JP7427357B2 - 流体制御装置、制御プログラム、及び、制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量又は圧力を制御するために用いられる流体制御装置に関するものである。

例えばマスフローコントローラ等の流体制御装置では、ユーザにより設定されている設定流量で流体が流れるように、設定流量と流量センサで測定される実流量との偏差に基づいて流体制御弁の開度がフィードバック制御される。

さらに、マスフローコントローラは流体が設定流量で流れ続ける状態を保つことだけでなく、マスフローコントローラよりも下流側に流体が流れないようにできることも求められている。

例えばノーマルクローズタイプのマスフローコントローラに用いられる流体制御弁には、全閉指令が受け付けられた場合において、弁体がスプリングによって弁座面に所定の押圧力で押し付けられるように構成されたものがある（特許文献１参照）。

また、上記のものよりもさらに高いシール性を実現できるようにするために、弁座面の上方に弁体が配置されるようにし、弁座面に対して弁体が接触している状態からさらに弁体を弁座面側へ押し込むようにアクチュエータを駆動しているものもある。

ところで、全閉時において高いシール性を実現できるようにしたもので、全閉と開放を繰り返し続けると、その強い押圧力によって例えば弁体の表面が弁座面により損傷してしまい、シール性が低下する場合がある。

これは、例えば弁体が設計上の姿勢に対してわずかに傾斜しており、弁座面に対して弁体の一部のみが強く押圧されてしまうことが原因となっていると考えられる。

しかしながら、弁体の平行精度は近年限界に達しつつあり、弁体の傾斜を改善することで経年変化によるシール性の低下を防ぐことは難しい。

特開2015-143534

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、全閉時において高いシール性を実現しつつ、機械的な精度を現状よりも向上させなくても、弁体又は弁座面の損傷を抑制できる流体制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る流体制御装置は、流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、前記流体制御弁が、弁座面と、前記弁座面に対して接離する弁体と、前記弁体を駆動するアクチュエータと、を備え、前記制御機構が、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させる速度調節部、を備えることを特徴とする。なお、「全閉」とは流路を流れる流体の流量がゼロとなっている状態だけでなく、前記弁座面に対して前記弁体が接触した状態から、前記弁体を前記弁座面側へさらに押し込んでいる状態を含む概念である。

このようなものであれば、全閉時において前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度が低下するので、前記弁座面、及び、前記弁体との間に生じる衝撃荷重を緩和して、損傷が発生する、あるいは、進展するのを抑制できる。したがって、従来よりも経年変化による前記弁体又は前記弁座面の損傷を小さくし、全閉時に高いシール性を維持し続けることができる。

また、前記弁体の制御によって損傷を低減できるので、流体制御弁の機械的な製作精度を現状以上に向上させなくてもよい。

全閉直前までは前記弁体を高速で移動させて全閉指令に対する応答速度を高くできるようにするとともに、接触時における衝撃を十分に低減できるようにするには、前記流体制御弁が、前記弁座面と前記弁体との間の距離を検出する変位センサ、をさらに備え、前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記弁体の移動速度を低下させるように構成されていればよい。

前記弁体が前記弁座面に接触した状態からさらに密着させて、シール性を高められるようにするには、前記制御機構が、前記アクチュエータに印加する電圧を制御するためのデジタルの電圧指令信号を出力する電圧制御部をさらに備え、前記電圧制御部が、前記変位センサで検出される距離がゼロとなった時点からさらに前記弁体を前記弁座面側へ移動するように電圧指令信号を出力するものであればよい。

全閉直前において、前記弁体の移動速度を低下させるための具体的な構成例としては、前記制御機構が、前記電圧指令信号に応じたアナログの電圧を出力するＤ／Ａコンバータをさらに備え、前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記弁体の移動速度が低下するように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更することが挙げられる。

例えば前記弁体の位置を前記弁座面に対して接触するように移動させる際に、前記アクチュエータに対して電圧を印加しない場合でも、全閉直前には前記弁体の移動速度を低下させられるようにするには、前記アクチュエータが、ピエゾアクチュエータであり、前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記ピエゾアクチュエータの放電速度が低下するように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更するものであればよい。

前記ピエゾアクチュエータを用いている場合に、全閉時のシール性をさらに高められるようにするための具体的な構成としては、前記ピエゾアクチュエータに正電圧が印加されると前記弁体が前記弁座面から離間する方向へ移動するとともに、当該ピエゾアクチュエータに電圧が印加されていない状態で前記弁体が前記弁座面に対して接触するように構成されており、前記電圧制御部が、前記変位センサで検出される距離がゼロとなった時点から前記ピエゾアクチュエータに負電圧が印加されるように電圧指令信号を出力するものが挙げられる。

前記弁体が前記弁座面に接触する前の状態において、前記弁体の姿勢が傾斜している場合でも接触前に設計上の姿勢に戻されるようにして、弁体の一部のみが強く押圧されないようにするには、前記弁座面が、流体の流入する流入開口の周囲を囲むように形成されており、前記弁体が、前記弁座面に接触して、前記流入開口を閉止する閉止面と、前記閉止面の外側に面一となるように形成された周辺面と、を具備し、前記弁座面の外側において当該弁座面と同一平面上に少なくとも一部が形成されたアライナーをさらに備えたものであればよい。

前記流体制御弁がノーマルオープンタイプのものであっても、前記弁体が前記弁座面に接触する直前において移動速度を低下させ、大きな衝撃力が発生させないようにして、前記弁体に損傷が生じるのを防げるようにするには、前記アクチュエータが、ピエゾアクチュエータであり、前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記ピエゾアクチュエータの電圧上昇速度が低下するように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更するものであればよい。

経年変化等によって前記変位センサの出力する位置信号の示す値と全閉位置や速度低下開始位置との関係にずれが生じたとしても、常に全閉位置から所定距離した位置から前記弁体の移動速度を低下させられるようにするには、前記速度調節部が、前記弁体の移動速度を低下させ始める速度低下開始位置を記憶しており、変位センサで検出されている位置が速度低下開始位置となった時点から前記弁体の移動速度を低下させるように構成されており、全閉状態で前記変位センサから出力される位置信号に基づいて前記速度低下開始位置を更新する位置更新部をさらに備えたものであればよい。

既存の流体制御装置において、プログラムを更新するだけで、全閉、開放の繰り返しによる前記弁体の損傷を抑制できるようにするには、流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、前記流体制御弁が、弁座面と、前記弁座面に対して接離する弁体と、前記弁体を駆動するアクチュエータと、を具備する流体制御装置に用いられる制御プログラムであって、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させる速度調節部、としての機能をコンピュータからなる前記制御機構に発揮させることを特徴とする制御プログラムを用いればよい。なお、制御プログラムは、電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤ、ＳＳＤ、フラッシュメモリ等の記憶媒体に記憶されているものであっても構わない。

全閉、開放動作の繰り返しによる前記弁体の損傷を低減できるようには、流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、前記流体制御弁が、弁座面と、前記弁座面に対して接離する弁体と、前記弁体を駆動するアクチュエータと、を具備する流体制御装置の制御方法であって、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させることを特徴とする流体制御装置の制御方法を用いればよい。

このように本発明に係る流体制御装置によれば、全閉時において前記弁体が前記弁座面に対して接触する直前に前記弁体の移動速度が低下するように構成されているので、前記弁体に加わる衝撃を低減して、損傷が発生するのを抑制できる。したがって、高いシール性を発揮させるために前記弁体を前記弁座面に対して強い押圧力で押圧するようにして、全閉と開放を繰り返しても、シール性が低下するような損傷は長期間にわたって発生させずに、高いシール性を保ち続けることができる。

本発明の第１実施形態に係る流体制御装置を示す模式的断面図。 第１実施形態の流体制御弁の弁座ブロック、及び、弁体部分の模式的拡大図。 第１実施形態の流体制御装置が流量制御している状態を示す機能ブロック図。 第１実施形態の流体制御装置が全閉動作をしている状態を示す機能ブロック図。 第１実施形態の流体制御装置の全閉動作に関するフローチャート。 第１実施形態の流体制御装置による全閉時の動作を示す模式図。 第２実施形態に係る流体制御装置の全閉動作をしている状態を示す機能ブロック図。 第２実施形態において速度調節部が出力する整形後流量のイメージを示す模式的グラフ。 第３実施形態に係る流体制御装置を構成する流体制御弁の模式的部分拡大図。 第３実施形態での全閉動作をしている状態での位置信号、電圧信号の変化を示す模式的グラフ。 第４実施形態に係る流体制御装置の構成を示す機能ブロック図。 第４実施形態に係る流体制御装置の全閉動作について示す模式的グラフ。

本発明に係る流体制御装置の第１実施形態について図１乃至図５を参照しながら説明する。

第１実施形態の流体制御装置は、流路を流れる流体の流量を制御するために用いられるマスフローコントローラ１００である。例えば、このマスフローコントローラ１００は、１つのメイン流路、及び、当該メイン流路の下流側から複数の分岐流路が分岐する流路構造において、各分岐流路の流量の比率を制御する流量制御システムの一部を構成する。より具体的には、前記流量比率制御システムは、各分岐流路に１つずつ設けられ、１つの分岐流路上に設けられたマスフローコントローラ１００を除いた各マスフローコントローラ１００が各分岐流路を流れる流体の流量を制御することで、各流路を流れる流体の流量が所定の比率が実現される。また、各分岐流路に設けられたマスフローコントローラ１００は、設けられている分岐流路において下流側に流体が流れないように全閉動作も可能に構成してある。

前記マスフローコントローラ１００は、図１に示すように、内部流路Ｂ１が形成され、上面に部品取付面Ｂ２が形成された概略直方体状のブロックＢと、前記部品取付面Ｂ２に対して取り付けられた流体制御弁１と、前記内部流路Ｂ１を流れる流体の流量を測定する流量センサ３と、前記流量センサ３の出力に基づいて前記流体制御弁１の開度を制御する制御機構２と、を備えたものである。

前記流量センサ３は前記流体制御弁１の下流側に設けられた圧力式のものであって、層流素子３３の上流側と下流側にそれぞれ設けられた第１圧力センサ３１と、第２圧力センサ３２と、前記第１圧力センサ３１と前記第２圧力センサ３２の出力に基づいて流量を算出する流量算出部（図示しない）と、を備えている。前記第１圧力センサ３１、及び、第２圧力センサ３２は、前記ブロックＢの部品取付面Ｂ２に対して前記流体制御弁１とともに一列に並べて取り付けてある。また、前記流量算出部は、前記制御機構２の演算機能を利用して構成してある。

前記流体制御弁１は、図１及び図２に示すように、前記ブロックＢに形成された内部流路Ｂ１を分断する収容凹部内に収容された弁座ブロック１０と、前記弁座ブロック１０の上側に対向するように配置され、当該弁座ブロック１０の上面側に形成された弁座面１１に対して接離する弁体１３と、前記弁座面１１と前記弁体１３との間の距離を検出する変位センサＳと、前記弁体１３に対して駆動力を発揮するアクチュエータと、を備えたものである。

前記弁座ブロック１０は、図１において上下方向に延びる弁内流入路Ｃ１と、斜め下方に延びる２本の弁内流出路Ｃ２とを備えたものである。前記弁内流入路Ｃ１は、前記ブロックＢの内部流路Ｂ１の上流側と接続され、流体が流入する。前記弁内流入路Ｃ１を通過した流体は、前記弁座ブロック１０の上面側と前記弁体１３との間を通って前記弁内流出路Ｃ２へと流入する。この弁内流出路Ｃ２の下流側は前記ブロックＢの内部流路Ｂ１において下流側と接続してあり、当該弁内流出路Ｃ２を通過した流体は次に前記第１圧力センサ３１へと流入する。

また、前記弁内流入路Ｃ１の上面側の開口の周囲には円環状の前記弁座面１１が形成してある。さらに、前記弁座ブロック１０の上面側において、前記弁座面１１の外側には当該弁座面１１を囲うように円環状の稜線を有する突条であるアライナー１２が形成してある。このアライナー１２の稜線は前記ブロックＢが直立している状態において前記弁座面１１とほぼ同一平面をなすように配置してある。

前記弁体１３は、概略円板状のものであり、全閉状態において前記弁座面１１に対して接触し、前記弁内流入路Ｃ１の開口を閉止する閉止面と、前記閉止面の外側部分であり、前記アライナー１２の稜線と接触する周辺面と、を備えたものである。理想的には前記弁体１３は前記弁座面１１に対して平行を保ちながら接離する方向へ移動するが、仮に傾斜したとしても前記周辺面において下側に傾斜している部分が全閉時には前記アライナー１２の稜線に接触し、さらに前記弁体１３が下方へと押されることで自然に姿勢が水平状態となるように構成してある。この弁体１３は、前記ダイアフラムＤに対して垂直な方向に延びるシャフト１５を介して前記アクチュエータに接続して、上側へ引き上げられるように構成してある。より具体的には、前記アクチュエータが駆動していない自然状態において前記弁体１３の下側面は前記弁座面１１に対して接触し、全閉される。このようにして、電圧が前記アクチュエータに供給されていない状態でも常時閉鎖されている状態となる、ノーマルクローズタイプの流体制御弁１として構成してある。

前記弁体１３よりも上側は前記収容凹部の周囲を囲うように筒状のハウジング１４を取り付けてある。このハウジング１４の内部には前記変位センサＳが収容してあり、前記ハウジング１４の下側端面部に形成されたダイアフラムＤにより流体が内部へと侵入しないように構成してある。また、ハウジング１４内の中央部には前記ダイアフラムＤに対して垂直な方向に延びるシャフト１５が設けてあり、当該シャフト１５によって前記弁体１３と前記アクチュエータが接続してある。すなわち、前記シャフト１５は前記アクチュエータが駆動することによって上方へと引き上げられ、前記弁体１３が前記弁座面１１から離されるようにしてある。

前記変位センサＳは、前記ハウジング１４内の側面に押し付けられて固定されたセンサープレート１６と、前記センサープレート１６に対して対向するように設けられた金属製のターゲット１７とから構成してある。この変位センサＳは例えば渦電流式や静電容量式のものであり、前記センサープレート１６と前記ターゲット１７との離間距離に応じた出力を発生するものである。前記ターゲット１７はシャフト１５の動きに連動して上下方向に移動するように構成してあるので、前記ターゲット１７の変位量は前記弁体１３の移動量と同じになる。したがって、前記変位センサＳにより前記弁座面１１に対する前記弁体１３の位置、あるいは、開度を検出することができる。

前記アクチュエータは、第１実施形態ではピエゾアクチュエータ１９であって、前記シャフト１５の上端部との間に設けられた変位反転機構１８により、前記ピエゾアクチュエータ１９に正の電圧が印加されて延びる場合には、前記シャフト１５が上方へと引き上げられ、前記弁体１３が前記弁座面１１から離間するようにしてある。また、逆に前記ピエゾアクチュエータ１９が縮む場合には、前記シャフト１５が下方へと移動し、前記弁体１３が前記弁座面１１側へ移動することになる。

前記制御機構２は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ２３、入出力手段等を備えたいわゆるコンピュータによりその機能が実現されるものである。より具体的には、メモリに格納されている制御プログラムが実行されて、各種機器が協業することによって、図３及び図４に示すように、少なくとも開度指令生成部２１、電圧制御部２２、全閉指令受付部２４、変化速度調節部２５としての機能が発揮されるように構成してある。なお、第１実施形態では、図３に示す流量制御時と、図４に示す全閉指令受付時においてその動作モードが異なるようにしてある。

各部について詳述する。

前記開度指令生成部２１は、図３に示す流量制御モードでは、ユーザにより設定されている目標値である設定流量と、前記流量センサ３により測定される実流量との偏差に基づき、当該偏差が小さくなるように開度指令を生成し、その値を前記電圧制御部２２に対して出力するものである。すなわち、前記開度指令生成部２１は流量フィードバックにより、設定流量を実現するのに必要な開度を算出し、開度指令として出力する。なお、図４に示す全閉指令受付時には前記開度指令生成部２１は、前記電圧制御部２２に対して開度指令を出力しない。

前記電圧制御部２２は、前記ピエゾアクチュエータ１９に印加する電圧を制御するためのデジタルの電圧指令信号を出力するものである。図３に示す流量制御モードでは、前記電圧制御部２２は、前記入力される開度指令と前記変位センサＳで検出される実開度との偏差に基づき、当該偏差が小さくなるように電圧指令信号を出力する。すなわち、電圧制御部２２では、開度フィードバックにより、前記弁体１３の動きを制御する。

また、図４に示す全閉指令受付時には前記電圧制御部２２は、前記弁体１３が前記弁座面１１に対して接触する直前までは前記ピエゾアクチュエータ１９に印加されていた電圧を放電させるようにゼロの値の電圧指令信号を出力する。その後、前記弁体１３が前記弁座面１１に対して接触すると、前記電圧制御部２２は、前記ピエゾアクチュエータ１９に対して負の電圧が印加されるように電圧指令信号を出力する。

前記Ｄ／Ａコンバータ２３は、前記電圧制御部２２から出力されるデジタルの電圧指令信号に応じたアナログの電圧を出力して、前記ピエゾアクチュエータ１９に対して印加する。このＤ／Ａコンバータ２３の特性は例えば、ステップ入力に対して一次遅れの応答をするものであり、その時定数を設定変数として変更できるものである。

前記全閉指令受付部２４は、流量制御モードを終了し、前記流体制御弁１を完全に閉止して下流側に流体が流れないようにさせる全閉モードを実行させるための全閉指令をユーザから受け付けるものである。この全閉指令受付部２４において全閉指令が受け付けられると、流量のフィードバックが切られて、前記変位センサＳの出力による開度フィードバックのみによって開度がゼロである全閉状態が実現されるように動作する。

前記速度調節部２５は、図４に示す全閉指令受付時に動作するものであって、前記弁座面１１に対して前記弁体１３を近づけさせて前記流体制御弁１を全閉させる場合に、前記弁座面１１と前記弁体１３との間が所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前よりも前記弁体１３の移動速度を低下させる。第１実施形態では、前記速度調節部２５は、前記Ｄ／Ａコンバータ２３の設定変数である時定数を変更することにより、全閉直前において前記弁体１３の移動速度を低下させる。言い換えると、前記速度調節部２５は、全閉直前において前記Ｄ／Ａコンバータ２３の応答速度を落とし、前記ピエゾアクチュエータ１９の放電速度を低下させることによって前記弁体１３が前記弁座面１１に対して所定値以上の衝撃荷重がかからないように接触させる。なお、以下の説明では前記弁座面１１と前記弁体１３との間が所定距離となった位置のことを速度低下開始位置とも言う。

このように構成されたマスフローコントローラ１００での全閉時の制御動作について図５のフローチャートと、図６に示す全閉動作時の弁体１３の動きを示す模式図を参照しながら説明する。

図６（ａ）に示すように前記弁体１３が前記弁座面１１から離れて流量制御が行われていた状態で、前記全閉指令受付部２４にユーザから全閉指令が受け付けられると（ステップＳ１）、当該全閉指令受付部２４は、開度指令としてゼロの値を前記電圧制御部２２に対して入力する（ステップＳ２）。この結果、前記電圧制御部２２は前記ピエゾアクチュエータ１９に対して電圧を印加しないように電圧指令信号を出力し、前記ピエゾアクチュエータ１９に溜まっている電荷の放電が開始される（ステップＳ３）。

電荷が放電されると前記ピエゾアクチュエータ１９が縮むことにより、変位反転機構１８によって前記弁体１３は前記弁座面１１のある下方へと押し下げられていくことになる。前記弁体１３が前記弁座面１１に対して近づいている間は前記変位センサＳにより前記弁体１３と前記弁座面１１との間の距離が監視されており、図６（ｂ）に示されるような全閉直前の所定距離になったかどうかの判定が前記速度調節部２５で判定され続ける（ステップＳ４）。この所定距離は適宜設定すればよいが、例えば前記流量センサ３により流量が検出され始める、開き始めの開度に設定してある。この時点から前記速度調節部２５は通常の流量制御モードにおいてＤ／Ａコンバータ２３において使用されている時定数よりも大きい時定数に変更して、Ｄ／Ａコンバータ２３の応答を遅くさせる（ステップＳ５）。この結果、前記弁体１３の移動速度が低下し、ステップＳ１～Ｓ４までの全閉動作開始時と比較して前記弁体１３はゆっくりと移動することになる（ステップＳ６）。

引き続き、前記変位センサＳによる開度の監視は続いており、図６（ｃ）に示すように前記弁体１３が前記弁座面１１に対して完全に接触したかどうかの判定が前記電圧制御部２２で行われ（ステップＳ７）、接触した時点で負の電圧指令信号が出力される（ステップＳ８）。この結果、前記ピエゾアクチュエータ１９には、負の電圧が印加され（ステップＳ９）、前記弁体１３は前記弁座面１１に対してさらに押し込まれることなる（ステップＳ１０）。なお、前記弁体１３の押し込み量は例えば弾性変形領域内に限定してあり、全閉状態が解除された際に前記弁体１３が元の形状に戻るようにしてある。また、前記速度調節部２５は、例えば前記弁体１３が前記弁座面１１に対して接触したことが、前記変位センサＳにより検出された時点、あるいは、前記弁体１３が前記弁座面１１に対して押し込まれた時点で、前記Ｄ／Ａコンバータ２３の設定をもとに戻すようにしておいてもよい。

このように第１実施形態のマスフローコントローラ１００によれば、全閉動作時において前記弁体１３が前記弁座面１１に対して近づき、全閉直前の所定距離離間した位置に到達した時点から前記弁体１３の移動速度が小さくすることができる。このため、前記弁体１３が前記弁座面１１に対して勢いよく衝突し、衝撃荷重によって前記弁体１３、又は、前記弁座面１１に損傷が生じることを防ぐことができる。

したがって、第１実施形態のように前記ピエゾアクチュエータ１９に対して電圧を印加していない状態で弁体１３よりも上部側の自重により前記弁座面１１を前記弁体１３が閉止するようにして強い押圧力で密閉されるようにしている構造であっても、繰り返し動作による経年変化により前記弁体１３、又は、前記弁座面１１での損傷が進展しにくい。

また、損傷が生じないように前記弁体１３と前記弁座面１１を徐々にゆっくりと接触させた後で、前記ピエゾアクチュエータ１９に負の電圧を印加することにより、さらに押し込むようにしているので、シール性をさらに高めることができる。

以上のことから、全閉時において高いシール性を実現して、微小なリークも発生しないようにしつつ、高耐久、長寿命のマスフローコントローラ１００が実現される。また、このような制御的な手法によって長寿命を実現できるので、例えば弁体１３の機械的な平行度を現状よりも高く実現しなくてもよい。

次に第２実施形態に係る流体制御装置について図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で説明した部材に対応する部材については同じ符号を付すこととする。

第１実施形態では、速度調節部２５はＤ／Ａコンバータ２３の設定を変更することで全閉直前の弁体１３の移動速度を低下させるように構成されていたが、第２実施形態ではＤ／Ａコンバータ２３の設定は常に一定のままで維持される。すなわち、第２実施形態は、全閉指令が設定流量においてゼロの値が所定期間維持される形で入力される点と、速度調節部２５の構成が第１実施形態とは異なっている。

すなわち、第２実施形態の速度調節部２５は、ユーザにより設定される設定流量を整形することで、全閉直前の弁体１３の移動速度を低下させるように構成してある。

より具体的には、前記速度調節部２５は、図７の機能ブロック図に示すように、設定流量と、変位センサＳにより検出される弁体１３と弁座面１１との距離が入力され、設定流量に基づいて整形された整形後流量を開度指令生成部２１に対して出力するように構成してある。

図８のグラフに示すように前記速度調節部２５に対して、所定の流量値が保たれている状態から流量値がゼロの状態で維持される状態に変更されるステップ状の設定流量が入力されて、全閉指令がなされている場合を例として説明する。前記速度調節部２５は、ある流量値からゼロに切り替わる不連続点を検出すると前記変位センサＳで検出される開度が予め定められた開度閾値になるまでの間は第１の傾きで流量値がゼロに向かって減少するように整形後流量を出力する。流量フィードバック、及び、開度フィードバックの作用により実流量が減少し、開度が小さくなっていき、例えば前記変位センサＳで検出される開度が、全閉直前の開度に相当する開度閾値に到達して以降は、第２の傾きで流量値がゼロに向かって減少するように整形後流量を出力する。ここで第２の傾きの絶対値は第１の傾きの絶対値よりも小さく設定してある。

このようなものであっても、全閉動作時において前記弁体１３の位置は図８に示す整形後流量にしたがって制御されるので、前記弁体１３が前記弁座面１１に対して所定距離よりも遠くに離間している間は高速で近づけておき、全閉直前の領域では前記弁体１３の移動速度を低下させて、前記弁座面１１との間に生じる衝撃力を低減できる。

したがって、全閉動作時に前記弁体１３、及び、前記弁座面１１との間で損傷が生じるのを防ぎ、長期間に亘って高いシール性を保ち続けることができる。

次に第３実施形態に係る流体制御装置について図９を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で説明した部材に対応する部材については同じ符号を付すこととする。

第３実施形態のマスフローコントローラ１００は、図９に示すように流体制御弁１の方式が第１実施形態のようにノーマルクローズタイプのものではなく、アクチュエータに対して電圧が印加されていない状態では弁座面１１と弁体１３との間に隙間が形成された開放状態となるノーマルオープンタイプのものである。なお、ソフトウェア部分の構成については図３及び図４に記載した構成とほぼ同様である。

具体的には、前記流体制御弁１は、ピエゾアクチュエータ１９に電圧が印加されていない状態において前記弁体１３と前記弁座面１１との間が開く方向にピエゾアクチュエータ１９を上方に持ち上げるコイルスプリングＣＳと、前記弁体１３を前記弁座面１１から離間させる方向に付勢力を発揮する板バネＬＳとを備えている。また、前記ピエゾアクチュエータ１９に正の電圧が印加されて延びることにより、前記弁体１３は前記弁座面１１のある下方へと押し下げられて、その離間距離が近づくように構成されている。

第３実施形態ではこのようなノーマルオープンタイプの流体制御弁１において全閉状態にする過程で、前記弁体１３と前記弁座面１１との距離が所定距離となった時点から前記弁体１３の移動速度を低下させている。すなわち、マスフローコントローラ１００に全閉指令が入力されている場合には、前記弁体１３が前記弁座面１１の近傍にある速度低下開始位置に達した時点から前記速度調節部２５がＤ／Ａコンバータ２３の時定数を変更して応答速度を遅くしている。このようにして前記弁体１３が全閉時に前記弁座面１１から衝撃荷重が加わり損傷が発生するのを防いでいる。

このように構成された第３実施形態の全閉時の動作について図１０を参照しながら変位センサＳから出力される位置信号と、Ｄ／Ａコンバータ２３からピエゾアクチュエータ１９に出力される電圧信号の変化に基づいて説明する。

マスフローコントローラ１００に対して全閉指令又はゼロ流量を示す設定流量が入力された場合には、流量フィードバック、及び、前記弁体１３の位置のフィードバックにより、図１０（ａ）に示すように前記弁体１３が前記弁座面１１に近づくようにピエゾアクチュエータ１９に印加される電圧が所定の上昇割合で大きくなるように印加される。

次に前記弁体１３が前記弁座面１１の近傍の前記速度低下開始位置に到達したことが前記変位センサＳの位置信号で検出されると前記速度調節部２５はＤ／Ａコンバータ２３の時定数を変更し指令値に対する応答速度を低下させる。この結果、前記速度低下開始位置通過後には、前記ピエゾアクチュエータ１９に印加される電圧の上昇速度は低下し、前記弁体１３の移動速度も低下する。

前記弁体１３が全閉位置に到達すると、以降は全閉状態を保つのに必要な電圧が保持され続ける。

なお、第１実施形態のようなノーマルクローズタイプの流体制御弁１の場合には、図１０（ｂ）に示すように出力される電圧信号は前記弁体１３が前記弁座面１１に近づくに連れて小さくなっていき、最終的には全閉状態ではピエゾアクチュエータ１９には電圧が印加されていない、あるいは、負の電圧を印加して前記弁体１３を前記弁座面１１に押し込んだ状態にされる。

このように第３実施形態のようにノーマルオープンタイプの流体制御弁１であっても第１実施形態と同様に前記弁体１３が前記弁座面１１に対して衝突して当該弁体１３に損傷が発生し、シール性が低下するのを防ぐことができる。

なお、第３実施形態のようなノーマルオープンタイプの流体制御弁１の場合に全閉状態においてさらにシール性を高めるには、全閉維持できる電圧からさらに電圧を増加させて前記弁体１３を前記弁座面１１に対して押し込んだ状態にしてもよい。

次に本発明の第４実施形態に係る流体制御装置について図１１及び図１２を参照しながら説明する。第４実施形態では、経年変化によりアクチュエータや各種弾性部材等の特性が変化し、例えば工場出荷時において全閉時に前記変位センサＳから出力される位置信号の示す値が、実際の全閉時に出力される位置信号の示す値とずれが生じている場合でも全閉直前に前記弁体１３の移動速度を充分に低下させることができるように構成されている。

具体的には図１１に示すように第４実施形態では前記速度調節部２５が時定数変更指令を出力するタイミングが決定される速度低下開始位置を更新する位置更新部２６をさらに備えている。

この位置更新部２６は、例えば工場出荷時等の正常時における全閉位置での前記変位センサＳの位置信号のカウント値と、全閉位置から所定距離離れた所定位置であり速度低下開始位置での前記変位センサの位置信号のカウント値を記憶している。なお、位置更新部２６は全閉位置と速度低下開始位置とのカウント値の差を記憶していてもよい。

そして、前記位置更新部２６は、全閉指令が入力されている状態で前記変位センサＳから出力される位置信号がほぼ一定値を示し、全閉状態を示しているカウント値を取得し、そのカウント値から所定値だけ異なるカウント値を新たな速度低下開始位置として前記速度調節部２５に設定する。

このように構成された第４実施形態のマスフローコントローラ１００であれば、図１２に示すように経年変化によって変位センサＳの位置信号の示す値と全閉位置との間の関係が変化したとしても、前記位置更新部２６が、経年変化後の全閉位置を示す変位センサＳの位置信号の値に基づいて、新たな更新後の速度低下開始位置を前記速度調節部２５に設定できる。

したがって、経年変化が生じたとしても全閉時には全閉位置から所定距離離れた位置から前記弁体１３の移動速度を低下させ、前記弁座面１１に前記弁体１３が衝突して損傷が生じるのを防ぐことができる。

その他の実施形態について説明する。

各実施形態では流体制御装置としてマスフローコントローラを例として説明したが、流体制御装置は、例えば圧力がフィードバックされて、設定圧力に保たれるような圧力制御装置であっても構わない。また、流量制御や圧力制御は行わずに、流体制御弁と制御機構のみで全閉動作のみを行うように構成した流体制御装置であっても構わない。

各実施形態では流量制御モード時に流量のフィードバックループと、開度のフィードバックループが形成されるように構成していたが、例えば流量制御モード時には流量のみがフィードバックされ、全閉動作時には開度のみがフィードバックされるように構成してもよい。

弁体の移動速度を低下させるタイミングは、応答性の観点からは全閉直前から行うのが好ましいが、各実施形態で説明したタイミング以外に設定してもよい。例えば、全閉開始時の開度から半分の開度になった時点から前記弁体の移動速度が低下するように速度調整部を構成しても構わない。要するに、弁体が弁座面に接触する時点において損傷が発生しない、あるいは、許容できる程度にしか発生しない程度に弁体の移動速度が低下していればよい。

流体制御装置に変位センサがなく、開度を直接測定できない場合には、例えばアクチュエータに印加されている電圧から現在の開度を推定し、その開度が全閉直前となった時点から弁体の移動速度が低下するように構成しても構わない。また、アクチュエータについてはピエゾアクチュエータに限られるものではなく、例えばソレノイド等を用いても構わない。

第１実施形態では、弁体と弁座面が所定距離となった時点でＤ／Ａコンバータの設定が変更されるように構成されていたが、切替による制御系への衝撃を低減し、より安定な制御を実現できるようにするには、全閉動作中に連続的に設定が変更されるようにすればよい。この場合、変位センサで弁体の位置を検出しなくても、設定流量や開度指令に基づいて速度調節部を動作させることもできる。また、変更する設定変数は時定数に限られず、弁体の移動速度を変化させることができるものであればよい。

第２実施形態では、設定流量の不連続点を直線補間するように前記速度調節部は構成されていたが、例えばＳ字補間等の様々な補間法により少なくとも全閉直前において前記弁体の移動速度が低下するように構成してもよい。

弁座ブロックに対してアライナーが設けられておらず、弁座面のみが形成されているものであっても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

１００・・・マスフローコントローラ
１ ・・・流体制御弁
１０ ・・・弁座ブロック
１１ ・・・弁座面
１２ ・・・アライナー
１３ ・・・弁体
１４ ・・・ハウジング
１５ ・・・シャフト
１６ ・・・センサープレート
１７ ・・・ターゲット
１８ ・・・変位反転機構
１９ ・・・ピエゾアクチュエータ
２ ・・・制御機構
２１ ・・・開度指令生成部
２２ ・・・電圧制御部
２３ ・・・Ｄ／Ａコンバータ
２４ ・・・全閉指令受付部
２５ ・・・速度調節部
３ ・・・流量センサ
３１ ・・・第１圧力センサ
３２ ・・・第２圧力センサ
３３ ・・・層流素子

Claims (12)

1. 流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、
   前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、
   前記流体制御弁が、
   弁座面と、
   前記弁座面に対して接離する弁体と、
   前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、を備え、
   前記弁座面が、その内側と外側に流体の流出入路が形成された弁座ブロックに形成された円環状をなすものであり、かつ、前記弁体の移動方向と垂直な面であり、
   前記制御機構が、
   デジタルの電圧指令信号に応じたアナログの電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力するＤ／Ａコンバータと、
   流量フィードバックによって弁開度を制御する流量制御モードが切られて、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる全閉モードの場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記Ｄ／Ａコンバータを介して前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させる速度調節部と、を備えることを特徴とする流体制御装置。
2. 前記流体制御弁が、前記弁座面と前記弁体との間の距離を検出する変位センサをさらに備え、
   前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記弁体の移動速度を低下させるように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更する請求項１記載の流体制御装置。
3. 前記制御機構が、
   前記ピエゾアクチュエータに印加する電圧を制御するための前記電圧指令信号を出力する電圧制御部をさらに備え、
   前記電圧制御部が、前記変位センサで検出される距離がゼロとなった時点からさらに前記弁体を前記弁座面側へ移動するように前記電圧指令信号を出力する請求項２記載の流体制御装置。
4. 前記電圧指令信号の値が、全閉モードにおいて時間に対し直線状に変化するものであり、前記所定距離となって以降の電圧指令信号の値の時間に対する傾きが、前記所定距離以前よりも小さく設定されている請求項１記載の流体制御装置。
5. 前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記ピエゾアクチュエータの放電速度が低下するように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更する請求項３記載の流体制御装置。
6. 前記ピエゾアクチュエータに正電圧が印加されると前記弁体が前記弁座面から離間する方向へ移動するとともに、当該ピエゾアクチュエータに電圧が印加されていない状態で前記弁体が前記弁座面に対して接触するように構成されており、
   前記電圧制御部が、前記変位センサで検出される距離がゼロとなった時点から前記ピエゾアクチュエータに負電圧が印加されるように前記電圧指令信号を出力する請求項５記載の流体制御装置。
7. 前記弁座面が、流体の流入する流入開口の周囲を囲むように形成されており、
   前記弁体が、
   前記弁座面に接触して、前記流入開口を閉止する閉止面と、
   前記閉止面の外側に面一となるように形成された周辺面と、を具備し、
   前記弁座面の外側において当該弁座面と同一平面上に少なくとも一部が形成されたアライナーをさらに備えた請求項１記載の流体制御装置。
8. 前記流体制御弁が、前記弁座面と前記弁体との間の距離を検出する変位センサをさらに備え、
   前記速度調節部が、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離以下の場合には、前記変位センサで検出される距離が前記所定距離よりも大きい場合よりも前記ピエゾアクチュエータの電圧上昇速度が低下するように前記Ｄ／Ａコンバータの設定係数を変更する請求項１記載の流体制御装置。
9. 前記流体制御弁が、前記弁座面と前記弁体との間の距離を検出する変位センサをさらに備え、
   前記速度調節部が、前記弁体の移動速度を低下させ始める速度低下開始位置を記憶しており、前記変位センサで検出されている位置が速度低下開始位置となった時点から前記弁体の移動速度を低下させるように構成されており、
   全閉状態で前記変位センサから出力される位置信号に基づいて前記速度低下開始位置を更新する位置更新部をさらに備えた請求項１記載の流体制御装置。
10. 前記速度調節部が、前記弁座面と前記弁体との間が前記所定距離となって以降は、前記所定距離となる以前の前記Ｄ／Ａコンバータにおいて使用されている時定数よりも大きい時定数に変更するように構成されている請求項１記載の流体制御装置。
11. 流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、
    前記流体制御弁が、
    弁座面と、
    前記弁座面に対して接離する弁体と、
    前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、を備え、
    前記弁座面が、その内側と外側に流体の流出入路が形成された弁座ブロックに形成された円環状をなすものであり、かつ、前記弁体の移動方向と垂直な面であり、
    前記制御機構が、
    デジタルの電圧指令信号に応じたアナログの電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力するＤ／Ａコンバータを具備したものである、
    流体制御装置に用いられる制御プログラムであって、
    流量フィードバックによって弁開度を制御する流量制御モードが切られて、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる全閉モードの場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、、前記Ｄ／Ａコンバータを介して前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させる速度調節部、としての機能をコンピュータからなる前記制御機構に発揮させることを特徴とする制御プログラム。
12. 流体の流れる流路に設けられる流体制御弁と、前記流体制御弁を制御する制御機構と、を備え、
    前記流体制御弁が、
    弁座面と、
    前記弁座面に対して接離する弁体と、
    前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータと、を備え、
    前記弁座面が、その内側と外側に流体の流出入路が形成された弁座ブロックに形成された円環状をなすものであり、かつ、前記弁体の移動方向と垂直な面であり、
    前記制御機構が、
    デジタルの電圧指令信号に応じたアナログの電圧を前記ピエゾアクチュエータに出力するＤ／Ａコンバータを具備したものである
    流体制御装置の制御方法であって、
    流量フィードバックによって弁開度を制御する流量制御モードが切られて、前記弁座面に対して前記弁体を近づけさせて前記流体制御弁を全閉させる全閉モードの場合に、前記弁座面と前記弁体との間が所定距離となって以降は、前記Ｄ／Ａコンバータを介して前記所定距離となる以前よりも前記弁体の移動速度を低下させることを特徴とする流体制御装置の制御方法。