CN102016740B

CN102016740B - 具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路

Info

Publication number: CN102016740B
Application number: CN2009801147462A
Authority: CN
Inventors: 杉田胜幸; 池田信一; 西野功二; 土肥亮介; 平田薰; 中谷贵纪
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: JP5027729B2; JP2009265988A; KR101115350B1; US20110108138A1; US8587180B2; WO2009130835A1; TWI403872B; KR20100115815A; CN102016740A; TW200947176A

Abstract

本发明提供一种具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用压电元件驱动电路。在具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用压电元件驱动电路(5)中，与控制部的驱动电路并联地设置用于使控制阀高速关闭的关闭电路(8)，通过使流量自身诊断时的阀的关闭时间延迟减少，在流量自身诊断时获得高精度的诊断结果。

Description

具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路

技术领域

本发明涉及在半导体、化学品、药品、精密机械部件等的制造中使用的气体等的压力式流量控制装置的改良，即涉及压力控制阀用驱动电路，该压力控制阀用驱动电路以使用压力式流量控制装置所具备的流量自身诊断功能来检测节流孔的堵塞、裂缝、腐蚀等引起的形状的变化时，能够经常以高精度进行稳定的检测的方式形成。

背景技术

压力式流量控制装置能够以将压电元件驱动型压力控制阀和节流孔组合后的简单的机构，高精度地控制气体等各种流体的流量，在半导体制造装置等领域中压力式流量控制装置被大量实用。

另外，由于该压力式流量控制装置以利用节流孔，通过压力控制阀的开闭控制调节其上游侧的气体压力而进行流量控制的方式形成，所以，需要经常监视所谓节流孔的筛眼堵塞等。因此，具有对被称为所谓流量自身诊断(或者筛眼堵塞检测)的节流孔的堵塞、裂缝、腐蚀等引起的形状的变化程度进行自身诊断的功能。

图5是表示现有的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的一个例子。即，向运算处理装置CPU输入由压力检测器P₁及温度检测器T₁检测出的压力控制阀1和节流孔2之间的管路3内的气体压力及气体温度，在此，运算流通节流孔2的气体流量Q_c的同时，运算设定流量Q_s和运算流量Q_c之间的差流量ΔQ，向压电元件驱动部1a输入与该差流量ΔQ对应的控制信号S，在所述差流量ΔQ成为零的方向，压力控制阀1被开·闭控制。

而且，当在压力式流量控制装置的使用中由于节流孔2的堵塞等导致节流孔孔径发生变化时，则招致图5中的配管路3内的压力下降特性发生变化，因此，在将压力式流量控制装置供实际使用之前(即，工厂出货前)，测量其压力下降特性并作为初始值存储于存储装置M，通过将该初始值与使用中的诊断时的压力下降特性的测定值进行对比，能够判断流量控制的异常的有无。即，可以说，流量自身诊断是对节流孔2的堵塞、裂缝、腐蚀等引起的形状变化所导致的控制流量异常的有无，进行自身诊断。

更具体地说，参照图5，首先，在压力式流量控制装置FCS的上市之前，向压力式流量控制装置FCS的压电元件驱动型压力控制阀1供给流量自身诊断用的气体(通常为N₂气体)，另外，将压力式流量控制装置FCS的设定流量Q_s设定为100％流量，并且将存储装置M设定为工作状态(初始值存储信号的设定)。另外，此时，在控制流量(设定流量Q_s)为某阈值以下的情况下，当然气体供给压力不足的报警器A_L会发出信号。

接着，将压电元件驱动型压力控制阀1迅速地完全关闭，并且按每一规定时间测量压力检测器P₁的检测压力和时间的数据，将其存储在存储装置M(初始值数据的存储)。

在使用中的压力式流量控制装置FCS进行流量自身诊断时，首先，向压电元件驱动型压力控制阀1供给与初始值数据存储时所使用的气体相同的气体，同时，将其设定流量Q_s设定为100％流量。另外，此时，在控制流量(设定流量Q_s)为某阈值以下的情况下，当然气体供给压力不足的报警器A_L会发出信号。

接着，将压电元件驱动型压力控制阀1迅速地完全关闭，并按每一规定时间测量此时的配管路3内的检测压力-时间的数据，并且在运算处理装置CPU中，和预先存储在存储装置M的初始值数据相比较，当两者间的差异比设定值大时，作为诊断结果异常，向报警器发出信号。另外，在图5中，E为电源电压。

但是，在压力式流量控制装置FCS的压电元件驱动型压力控制阀1中，多利用具备压电元件驱动部的常闭型金属膜片阀，对压电元件驱动部1a的压电元件施加驱动电压，其全长伸长，由此，对抗弹性体的弹力而使阀棒提升，进而使阀开启。另外，当除去施加于压电元件的电压时，压电元件的长度复原为初始的长度尺寸，基于弹性体的弹力而使阀棒下降，由此使阀关闭(日本特开2005-149075)。

其结果，由于除去施加于压电元件的电压的速度(以下称为压电元件驱动电压的下降延迟)，必然地会在从阀的全开至全闭的时间上产生偏差，压力下降特性的测定中最初的采样点的时间位置(采样开始时刻)发生变动，从而正确的压力下降特性的测定成为困难。另外，压电元件的行程变位量、压电元件驱动电压、阀体的外径越大，则该元件驱动电压的下降延迟对压力下降特性带来的影响就变得越大，另外，诊断的采样时间变得越小，则压电元件驱动电压的下降延迟给压力下降特性带来的影响就变得越大。

图6是表示现有的压力式流量控制装置((株)Fujikin制FCS型)的压力下降特性的一个例子，由此，得知气体供给压力(KPaG)越下降，即便是相同的压力式流量控制装置，压力下降特性曲线也越向上方移动。

另外，图7是调查了气体供给压力的变动引起的压力下降特性的变化对诊断结果(％)带来的影响的图。

一般地，在常闭型的压电元件驱动型压力控制阀1中，供给压力低的情况与供给压力高的情况相比，压电元件电压变高，压力控制阀的关闭时间容易延迟(日本特开2005-149075号)。其结果，当供给压力变低时，压电元件驱动电压就上升，则压力控制阀的关闭时间延迟就变长，如图7所示，诊断结果(％)会向正侧变动。

图8是表示现有的压电元件型压力控制阀的压电元件驱动电路的结的方框图。从压力式流量控制装置FCS的运算処理装置(CPU)，通过场效应晶体管FET₁、电感器L、二极管D从供给电源向压电元件(电容量C)供给驱动电压。

具体而言，当根据升压指令信号，场效应晶体管FET₂变为ON时，在电感器L上感应电压，其后，当场效应晶体管FET₂变为OFF时，电感器L内的感应电压叠加到驱动电压上，叠加了该感应电压的电压作为压电元件驱动电压施加(充电)于压电元件(电容器)。另外，在继续升压的情况下，反复执行所述升压用场效应晶体管FET₂的ON-OFF。

另外，通过向该压电元件的充电，压电元件的全长会伸长，压力控制阀就变为开阀。

另一方面，在使压力控制阀完全关闭的情况下，通过降压指令信号的输入使降压用场效应晶体管FET₃为ON，由此，压电元件(电容器)的充电电压被放电。因此，压电元件缩小，压力控制阀依靠弹簧弹性力成为闭阀。

专利文献1：日本特开平8-338546号公报

专利文献2：日本特开2000-137528号公报

专利文献3：日本特开2005-149075号公报

如上所述，在现有的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置中，在流量自身诊断时关闭压电驱动型压力控制阀，进行压力下降特性的测定。

但是，在此时测定的压力下降特性，有时当供给气体压力、压电驱动电压的大小发生变化时，特性曲线的形态发生变化，或者即便为完全相同条件下的测定，压力下降特性曲线也发生变动，以使用开始前(初始时)和诊断时的压力下降特性曲线的对比为基础的流量控制的自身诊断中，存在不能迅速地进行高精度的诊断的问题。

发明内容

本发明主要目的在于，为了解决现有的流量控制异常的诊断，即在节流孔的堵塞、裂缝、腐蚀等引起的形状的变化造成的流量控制异常的自身诊断中的如上所述的问题，即，由于当供给气体压力、压电驱动电压的大小发生变化时，不能稳定的获得正确的压力下降特性曲线，所以，无法解决不能进行高精度诊断这样的问题，提供一种具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用压电元件驱动电路，其通过大幅度地缩短向具备压电元件驱动部的压力控制阀供给全闭信号之后，到全闭的时间延迟即从阀的全开向全闭的切换时间，无论供给气体压、元件驱动电压的高·低，都能够经常获得稳定的压力下降特性曲线，因此，能够以高精度对流量控制的异常(节流孔的堵塞、裂缝、腐蚀等引起的形状的变化)进行诊断。

本发明的第一方面提供一种具备流量自身诊断功能的压力控制装置的压力控制阀用驱动电路，其基本构成为，将预先测定并存储的初始压力下降特性数据、与和所述初始压力下降特性的测定在相同条件下测定的流量诊断时的压力下降特性数据进行对比，从两种特性数据的差异，检测流量控制的异常，其中，与控制阀的驱动电路并联地设置用于使控制阀高速关闭的关闭电路。

本发明的第二方面在第一方面的基础上，将压力控制阀用驱动电路设计成使压电元件驱动型压力控制阀工作的压力控制阀用压电元件驱动电路，并且将用于使控制阀高速关闭的关闭电路设计成根据来自所述中央处理装置的高速降压指令信号，通过高速降压指令电路使施加于所述压电元件的压电元件驱动电压快速地放电降压的第二放电电路。

本发明第三方面在第二方面的基础上，由低电阻和开关元件的串联电路形成第二放电电路，所述开关元件由通过高速降压指令信号的输入而导通的高速降压指令电路构成。

本发明第四方面在第二或第三方面的基础上，与第二放电电路并联地设置第一放电电路，该第一放电电路根据来自压力式流量控制装置的中央处理装置的降压指令信号，通过降压指令电路使施加于压电元件的压电元件驱动电压放电降压。

本发明第五方面在第四方面的基础上，由高电阻和开关元件的串联电路形成第一放电电路，所述开关元件由通过降压指令信号的输入而导通的降压指令电路构成。

本发明第六方面的发明在第二、第三或第四方面的基础上，将第二放电电路的时间常数设定为0.3msec以下。

本发明中，具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路中，由于与控制阀驱动电路并联地设置有用于使控制阀高速关闭的关闭电路，因此，能够在自身流量诊断时将压力控制阀快速地从全开向全闭切换，大幅地缩短压力式控制阀的闭阀延迟时间。由此，能够以高精度且稳定地进行流量自身诊断时的压力下降特性的测定，流量自身诊断的诊断结果也成为高精度。

特别是，在将具备压电元件驱动部的压力控制阀作为对象的压力控制阀用压电元件驱动电路中，构成为：与压电元件驱动用电压的供给电路并联地设置有：第一放电电路，其通过降压指令信号的输入，通过降压指令电路使施加于压电元件的压电元件驱动电压放电降压；以及第二放电电路，其通过高速降压信号的输入，通过高速降压指令电路使施加于压电元件的压电元件驱动电压快速地放电降压，平常的流量控制是通过所述第一放电电路使压电驱动电压下降而进行，或者，在流量自身诊断时，通过所述第二放电电路使压电驱动电压快速地放电降压，由此，平常的流量控制能够顺畅稳定地进行，并且，在自身流量诊断时能够使压电元件驱动型压力控制阀快速地从全开切换成全闭。其结果，压力式控制阀的闭阀延迟时间被大幅地缩短，由此，能够高精度且稳定的状态下进行流量自身诊断时的压力下降特性的测定，并且也能够获得高精度且稳定的流量自身诊断的诊断结果。

附图说明

图1是表示本发明的压电元件驱动电路的电路结构的方框图；

图2是表示本发明的具备压电元件驱动部的压力式流量控制装置的压力下降特性的方框图；

图3是表示本发明的具备压电元件驱动部的压力式流量控制装置的流量自身诊断结果的供给压力依存特性的方框图；

图4(A)是表示使用现有的压电驱动部的情况和使用本发明的压电驱动部的情况的压力控制阀的开闭速度特性的方框图、(B)为图(A)的局部放大图；

图5是表示现有的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的基本结构的方框图；

图6是表示给压力式流量控制装置FCS的压力控制阀1的气体供给压力不同的情况的压力下降特性的图；

图7是表示供给压力与流量异常的流量诊断结果的关系的方框图；

图8是表示现有的压电元件驱动电路结构的方框图。

符号说明

1 压力控制阀

1a 压电元件驱动部

2 节流孔

3 配管路

4 压电元件

5 压电元件驱动电路

6 升压指令电路

7 降压指令电路

8 高速降压指令电路

9 压电电压信号反馈电路

10 CPU(运算处理装置)

11～16输入端子

17～18向压电元件的输出端子

FCS 压力式流量控制装置

E 电源

M 存储装置

Q_c 运算流量

Q_s 设定流量

ΔQ Q_s-Q_c

S 控制信号

P₁ 压力检测器

T₁ 温度检测器。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压电元件驱动电路的电路结构的方框图，图1中，4为压电元件、5为压电元件驱动电路、6为升压指令电路、7为降压指令电路、8为高速降压指令电路、9为升压用电压供给电路、10为压力式流量控制装置的运算装置(CPU)。另外，E为电源、11～16为各输入端子、17及18为向压电元件4的输出端子。

上述压电元件4本身具有电容器结构，在本实施例中，其静电电容量为5.7μF，输入端子17、18之间的全电容量为电路结构上6.7μF。

本发明涉及的压电元件驱动电路5，由上述升压指令电路6、降压指令电路7、高速降压指令电路8、升压用电压供给电路9等构成，通过端子17、18向压电元件4供给压电元件驱动电压。

另外，从压力式流量控制装置的运算处理装置CPU10分别向端子11输入输入电压、向端子12输入升压指令信号、向端子13输入降压指令信号，进而，在流量自身诊断(流量异常诊断时)时，向端子14输入高速降压指令信号。

即，当从CPU向端子12输入被脉冲幅度控制的升压指令信号，升压指令电路6的场效应晶体管FET₂变为ON时，利用来自端子11的输入电压在升压电压供给电路9的电感器L上感应电动势。另外，场效应晶体管FET₂变为OFF时，上述电感器L的感应电动势叠加于来自输入端子11的电源电压上，并从输出端子17施加给压电元件4。另外，在增加向压电元件4的施加电压的情况下，调整向端子12的升压指令信号的脉冲宽度、脉冲数，改变电感器L的感应电动势的大小、该叠加次数，由此使施加电压上升。

另外，相反地，减少施加电压的情况是，由CPU10向端子13输入降压指令信号，使降压指令电路7的场效应晶体管FET₃变为ON，通过由电阻R₁和降压指令电路7的场效应晶体管FET₃的串联电路构成的第一放电电路，使压电元件4的施加电压(充电电压)放电。另外，在图1的实施例中，设定第一放电电路的时间常数＝R₁×C＝22KΩ×6.7μF＝147.4msec，压电元件驱动电压以较缓慢的速度降压。另外，从保持基于压电驱动电压的调整的流量控制的稳定性的点来看，优选的是，第一放电电路设定为50～100msec。

进而，在流量自身诊断时(流量异常诊断时)，当从中央处理装置(CPU)10向端子14输入高速降压指令信号时，高速降压指令电路8的场效应晶体管FET₄变为ON，通过由电阻R₂和高速降压指令电路8的场效应晶体管FET₄的串联电路构成的第二放电电路，使压电元件4的施加电压(充电电压)放电。即，设定由高速降压指令电路8的晶体管和电阻R₂构成的第二放电电路的时间常数为R₂×C＝47Ω×6.7μF＝0.3msec，压电元件驱动电压急剧地下降。另外，优选的是，第二放电电路的时间常数越短越好，但是，最适合的是，设定在0.3msec以下。

另外，通过减少将通常的流量控制、即基于压电元件驱动电压的调整的阀开度控制进行分担的降压指令电路7的第一放电电路的时间常数，并对删除了高速降压指令电路8(即第二放电电路)的电路结构也进行了其工作确认试验，但是，在此情况下，判明了稳定的流量控制时的压电元件驱动电压变得缺乏稳定性，在实用上产生控制困难的状态。因此，采用了在稳定的流量控制用的降压指令电路7之外，还并联设置了仅在流量自身诊断时使用的高速降压指令电路8的电路结构。

图2是表示与适用于和现有相同的(株)Fujikin製FCS型压力式流量控制装置的情况的上述图6在相同的条件下，对本发明的压电元件驱动电路5进行了测定的压力下降特性。从图2表明，即使施加于压电元件驱动型压力控制阀1的气体供给压力发生变化，压力下降特性曲线也成为大致相同的形态，在自身流量诊断的开始时，使压力控制阀1从全开切换至全闭时的切换时间缩短(即，使压电元件驱动电压的放电时间缩短)，通过使压力控制阀1的关闭时间延迟减少，压力下降特性大幅度地变稳定。

另外，由于所测定的压力下降特性变得稳定，必然地以压力下降特性的测定值为基础计算出的流量异常等的诊断结果也成为高精度，现有的图7所示的供给压力和诊断结果(％)之间的关系成为如图3所示的状态。即，供给压力的变动带来的诊断结果(％)的偏差得到大幅度地改善，即使供给压力发生变化，诊断结果(％)的值也不会受到影响。

另外，在图2的压力下降特性、图3的诊断结果(％)和供给压力(KPaG)的关系的测定中使用的具备压电驱动部1a的压力式控制阀(压电元件驱动式常闭型金属膜片阀)1，由于与日本特开2005-149075号中公开的阀具有同样的结构，因此，在此省略其详细的说明。

图4(A)是表示压电元件驱动电压的放电状态的波形图，即分别表示曲线F为放电电路的时间常数R×C为2KΩ×6.7μF＝13.4msec的情况，另外，曲线N为放电电路的时间常数R×C为47Ω×6.5μF＝0.3msec的情况。

另外，图4(B)为上述图4(A)的局部放大图，在设置了高速降压指令电路8的本发明的压电元件驱动电路5中，判明了阀关闭速度变得极为高速。

进而，在上述实施方式中，虽然作为开关元件使用了场效应晶体管，当然也可以使用场效应晶体管以外的开关元件。对于控制阀的驱动部也同样，也可以为压电元件驱动部以外的驱动部、例如螺线管驱动部，另外，也可以为任何的压电元件的种类、结构。

工业上的可利用性

本发明涉及的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的控制阀用驱动电路，能够适用于其它的所有用途的控制阀，特别是最适合作为压电元件驱动式的高速开闭型流量·压力自动控制阀的驱动电路。

Claims

1.一种具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，将预先测定并存储的初始压力下降特性数据、与和所述初始压力下降特性的测定在相同条件下测定的流量诊断时的压力下降特性数据进行对比，从两种特性数据的差异，检测流量控制的异常，其特征在于，

与控制阀的驱动电路并联地设置用于使控制阀高速关闭的关闭电路。

2.根据权利要求1所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

将压力控制阀用驱动电路设计成使压电元件驱动型压力控制阀工作的压力控制阀用压电元件驱动电路，并且将用于使控制阀高速关闭的关闭电路设计成根据来自中央处理装置的高速降压指令信号，通过高速降压指令电路使施加于所述压电元件的压电元件驱动电压快速地放电降压的第二放电电路。

3.根据权利要求2所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

由低电阻和开关元件的串联电路形成第二放电电路，所述开关元件由通过高速降压指令信号的输入而导通的高速降压指令电路构成。

4.根据权利要求2或3所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

与第二放电电路并联地设置第一放电电路，该第一放电电路根据来自压力式流量控制装置的中央处理装置的降压指令信号，通过降压指令电路使施加于压电元件的压电元件驱动电压放电降压。

5.根据权利要求4所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

由高电阻和开关元件的串联电路形成第一放电电路，所述开关元件由通过降压指令信号的输入而导通的降压指令电路构成。

6.根据权利要求2或3所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

将第二放电电路的时间常数设定为0.3msec以下。

7.根据权利要求4所述的具备流量自身诊断功能的压力式流量控制装置的压力控制阀用驱动电路，其特征在于，

将第二放电电路的时间常数设定为0.3msec以下。