減衰した信号であり、デジタル信号補正回路81によりこの減衰分が補償されてデジタル流量信号Vqdとなる。
なお、コイル31R、32Rの検出特性は秒単位の大きな時定数を有するため、流量センサ信号Vfsは、アナログ入力回路71及びデジタル信号補正回路81により周波数特性が補正される。これにより、流量制御の応答性が速くなる効果を奏する。
アナログ入力回路71は、センサ部3に含まれてもよいし、制御部4に含まれてもよい。
デジタル流量信号Vqdは、図3左上の加え合わせ点(生成手段)A1において、流量設定信号Vspと比較され、流量偏差信号Veとなる。流量偏差信号Veは、PI補償器82によって比例積分補償が施され、加え合わせ点A2への入力信号Vpiとなる。
ところで、図3の流量制御系では、バルブ部6のアクチュエータ61に印加されるバルブ駆動電圧がフィードバック制御に用いられている。加え合わせ点A2は、バルブ駆動電圧に係るフィードバック制御系の入力側に位置する比較部に該当する。バルブ駆動電圧は、アクチュエータ61を構成する積層圧電素子の端子に印加される電圧であることから、以下ではバルブ駆動電圧を端子電圧Vpztとも呼ぶ。
端子電圧Vpztは、ゲインKmonを有するアナログ入力回路72で検出かつ低減され、端子電圧信号Vmonに変換される。端子電圧信号Vmonは、アクチュエータ61に係る積層圧電素子の応答に対応する。
なお、アナログ入力回路72は、バルブ駆動回路5に含まれてもよいし、制御部4に含まれてもよい。また、アナログ入力回路72は、各種アナログ処理を実行するフィルタを備えていてもよい。
端子電圧信号Vmonは、加え合わせ点A3及び伝達関数Gaf(s)(信号生成手段)を有する電圧フィードバック補償器83を経て、電圧フィードバック信号となる。そして、電圧フィードバック信号は、加え合わせ点A2に入力される。
流量制御系は、流量設定信号Vspが示す流量設定値が0である場合、入力信号Vpiから電圧フィードバック信号を減算した信号を操作量信号Vuとする。
一方、流量制御系は、流量設定信号Vspが示す流量設定値が0でない場合、不感帯補償信号Vc及び入力信号Vpiの和から電圧フィードバック信号を減算した信号を操作量信号Vuとする。端子電圧Vpztには、完全にバルブ部6の弁が閉じた状態に対応する電圧と、バルブ部6の弁が開閉境界状態である場合に対応する電圧とがあり、これらの電圧の差に該当する電圧を不感帯補償電圧と呼ぶ。不感帯補償信号Vcは、不感帯補償電圧に対応する信号である。
流量制御装置1は、流量設定値が0である場合、バルブ部6の弁を閉じる。その際、流量制御装置1は、バルブ部6の弁が閉じた状態を確実にするため、閉じる方向へ弁に対して圧力を加えている。そのため、流量制御装置1は、流量設定値が0である場合、弁が開閉境界状態となる端子電圧Vpztよりもさらに弁を閉じる方向に端子電圧Vpztをオフセットさせる。しかし、流量設定値が0でない場合、流量制御装置1は開閉境界状態を飛び越えて流量設定値に対応する弁開度まで、バルブ部6の弁を開く必要があるため、入力信号Vpiと電圧フィードバック信号との差に不感帯補償信号Vcが加えられた信号が操作量信号Vuとなる。
流量制御系は、伝達関数Grf(s)(変換手段)84で不感帯補償信号Vcを処理した補正信号Vrfを加え合わせ点A3に入力する。そして、流量制御系は、端子電圧信号Vmonから補正信号Vrfを減算した信号を電圧フィードバック補償器83に入力する。
流量制御系は、上述の処理で得た操作量信号Vuを伝達関数Gff(s)(補償手段)85により修正し、修正操作量信号Vffを生成する。
流量制御系は、流量設定値が0である場合、バルブ駆動回路5がバルブ部6に印加する電圧が0Vになるようにバルブ駆動回路5へ入力する電圧値に対応する電圧信号Voutintを、バルブ駆動回路5へ入力する出力信号Voutに設定する。一方、流量制御系は、流量設定値が0でない場合、Voutintと修正操作量信号Vffとを加え合わせ点A4で加算し、加算した信号をバルブ駆動回路5へ入力する出力信号Voutに設定する。
なお、制御部4がコンピュータを含んで構成される場合、図3には図示されていないAD/DA変換部46がバルブ駆動回路5の入力側に位置し、出力信号Voutは、AD/DA変換部46がバルブ駆動回路5に出力する信号に該当する。
図4は、流量制御系の他例を示すブロック線図である。図4において、図3と異なる部分は、バルブ部6に印加される端子電圧Vpztからの電圧フィードバックに係る信号ループがないことである。図4の流量制御系は、図3の流量制御系における電圧フィードバック補償器83の伝達関数Gaf(s)を0とした場合の流量制御系に該当する。流量制御装置1における流量制御系は、図3の流量制御系でもよいし、図4の流量制御系でもよい。
次に、制御部4における伝達関数モデルについて説明する。
アクチュエータ61を駆動するバルブ駆動回路5において、出力信号Voutから端子電圧Vpztまでの応答は、1次遅れ系の応答に類似している。しかし、バルブ駆動回路5における応答は、単なる1次遅れ系の応答とは異なり、2つの1次遅れ系による応答を重ね合わせたモデルによって近似することができる。以下、出力信号Voutから端子電圧Vpztまでの伝達特性を、2つの1次遅れ系を重ね合わせたモデルで表し、当該モデルを実態モデルと呼ぶ。実態モデルの伝達特性は、次の(1)式で表される。
Figure 0005867517
Vpzt(s)は、端子電圧である。Vout(s)は、出力信号Voutに対応する出力電圧である。Kpzt は、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に係る積層圧電素子の電圧ゲインである。K1#pzt 、K2#pzt は、夫々2つの1次遅れ伝達関数のゲインである。T1#pzt 、T2#pzt は、夫々2つの1次遅れ伝達関数の時定数である。K1#pzt 及びK2#pzt の間には、次の(2)式の関係がある。
Figure 0005867517
実態モデルは、(1)式の右辺かっこ内の2つの一次遅れ項により、従来の単一の一次遅れ項に比べてモデルの精度が高い。
(1)式の実態モデルにおける応答特性に係る伝達関数(第一伝達関数)は、次の(3)式で表される。
Figure 0005867517
(3)式の応答特性は、流量制御系全体の応答特性を左右する。(3)式の応答特性が遅い場合、流量制御系の応答を限界付ける要因となる。
一方ここで、アクチュエータ61に係る積層圧電素子が望ましい高速応答性を示す伝達関数を、一次遅れ要素として表現するモデルを与える。以下、このモデルを規範モデルと呼ぶ。規範モデルの伝達関数(第二伝達関数)は、次の(4)式で表される。
Figure 0005867517
ゲインKpzt は、実態モデルのゲインKpzt と同じであり、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に係る積層圧電素子の電圧ゲインに応じた定数である。時定数Tpzt は、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に係る積層圧電素子の望ましい応答性に応じて指定される変数である。例えば、時定数Tpzt に短い値を設定することにより、Gpzts(s)の応答特性は速くなる。
なお、ゲインKpzt はアクチュエータ61に係る積層圧電素子のみの電圧ゲインに応じた定数でもよく、時定数Tpzt sはアクチュエータ61に係る積層圧電素子のみの望ましい応答性に応じた変数でもよい。
次に、積層圧電素子の応答を向上させるために、実態モデル及び規範モデルに基づいて、図3における2つの伝達関数Gff(s)85、Grf(s)84を、夫々次の(5)式、(6)式で表す。
Figure 0005867517
2つの伝達関数Gff(s)85、Grf(s)84を、夫々(5)式、(6)式のように設定することで、積層圧電素子の応答遅れを打消し、(4)式の望ましい応答を実現することができる。
図3のブロック線図において、バルブ駆動回路5の伝達関数を(3)式、アナログ入力回路72のゲインをKmon、電圧フィードバック補償器83の伝達関数をGaf(s)とした場合、入力信号Vpi及び不感帯補償信号Vcから端子電圧Vpztまでの伝達特性は、次の(7)式で表される。なお、流量設定値が0である場合、アクチュエータ61の積層圧電素子に印加する電圧に対応する電圧信号Voutintは、流量制御系の動特性に影響しないため、(7)式を導出する計算から除いている。
Figure 0005867517
ここで、Gaf(s)=0とした場合、(7)式は、次の(8)式で表される。
Figure 0005867517
(8)式より、積層圧電素子は、印加電圧が0Vの初期状態からでも、規範モデルで定まる高速な応答特性をもって立ち上がることがわかる。
また、(7)式において、Gaf(s)に0ではない適当な伝達関数を与えた場合、積層圧電素子の応答特性を調整することができることがわかる。
なお、(7)式の右辺における第一項の成分は、流量設定値がある値から別の値へ変化した場合、流量設定値の変化に追従して所要の弁開度に対応する値へ変化する。この第一項の成分に対応する過渡応答の時間波形は、ダイヤフラム68を駆動する積層圧電素子の応答を加速する方向にオーバーシュートした後、変化後の流量設定値に対応した弁開度の値へと収束する波形となる。他方、(7)式の右辺における第二項の成分に対応する過渡応答の時間波形は、流量設定値が0から0以外の値へ変化した場合、スパイク状の信号を生成し、その後は流量設定値によらない一定値に収束する波形となる。
次に、上述の制御方式をデジタル制御系に実装するための処理について説明する。
(5)式のGff(s)85は、次の(9)式となる。
Figure 0005867517
デジタル制御系への実装に際しては、(7)式の処理を離散化し、次の漸化式(10)で同様な応答特性を実現することができる。ただし、時間がtである場合、修正操作量信号vffの値をvff[t]と表す。他の変数についても同様である。漸化式(10)の演算はサンプル周期Tsで行われるため、初期時刻を0とした場合、tの値はTsの整数倍となる。サンプル周期Tsは、例えば2msである。
Figure 0005867517
一方、(6)式のGrf(s)84については、次の(11)式となる。
Figure 0005867517
デジタル制御系への実装に際しては、(11)式の処理は、次の漸化式(12)で同様な応答特性を実現することができる。
Figure 0005867517
また、制御部4は、バルブ部6の弁を確実に閉じるための圧力をダイヤフラム68に与えるために、流量設定値が0か0以外の値かに応じて流量制御を切り替える。制御部4は、流量設定値が0か0以外の値かに応じて、バルブ駆動回路5に対する出力信号vout に対して、積層圧電素子への印加電圧が0Vとなる電圧信号voutint又は電圧信号voutintに修正操作量信号vffを加算した信号を設定する。
Figure 0005867517
vspは、流量設定信号である。
また、制御部4は、流量設定値が0以外の値である場合、端子電圧vpzt に基づく電圧フィードバック信号を考慮した操作量信号vu に対して、バルブ部6の弁の与圧に必要な不感帯に相当する一定電圧値の信号vc (=voutthd−voutint)を加算する。
Figure 0005867517
voutthdは、積層圧電素子への印加電圧が開閉境界電圧となる信号である。これにより、制御部4における入出力信号間の線形性が保持され、小流量から大流量まで一様な流量制御特性が得られる。従って、Grf(s)は、制御部4における入出力信号間の線形性保持に有用である。
以上では、規範モデルに持たせる伝達関数を(4)式で表した一次遅れ要素とした。しかし、規範モデルが有する伝達関数は、一次遅れ要素に限定されるものではなく、例えば2次遅れ要素であってもよいことは勿論である。かかる場合、積層圧電素子の大きな電気容量に鑑み、例えば2次遅れ要素の固有角周波数ωに大きな値を設定する。
図5及び図6は、制御部4が実行する処理の手順の一例を示すフローチャートである。図5及び図6は、図3の破線範囲内に該当する回路の機能をコンピュータを含む制御部4が実行する場合の割り込みルーチン処理を示している。
CPU41は、タイマ44から受け付けた日時に基づいて、一定周期Tsで割り込み処理を発生させ、図5及び図6に示す処理を繰り返し実行する。
CPU41は、入出力インタフェース45及びAD/DA変換部46を介して、センサ部3から流量信号を受け付ける(ステップS101)。当該流量信号は、アナログ流量信号vqcをデジタル変換した信号である。CPU41は、受け付けた流量信号に対して、デジタルフィルタ処理により周波数特性を補正し、デジタル流量信号vqdを算出する(ステップS102)。
CPU41は、入出力インタフェース45を介してホストコンピュータHから流量設定信号vspを受け付ける(ステップS103)。CPU41は、流量設定信号vspとデジタル流量信号vqdとから流量偏差信号ve を算出する(ステップS104)。CPU41は、算出した流量偏差信号ve に対して比例積分補償の計算を実行することにより、入力信号vpiを算出する(ステップS105)。
CPU41は、不感帯補償信号vc に0を設定する(ステップS106)。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0か否かを判定する(ステップS107)。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0であると判定した場合(ステップS107:YES)、ステップS109に処理を進める。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0でないと判定した場合(ステップS107:NO)、不感帯補償信号vc を、voutthdとvoutintとの差に修正する(ステップS108)。
なお、voutintは、積層圧電素子への印加電圧が0Vとなる出力信号vout である。voutthdは、積層圧電素子への印加電圧が開閉境界電圧となる出力信号vout である。
CPU41は、設定又は修正した不感帯補償信号vc に基づいて、伝達関数Grf(s)84に対応するデジタルフィルタ計算を実行することにより、補正信号vrfを生成する(ステップS109)。CPU41は、バルブ駆動回路5から端子電圧信号vmon を受け付ける(ステップS110)。CPU41は、受け付けた端子電圧信号vmon から、生成した補正信号vfrを減算する(ステップS111)。CPU41は、ステップS111で減算により求めた信号に基づいて、電圧フィードバック補償器83が有する伝達関数Gaf(s)に対応する計算を実行することにより、電圧フィードバック信号を生成する(ステップS112)。
CPU41は、ステップS105で算出した比例積分補償出力である入力信号vpiに対して不感帯補償信号vc を加算し、かつステップS112で生成した電圧フィードバック信号を減算することにより、操作量信号vu を算出する(ステップS113)。CPU41は、操作量信号vu に対して、伝達関数Gff(s)85に対応する計算を実行することにより、応答遅れを補償する修正操作量信号vffを算出する(ステップS114)。
次に、CPU41は、AD/DA変換部46から出力され、バルブ駆動回路5に入力される出力信号vout を設定する。まずCPU41は、出力信号vout に端子電圧vpzt が0Vとなる場合に相当する電圧信号voutintを設定する(ステップS115)。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0か否かを判定する(ステップS116)。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0であると判定した場合(ステップS116:YES)、ステップS118に処理を進める。CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0でないと判定した場合(ステップS116:NO)、出力信号vout に修正操作量信号Vffを加算する(ステップS117)。CPU41は、出力信号vout をAD/DA変換部46から出力し(ステップS118)、処理を終了する。
なお、端子電圧vpzt を流量制御系のフィードバック制御に利用しない場合、図5及び図6におけるステップS109からステップS112までの処理は、削除される。また、端子電圧vpzt を流量制御系のフィードバック制御に利用しない場合、CPU41は、ステップS113において、算出した比例積分補償出力である入力信号vpiに対して不感帯補償信号vc を加算することにより、操作量信号vu を算出する。
ステップS107及びステップS116において、CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が0か否かを判定した。しかし、CPU41は、流量設定信号vspに対応する流量設定値が所定値以下か否かを判定し、その判定結果に基づいて、その後の処理を実行してもよい。
次に、流量制御装置1の動作について説明する。
図7A、図7B、図7C及び図7Dは、バルブ駆動回路5の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合における積層圧電素子の時間応答波形の一例を示す説明図である。図7A、図7B、図7C及び図7Dは、夫々流量設定値がその最大値の2%、20%、40%及び100%に変化した場合における積層圧電素子の応答波形を示している。実線は、実測した応答波形である。破線は、実態モデルの応答波形である。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける横軸は時間であり、単位は秒である。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける縦軸は、バルブ駆動回路5からの出力電圧である端子電圧VpztにゲインKmonを乗じた電圧であり、単位はボルトである。図7A、図7B、図7C及び図7Dにおける実態モデルの各定数値は、例えば以下の通りである。
Kpzt =44.3
K1_pzt =2.15/3.6=0.694、T1_pzt =0.158
K2_pzt =1.45/3.6=0.306、T2_pzt =0.044
図7A、図7B、図7C及び図7Dより、実態モデルは各流量設定値に対して、実測されたアクチュエータ61の応答特性をよく再現していることがわかる。
図8は、バルブ駆動回路5の入力端子にステップ状の入力波形に応じた電圧を印加した場合における圧電素子の時間応答波形の一例を実態モデルと規範モデルとについて示した説明図である。図8の横軸及び縦軸は、夫々図7の横軸及び縦軸と同じである。規範モデルのパラメータである時定数Tpzt については、
Tpzt =00.12
としてある。実線は、規範モデルの応答波形である。破線は、実態モデルの応答波形である。実態モデルよりも規範モデルの方が格段に速い応答を示していることが図8からわかる。
図9A、図9B、図10A、図10B、図11A及び図11Bは、流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。図9A〜図11Bの横軸は、時間であり、単位は秒である。図9A〜図11Bの縦軸は、信号であり、単位はボルトである。
図9A、図10A及び図11Aにおいて、細い実線は、流量設定信号Vspのステップ波形である。破線は、端子電圧Vpztに比例する端子電圧信号Vmonの応答波形である。太い実線は、デジタル流量信号Vqdの応答波形である。端子電圧信号Vmonの応答波形は、アクチュエータ61に係る積層圧電素子の応答に対応する。デジタル流量信号Vqdの応答波形は、制御の結果、実際に流路部2を流れる流量の応答に対応する。
図9B、図10B及び図11Bにおける太い実線は、AD/DA変換部46からの出力信号Voutすなわちバルブ駆動回路5への入力信号の応答波形である。なお、図9B、図10B及び図11Bにおける縦軸のVout1は、流量設定信号Vspが2Vを示す場合にバルブ駆動回路5へ入力される出力信号Voutの定常値である。
図9A、図9B、図10A、図10B、図11A及び図11Bは、流量制御系における構成要素の差による応答波形の差異を示している。図9A及び図9Bは、比例積分制御の構成要素のみからなる流量制御系による応答波形を示している。図10A及び図10Bは、比例積分制御に加えて、バルブ部6の弁が閉じた状態からの立ち上がり時に不感帯補償電圧をバルブ部6に印加する場合の流量制御系による応答波形を示している。図11A及び図11Bは、比例積分制御及び不感帯補償電圧による制御に加えて、操作量信号Vuに対して伝達関数Gff(s)85により応答遅れを補償する計算を実行した場合の応答波形を示している。すなわち、図11A及び図11Bは、実施の形態1に係る流量制御装置1による応答波形を示している。
図9A、図10A及び図11Aにおけるデジタル流量信号Vqdの応答波形に注目した場合、図9Aでは無反応時間は0.2秒程度であり、その後流量設定値に到達するのに0.7秒程度を要している。デジタル流量信号Vqdが立ち上がりに0.7秒程度を要している理由の一つは、バルブ部6の弁を開閉境界状態にするまでに、弁に加えた与圧を取り除くのに時間がかかっているためである。
図10Aでは、デジタル流量信号Vqdの無反応時間は0.15秒程度であり、その後流量設定値に到達するのに0.7秒程度を要している。図10Aの無反応時間は、図9Aの無反応時間よりも多少短縮されている。これは、不感帯補償電圧によりバルブ部6の弁を開閉境界状態まで一気に開いたためと考えられる。しかし、更に無反応時間を短縮するため、不感帯補償電圧を高くした場合、オーバーシュートが発生する。他方、オーバーシュートを抑えるために、不感帯補償電圧を低くした場合、応答が遅くなるというジレンマがある。
図11Aでは、デジタル流量信号Vqdの無反応時間は0.1秒以下に短縮され、その後流量設定値に到達する時間は0.2秒程度に短縮されている。図11Aに対応する流量制御装置1において、バルブ部6の弁は、開閉境界状態までより高速に開いている。それと同時に、デジタル流量信号Vqdは、オーバーシュート無しに流量設定値に対応する値により高速に到達している。
図9B、図10B及び図11Bを比較した場合、出力信号Voutが定常値のVout1に到達する時間は、図9B及び図10Bでは0.25秒程度である。図9Bの波形と図10Bとの波形を比較した場合、図10Bの方が、0秒直後の立ち上がり電圧は高い。これは、不感帯補償電圧の効果が波形となって表れているためと考えられる。
一方、図11Bの場合、出力信号Voutが定常値のVout1に到達する時間はたいへん短く、出力信号Voutは立ち上がりから0.2秒乃至0.25秒後にはVout1に収束している。この出力信号Voutの変化が図11Aに見られる高速応答を実現している。
図11Bにおける立ち上がり直後の応答波形は、流量設定値がステップ状に増加した場合、スパイク状に突出している。これは、(7)式の右辺第二項が規範モデルにおける短い時定数Tpzt sで減衰するスパイク状の信号を生成するためである。これにより、端子電圧Vpztの立ち上がりが加速され、不感帯の通過に費やされる無反応時間が短縮される。すなわち、図11Aにおけるデジタル流量信号Vqdの無反応時間の短縮は、(7)式の右辺第二項の作用に係る。
図11Bにおけるスパイク状の信号は、電気容量が大きい積層圧電素子に対して短時間に大きな電流が供給されることを示しており、開閉境界状態まで一気に開くバルブ部6の弁の動作に対応する。
図11Bにおいて、スパイク状の応答波形が減衰した後の0.07秒付近に、肩状の小さなピークが見える。これは、(7)式の右辺第一項が流量設定値の変化に応じて応答を促進する方向にオーバーシュートする信号を生成するためである。これにより、図11Aにおける端子電圧信号Vmon及びデジタル流量信号Vqdは、新たな流量設定値に対応する値にすばやく到達する。すなわち、図11Aの立ち上がり時における端子電圧信号Vmon及びデジタル流量信号Vqdの波形に見られる急な勾配は、(7)式の右辺第一項の作用に係る。
図11Bにおける小さなオーバーシュートは、積層圧電素子に対して大きいが、過剰でない電流を供給することにより、開閉境界状態から所望の弁開度まで急速に開くバルブ部6の弁の動作に対応する。図11Bにおける波形は、急速に一定値に収束する。これにより、流量制御装置1は、バルブ部6の弁が所望の弁開度よりも開きすぎることを抑制している。
積層圧電素子に流れる電流の波形は、図11Bの波形と相関する形状又は略相似形である。図11Bのスパイク状の応答波形に対応する大量の電流が積層圧電素子に流れ込むことにより、積層圧電素子は高速に応答を開始する。また、図11Bのオーバーシュートの応答波形に対応する電流が積層圧電素子に流れ込むことにより、積層圧電素子は立ち上がり時から急速に伸縮する。
なお、流量制御装置1は、流量設定値がステップ状に減少した場合にも図11と類似の応答波形を示す。かかる場合、縦軸の信号における変動方向が逆になるが、上述と同様の効果を奏する。
流量制御装置1はプログラム1Pに基づくデジタル制御により流量を制御するが、伝達関数を構成するアナログ回路で制御部4を置き換えてもよい。かかる場合も、上述と同様の効果を奏する。
実施の形態1では、流量偏差信号Veに対してPI制御を行なった。しかし、流量偏差信号Veは、PID制御、微分先行型PID制御、I−PD制御等によって処理されてもよい。
流量制御装置1によれば、オーバーシュート無しに高速な応答制御を実現することができる。
流量制御装置1は、積層圧電素子が有する大きな電気的容量に起因する応答遅れを短縮することにより、より高速な流量の応答制御を可能にする。従って、流量制御装置1を用いることにより、製品の生産効率を向上させることができる。
実施の形態2
実施の形態2は、制御部4からバルブ駆動回路5に出力される信号に対応するスパイク状の電圧変化を緩和する緩和フィルタを流量制御系に追加する形態に関する。
なお、実施の形態2において、実施の形態1と同様の構成部分には、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
図12は、流量制御系の他の例を示すブロック線図である。図12は、図3に伝達関数Gss(s)(緩和手段)86を追加したブロック線図である。伝達関数Gss(s)86は、バルブ部6を閉じた状態から開く際、流量制御系の応答特性を調整するための関数である。なお、図12において、制御部4は破線で囲まれた範囲の要素群に対応する。
図12において、図3と異なる動作部分は、0及び不感帯補償電圧Vcを選択切り替えした信号を、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で緩和処理し、緩和処理した信号Vcfを加え合わせ点A2及び伝達関数Grf(s)84に入力している部分である。
図13は、流量制御系の他の例を示すブロック線図である。図13は、図4に伝達関数Gss(s)86を追加したブロック線図である。なお、図13において、制御部4は破線で囲まれた範囲の要素群に対応する。
図13において、図4と異なる動作部分は、0及び不感帯補償電圧Vcを選択切り替えした信号を、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で緩和処理し、緩和処理した信号Vcfを加え合わせ点A2に入力している部分である。
次に、制御部4における伝達関数モデルについて説明する。
入力信号Vpi及び不感帯補償信号Vcから端子電圧Vpztまでの伝達特性は、次の(13)式で表される。
Figure 0005867517
ここで、Gaf(s)=0とした場合、(13)式は、次の(14)式で表される。
Figure 0005867517
(13)式の右辺における第二項の成分に含まれる伝達関数Gss(s)86は、実施の形態1における(7)式の場合に生じるスパイク状の信号のピーク電圧を抑制する機能を有している。これにより、(13)式の右辺における第二項の成分に対応する過渡応答の時間波形は、流量設定値が0から0以外の値へと変化した場合、流量設定値に対応する電圧より高く、かつ上記ピーク電圧よりも低い電圧に向けてステップ状に高速に立ち上がり、その後は流量設定値によらない一定値に収束する波形となる。すなわち、伝達関数Gss(s)86がスパイク状の突出した波形に対応するピーク電圧を抑制することにより、上記時間波形はスパイク状ではなく、ステップ状になる。
図3の構成の場合、制御部4は、流量設定値が0以外の値である場合、端子電圧vpztに基づく電圧フィードバック信号を考慮した操作量信号vuに対して、バルブ部6の弁の与圧に必要な不感帯に相当する一定電圧値の信号vc(voutthd−voutint)を加算した。
他方、図12の構成の場合、制御部4は、バルブ部6の弁の与圧に必要な不感帯に相当する一定電圧値の信号vc(voutthd−voutint)がステップ状に立ち上がるように、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86で信号vcを緩和処理し、緩和処理後の信号Vcfを生成する。そして、制御部4は、流量設定値が0以外の値である場合、端子電圧vpztに基づく電圧フィードバック信号を考慮した操作量信号Vuに対して、生成した信号Vcfを加算する。その際、制御部4は、端子電圧vpztと、信号Vcfを伝達関数Grf(s)84により補正した補正信号Vrfとを考慮して電圧フィードバック信号を生成する。
図3の構成が電圧フィードバック信号を考慮したのに対し、図4の構成は電圧フィードバック信号を考慮しなかった。同様に、図12の構成が電圧フィードバック信号を考慮しているのに対し、図13の構成は電圧フィードバック信号を考慮していない。すなわち、図13の構成の場合、電圧フィードバック信号を考慮しない操作量信号Vuに対して、生成した信号Vcfを加算する。
Gss(s)86としては、例えば次の(15)式の位相遅れ要素を用いることもできる。
Figure 0005867517
デジタル制御系に実装する場合、(15)式の処理は、次の漸化式(16)で同様な応答特性を実現することができる。
Figure 0005867517
図14A及び図14Bは、流量設定値に対応する流量設定信号Vspが0Vから2Vにステップ状に立ち上がった場合の応答波形の一例を示す説明図である。図14A及び図14Bの横軸は、時間であり、単位は秒である。図14A及び図14Bの縦軸は、信号であり、単位はボルトである。図14Aにおいて流量設定信号Vsp、端子電圧信号Vmon及びデジタル流量信号Vqdを夫々示す線種は、図9A、図10A及び図11Aにおけるものと同じである。また、図14Bにおいて出力信号Voutを示す太い実線は、図9B、図10B及び図11Bにおけるものと同じである。更に、図14Bにおける縦軸のVout1は、流量設定信号Vspが2Vを示す場合にバルブ駆動回路5へ入力される出力信号Voutの定常値である。図9A〜図11Bと比較した場合、図14A及び図14Bは、流量制御系における構成要素の差による応答波形の差異を示している。
図14A及び図14Bは、比例積分制御、不感帯補償電圧Vcによる制御及び操作量信号Vuに対する応答遅れ補償による制御に加えて、与圧状態で閉じているバルブ部6を開く際の不感帯補償電圧Vcを緩和処理した場合の応答波形を示している。すなわち、図14A及び図14Bは、実施の形態2に係る流量制御装置1による応答波形を示している。
図14Aにおけるデジタル流量信号Vqdの応答波形に係る無反応時間は、図9A及び図10Aの場合に比較して、図11Aの場合と同様に、0.1秒以下に短縮され、その後流量設定値に到達する時間は0.2秒程度に短縮されている。
図9B、図10B、図11B及び図14Bを比較した場合、出力信号Voutが定常値のVout1に到達する過程は、図9B及び図10Bでは低い値から上昇して定常値Vout1に収束するのに対し、図11B及び図14Bでは一気に定常値Vout1よりも高い値に上昇し、その後下降して定常値Vout1に収束する。従来、このようなオーバーシュートする信号でバルブ部6を駆動すると流量応答もオーバーシュートを生じがちであったが、本発明では、前述のように伝達関数設計に基づいて操作量信号を生成する流量制御系を構成しているので、流量応答はオーバーシュートすることなく0.2秒程度で高速に設定値に収束する。
図14Bにおける立ち上がり直後の応答波形は、緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86の効果により、図11Bに比べてスパイク状に突出した高さが抑制されている一方、時間方向には30ms程度の幅であったスパイクが、60ms程度に広がったピークとなっている。この広がったピークの時間的持続の効果によって、流量制御装置1は、図11Bにおけるスパイク状の高い電圧に対応する出力信号Voutを用いた場合とほぼ同等の応答時間を得ている。図11Bの場合には、スパイク状の高い電圧信号を扱うために、バルブ駆動回路5で飽和が生じることがないように、制御部4からバルブ駆動回路5への出力信号Voutは、短時間で広い電圧変化幅を確保する必要がある。しかし、図14Bの波形であれば、制御部4からバルブ駆動回路5への出力信号Voutに対応する電圧変化幅は、Vout1よりも高い出力信号Voutがより長時間に亘って出力されるので、より小さい値でよい。
実施の形態2に係る流量制御装置1によれば、実施の形態1と同様にオーバーシュート無しに高速な応答制御を実現することができる。
流量制御装置1の緩和フィルタに対応する伝達関数Gss(s)86は、制御部4からバルブ駆動回路5に出力される信号に対応するスパイク状の電圧変化を緩和することができる。バルブ駆動回路5は、印加される電圧がバルブ駆動回路5の電源電圧よりも高い場合、飽和してしまう。また、このような場合に飽和を回避するには、高い電圧を供給できる電源を別途設けたり、回路素子に高電圧対応の特殊な素子を用いたりする必要があり、装置サイズやコストの増大を招く。しかし、伝達関数Gss(s)86は、バルブ駆動回路5に印加されるスパイク状の電圧変化を低減し、ステップ状の電圧変化に変えるので、バルブ駆動回路5の飽和を抑制することができる。また、伝達関数Gss(s)86は、標準的な回路素子と既存の電源による構成の範囲での応答高速化を可能とする。その一方で、流量制御装置1の伝達関数Gss(s)86は、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に印加される電圧の印加時間をより長くすることで、バルブ駆動回路5及びアクチュエータ61に供給する電気エネルギーを減少させることなく、積層圧電素子の高速応答制御を実現している。
なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
また、各実施の形態で記載されている技術的特徴(構成要件)はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
1 流量制御装置
2 流路部(流路)
3 センサ部(検出手段)
31 バイパス群
32 センサ管
31R コイル
32R コイル
33 センサ回路
34 圧力検出部
4 制御部(制御手段、コンピュータ)
41 CPU(出力手段、補償手段、生成手段、信号生成手段、変換手段)
42 RAM
43 ROM
44 タイマ
45 入出力インタフェース(受付手段)
46 AD/DA変換部
5 バルブ駆動回路(駆動回路、出力手段)
6 バルブ部(流量調整弁)
60 ケース
61 アクチュエータ(圧電素子)
62 規制部材
63 ばね座
64 コイルばね
65 弁棒
66 球体
67 スラストボタン
68 ダイヤフラム(弁体)
69 弁口
72 アナログ入力回路
83 Gaf(s)(信号生成手段)
84 Grf(s)(変換手段)
85 Gff(s)(補償手段)
86 Gss(s)(緩和手段)
H ホストコンピュータ
G ガス管
A1 加え合わせ点(生成手段)

Claims (17)

  1. 流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
    該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
    目標流量を受け付ける受付手段と、
    流量を前記受付手段が受け付けた目標流量と一致するように変化させるべく、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力する出力手段と
    を備える流量制御装置において、
    前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、該流量調整弁が閉状態でない場合に該目標流量が変化したときよりも、変化後の目標流量に対応する目標電圧値に対してより大きな振幅を示す電圧変化に対応する信号を過渡的に出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を出力するようにしてある
    ことを特徴とする流量制御装置。
  2. 前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、スパイク状の電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
    ことを特徴とする請求項2に記載の流量制御装置。
  3. 前記出力手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、変化後の目標流量に対応する目標電圧値よりも高い電圧値までステップ状に立ち上がる電圧変化に対応する信号を出力し、その後該目標電圧値に収束する電圧変化に対応する信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
    ことを特徴とする請求項2に記載の流量制御装置。
  4. 流路を流れる流体の流量を検出する検出手段と、
    前記流路を開閉する流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
    該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
    流体の目標流量を受け付ける受付手段と、
    該受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する制御手段と
    を備える流量制御装置において、
    前記制御手段は、
    前記偏差に対応する信号を生成する生成手段と、
    前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数を含む制御要素により、前記生成手段が生成した信号を補償する補償手段と
    を有し、
    前記補償手段が補償した信号を前記駆動回路に出力するようにしてある
    ことを特徴とする流量制御装置。
  5. 前記制御要素は、
    前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数と、
    前記圧電素子の応答特性に応じた定数及び前記ゲインを含む第二伝達関数と
    を有する
    ことを特徴とする請求項5に記載の流量制御装置。
  6. 前記第一及び第二伝達関数は前記駆動回路の電気的特性に係るゲインを含む
    ことを特徴とする請求項6に記載の流量制御装置。
  7. 前記制御要素は、前記制御手段から前記駆動回路へ信号を入力してから、前記圧電素子が前記弁体を作動させるまでの応答に係る
    ことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の流量制御装置。
  8. 前記制御手段は、前記流量調整弁を閉じる場合、前記駆動回路に対して前記圧電素子に印加させる電圧を、該流量調整弁の弁開度がゼロになる電圧から該流量調整弁を更に閉じる方向に所定電圧Vcだけ異なるようにしてあり、
    前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号を補償するようにしてある
    ことを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれか一項に記載の流量制御装置。
  9. 前記駆動回路は前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記制御手段に出力する出力手段を有し、
    前記制御手段は、前記出力手段が出力した信号に基づいて、前記圧電素子の応答特性を調整するためのフィードバック信号を生成する信号生成手段を有し、
    前記補償手段は、前記生成手段が生成した信号に前記Vcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてある
    ことを特徴とする請求項9に記載の流量制御装置。
  10. 前記第二伝達関数に基づいて、前記Vcに対応する信号を変換する変換手段を備え、
    前記信号生成手段は、前記出力手段が出力した信号及び前記変換手段が変換した信号を補償することにより、フィードバック信号を生成するようにしてある
    ことを特徴とする請求項10に記載の流量制御装置。
  11. 前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、
    前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号を補償するようにしてある
    ことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の流量制御装置。
  12. 前記Vcの変化を緩和する緩和手段を備え、
    前記変換手段は前記緩和手段が緩和したVcに対応する信号を変換するようにしてあり、
    前記補償手段は、前記流量調整弁が閉状態である場合に前記受付手段が受け付けた目標流量が変化したとき、前記生成手段が生成した信号に前記緩和手段が緩和したVcを重畳した信号及び前記信号生成手段が生成したフィードバック信号を補償するようにしてある
    ことを特徴とする請求項11に記載の流量制御装置。
  13. 前記圧電素子は積層圧電素子である
    ことを特徴とする請求項5から請求項13までのいずれか一項に記載の流量制御装置。
  14. 前記流量調整弁は前記流路に設けられた弁口を含み、
    前記弁体は、前記圧電素子からの押圧で弾性的に変形することにより、前記弁口の周囲に着座可能な板状のダイヤフラムである
    ことを特徴とする請求項5から請求項14までのいずれか一項に記載の流量制御装置。
  15. 流量を検出する検出手段と、
    流量調整弁を構成する弁体に連結されており、該弁体を作動させることにより、流量を調整する圧電素子と、
    該圧電素子に電圧を印加することにより該圧電素子を駆動する駆動回路と、
    目標流量を受け付ける受付手段と
    を備える流量制御装置が有するコンピュータに、前記受付手段が受け付けた目標流量及び前記検出手段が検出した流量の偏差に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧に対応する信号を前記駆動回路に出力することにより、該駆動回路及び該圧電素子を介して流量を制御する処理を実行させるプログラムにおいて、
    前記偏差に基づいて、前記駆動回路に出力する信号を生成し、
    前記圧電素子の電気的特性に係る数値及び該圧電素子の応答特性に応じた定数に基づいて、生成した信号に係る補償計算を実行する
    処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
  16. 前記補償計算を実行する処理は、前記圧電素子の電気的特性に係るゲインを含む第一伝達関数並びに該圧電素子の応答特性に応じた定数及び該ゲインを含む第二伝達関数の比からなる伝達関数により、生成した信号に係る補償計算を実行する
    ことを特徴とする請求項16に記載のプログラム。
  17. 前記受付手段が受け付けた目標流量が所定値未満から所定値以上に変化した場合、前記信号を生成する処理が生成した信号に所定電圧に対応する信号を加算する
    ことを特徴とする請求項16又は請求項17に記載のプログラム。
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