JP7763476B2

JP7763476B2 - 流量制御装置、流量制御方法、流量制御装置の制御プログラム

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Publication number: JP7763476B2
Application number: JP2021519340A
Authority: JP
Inventors: 崇浩野澤; 剛中村
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2025-11-04
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: TWI755704B; JPWO2020230574A1; WO2020230574A1; TW202045847A; KR20210124364A; US12123760B2; KR102608260B1; US20220307882A1; CN113544620A

Description

本発明は、流量制御装置、流量制御方法および流量制御装置の制御プログラムに関する。

流量センサで測定した流量に基づいて制御弁を調整することで、下流へ流れ出る流体の流量を設定値に調整する流量制御装置およびマスフローコントローラ（以下、「MFC」ともいう。）が知られている。

特許文献１には、入口側と出口側とを有する流体流路に結合されるフローセンサを含む流量制御装置において、フローセンサは流路を通る感知された流体流れを示すセンサ出力信号を提供するよう適合され、流路の少なくとも１つの圧力を測定することと、少なくとも１つの圧力を測定することに基づきセンサ出力信号を調整することとを含む、流体の流量制御方法が開示されている。

特許文献２には、制御部に予め複数の流量設定値と複数の流体圧力値に応じた制御定数を記憶しておき、流量設定値と圧力センサの検出値に基づいて制御定数を選択して流量制御する、流量制御装置が開示されている。

特表２００５－５３４１１０号公報特開２０１１－０９０４０５号公報

MFCにおいて、応答速度の速いフィードバック制御を実現するためには、制御の入力を与えるセンサの応答特性が重要なファクターの１つである。センサは、熱式MFCにおいては、例えば熱式流量センサである。しかしながら、熱式MFCの応答特性は、実測定上、熱式流量センサの応答特性から予測される理論値よりも低くなり、時定数が１０秒程度の遅い応答しか得ることができない。これは、流路を流れるガス等の流体による熱の輸送速度が、センサチューブや発熱抵抗体の熱容量に対して小さいためである。

特許文献１および２に記載の流量制御装置は、いずれも圧力式MFCが開示されている。いずれの装置も、MFCにおいて速い応答速度のフィードバック制御を実現するものではない。

そこで、本発明は、応答精度の高い流量制御装置を得ることを目的の１つとする。

上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係る流量制御装置は、流体の流量を計測する流量センサと、前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、前記流量を変化させる制御弁と、前記制御弁を駆動する駆動回路と、前記流量センサの測定値の周波数特性を補正するセンサレスポンス調整回路と、前記センサレスポンス調整回路の出力の、所定の周波数帯域を減衰させる第１フィルタと、を備え、前記駆動回路、前記流量センサ、前記センサレスポンス調整回路および前記第１フィルタを少なくとも含むフィードバックループが構成され、前記流量設定値と、前記第１フィルタの出力値と、の偏差が前記駆動回路に入力される。

前記制御部は、前記フィードバックループの外に、前記センサレスポンス調整回路の出力のうち所定の周波数帯域を増幅させ、前記周波数帯域とは異なる周波数のゲインは変化させない第２フィルタをさらに備えるものとしてもよい。

前記センサレスポンス調整回路と前記第１フィルタは、アナログ信号を処理するアナログフィルタであるものとしてもよい。

前記流量センサは、熱式流量センサであるものとしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の別の観点に係る流量制御方法は、流体の流量を計測する流量センサと、前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、前記流量を変化させる制御弁と、を備える流量制御装置を用いる流量制御方法であって、前記制御弁を駆動する駆動ステップと、前記流量を計測する計測ステップと、前記流量センサの測定値の周波数特性を補正するセンサレスポンス調整ステップと、前記センサレスポンス調整ステップの出力の、所定の周波数帯域を減衰させる減衰ステップと、を含み、前記駆動ステップ、前記計測ステップ、前記センサレスポンス調整ステップおよび前記減衰ステップを少なくとも含むフィードバックループが構成され、前記流量設定値と、前記減衰ステップの取得値と、の偏差が前記駆動ステップの入力となる。

上記目的を達成するため、本発明のさらに別の観点に係る流量制御装置の制御プログラムは、流体の流量を計測する流量センサと、前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、前記流量を変化させる制御弁と、を備える流量制御装置の制御プログラムであって、前記制御弁を駆動する駆動命令と、前記流量を計測する計測命令と、前記流量センサの測定値の周波数特性を補正するセンサレスポンス調整命令と、前記センサレスポンス調整命令の出力の、所定の周波数帯域を減衰させる減衰命令と、をコンピュータに実行させ、前記駆動命令、前記計測命令、前記センサレスポンス調整命令および前記減衰命令を少なくとも含むフィードバックループが構成され、前記流量設定値と、前記減衰命令の取得値と、の偏差が前記駆動命令の入力となる。
なお、コンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークを介したダウンロードによって提供したり、ＣＤ－ＲＯＭなどのコンピュータが読取可能な各種の記録媒体に記録して提供したりすることができる。

本発明によれば、応答精度の高い流量制御装置を得ることができる。

本発明にかかる流量制御装置の実施の形態を示す全体概略図である。上記流量制御装置の制御ブロック図である。上記流量制御装置が有する、第１フィルタ、第２フィルタおよびセンサレスポンス調整回路のボード線図の例である。関連技術の流量制御装置が有する制御ブロック図である。

以下、本発明にかかる流量制御装置ならびにその制御方法および制御プログラムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●流量制御装置の概要
図１に示すように、流量制御装置１は、バルブボディ１０１、流量センサ１０２、変換部１０３、制御部１０４、および制御弁１０５を備える。流量制御装置１は、マスフローコントローラ（「MFC」ともいう。）とも呼ばれる装置である。

バルブボディ１０１は、上流流路１０１ａおよび下流流路１０１ｂを画定する略筒状の部材である。上流流路１０１ａの上流側および下流流路１０１ｂの下流側は、制御対象の流体が流れる管や流路ブロックにそれぞれ接続されている。

上流流路１０１ａは、上流側から流体から流入する流路である。上流流路１０１ａは途中で、流量センサ１０２を通る流路とバイパス流路１０１ｃとに分岐した後に合流し、制御弁１０５へと流出する。制御弁１０５は、ダイヤフラム１１０と、ダイヤフラム１１０に対向する弁座１１２を有する。ダイヤフラム１１０と弁座１１２の間の空間は上流流路１０１ａと下流流路１０１ｂとの間を連通する空間となっている。ダイヤフラム１１０をアクチュエータ１１１により変形させることで、ダイヤフラム１１０が弁座１１２に対して開閉することにより流体の流量が調整可能である。図１においてアクチュエータ１１１の内部構造は図示省略しているが、制御弁１０５は、例えば金属製ダイヤフラムを、アクチュエータ１１１内部のピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）を用いて開閉するピエゾ素子駆動型制御弁である。

下流流路１０１ｂは、上流側から制御弁１０５により流量制御された流体が流入し、流量制御装置１の下流側に流出するように構成されている。
バイパス流路１０１ｃは、流体が層流になる程度に細い流路が多数並列になった構造の層流素子を有する流路である。本実施例では、エッチング加工により溝が掘られた板（バイパスシート）を複数枚積み重ねることによって層流素子が構成されている。

流量センサ１０２は、センサチューブ１０２ａに流れる流体の流量を計測するセンサである。流量センサ１０２は、例えばセンサチューブ１０２ａの上流および下流に発熱抵抗体１０２ｂ、１０２ｃを有していて、発熱抵抗体１０２ｂ、１０２ｃの温度の違いに基づいて、センサチューブ１０２ａに流れる流体の流量を電圧に変換する。バイパス流路１０１ｃに流れる流量とセンサチューブ１０２ａに流れる流量の割合は既知であるので、センサチューブ１０２ａに流れる流量を計測することにより、上流流路１０１ａの流量を算出することができる。流量センサ１０２は、流量が増加してくると出力値が飽和するため、計測可能な流量の範囲は限られているが、バイパス流路１０１ｃを調整することで、上流流路１０１ａの流量、つまり流量制御装置１として計測可能な流量の範囲を調節する事ができる。

変換部１０３は、流量設定値を流量センサ１０２の出力値と比較可能な状態に変換した上で、流量センサ１０２の出力値と共に制御部１０４に出力する機能部である。変換部１０３は、流量センサ１０２の出力値を整流および増幅したり、ノイズ除去のために出力値にローパスフィルタをかけたりしてもよい。変換部１０３は、流量設定値に対して、流体の種類に応じた差異、および流量制御装置１の個体差等により生じる測定誤差を補正した上で、センサ出力目標値として制御部１０４に出力する。

制御部１０４は、流量センサ１０２の出力値と、センサ出力目標値とを比較し、比較の結果に基づいて制御弁１０５を制御する機能部である。

制御部１０４は、フィードバック制御を行うことにより、下流流路１０１ｂから排出される流量が流量設定値となるように、制御弁１０５の開度を制御する。制御部１０４は、ＣＰＵ、メモリＭ、Ａ／Ｄコンバータ等を内蔵している。制御部１０４は、後述する動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。

●関連技術の流量制御装置の制御ブロック図
図４に示すように、関連技術の流量制御装置は、制御ブロックとして、駆動回路１４１、流量センサ１０２およびセンサレスポンス調整回路１４３を有する。

駆動回路１４１は、駆動電流を制御弁１０５に印加する回路である。駆動回路１４１は、入力される流量設定値に基づいて制御弁１０５を開閉させ、実流量Ｑを変化させる。実流量Ｑは、流量制御装置１に物理的に流れている流体の流量である。

流量センサ１０２は、実流量Ｑを計測し、実流量Ｑに対応する電圧値をセンサレスポンス調整回路１４３に入力する。

センサレスポンス調整回路１４３は、流量センサ１０２の測定値の周波数特性を補正する回路である。センサレスポンス調整回路１４３は、例えば所定帯域に大きなゲインを有し、直流におけるゲインが0dBである、帯域増幅フィルタである。

駆動回路１４１、流量センサ１０２およびセンサレスポンス調整回路１４３は、この順に接続されて、フィードバックループを形成している。流量設定値とセンサレスポンス調整回路１４３の出力値との偏差が、駆動回路１４１に入力される。駆動回路１４１は、流量設定値とセンサレスポンス調整回路１４３の出力値との偏差に基づいて、制御弁１０５を駆動させる。また、センサレスポンス調整回路１４３の出力は、不図示の表示部に入力され、現在の流量を示す流量表示値として表示される。

関連技術の流量制御装置における応答速度保証値は、例えば１秒程度である。

●流量制御装置１の制御ブロック図および各フィルタの周波数特性
図２に示すように、流量制御装置１は、制御ブロックとして、駆動回路４１、流量センサ１０２、センサレスポンス調整回路４３、第１フィルタ４４および第２フィルタ４５を有する。駆動回路４１、流量センサ１０２、センサレスポンス調整回路４３および第１フィルタ４４は、流量設定値を入力とし、実流量Qを出力とするフィードバックループを構成する。流量設定値と、第１フィルタ４４の出力値との偏差が駆動回路４１に入力される。

駆動回路４１は、制御弁１０５に駆動電流を印加する回路である。駆動回路４１は、入力される流量設定値に基づいて制御弁１０５を開閉させ、実流量Ｑを変化させる。実流量Ｑは、流量制御装置１に物理的に流れている流体の流量である。

流量センサ１０２は、実流量Ｑを計測し、実流量Ｑに対応する電圧値をセンサレスポンス調整回路４３に入力する。

センサレスポンス調整回路４３は、流量センサ１０２の測定値の周波数特性を補正する回路である。熱式流量センサ１０２においては、流路を流れるガス等の流体による熱の輸送速度が、センサチューブ１０２ａや発熱抵抗体の熱容量に対して小さい場合、流体による熱の輸送速度が理論値よりも低くなり、計測値がブロードになる。すなわち、流量センサ１０２の計測値は、実流量Ｑに強力なローパスフィルタ（以下、「LPF」ともいう。）がかかった値となる。そこで、図３に示すように、センサレスポンス調整回路４３は、この流量センサ１０２に起因するLPFの減衰を打ち消すように、LPFの遮断帯域にゲインを有する帯域増幅フィルタである。また、センサレスポンス調整回路４３は、増幅される周波数帯よりも高域側を減衰させる、ローパス・ハイカットフィルタの性質をさらに有していてもよい。

図２に示す第１フィルタ４４は、センサレスポンス調整回路４３の出力が入力される周波数フィルタである。図３に示すように、第１フィルタ４４は、センサレスポンス調整回路４３の出力の、所定の周波数帯域を減衰させる。第１フィルタ４４は、減衰させる周波数帯域とは異なる周波数のゲインは変化させない。すなわち、当該周波数帯域以外の周波数帯のゲインは、おおむね１である。第１フィルタ４４における減衰帯域の中心周波数は、センサレスポンス調整回路４３における通過帯域の中心周波数よりも高い。

第１フィルタ４４は、所定の周波数帯域を減衰させ、低周波帯域の信号は通過させるため、信号が単調に変化している状況では入力される信号が遅れて出力されるような挙動を示す。したがって、このフィードバックループにおいては、実流量Ｑよりも遅れた信号と流量設定値との偏差をとることになる。実流量Ｑが流量設定値に対して徐々に近付いていく過渡応答を考えた際に、当該遅れた信号は、実流量Qよりも流量設定値との偏差が大きくなるため、第１フィルタ４４を介さない場合と比較して、制御弁１０５の駆動を大きくすることができる。そのため、フィードバック制御を早めることができ、応答速度を高速化することができる。流量制御装置１の応答速度は、例えば０．５秒程度であり、第１フィルタ４４が無い関連技術の流量制御装置に比べて、２倍程度の応答速度を実現できる。この構成によれば、特に、流量設定値が大きく変更されるときの過渡応答に対しても、高速に応答することができる。

第２フィルタ４５は、センサレスポンス調整回路４３の出力が入力される周波数フィルタであり、フィードバックループの外に配置されている。第２フィルタ４５の出力は、不図示の表示部に入力される。表示部は、第２フィルタ４５の出力に基づいて算出される現在の流量を、流量表示値として表示する。なお、表示部は、流量制御装置１が有する構成であってもよいし、流量制御装置１に接続される外部機器に設けられていてもよい。

図３に示すように、第２フィルタ４５は、センサレスポンス調整回路１４３の出力のうち、所定の周波数帯域を増幅させ、前記周波数帯域とは異なる周波数のゲインは変化させない。第１フィルタ４４および第２フィルタ４５の中心周波数は、ほぼ同等である。

第２フィルタ４５は、所定帯域の周波数を増幅するため、時間領域においては信号の変化を強調することになり、入力値が単調に変化している状況ではその変化する方向に対して値が補正を受けるため、このフィルタを通すことにより信号が加速された、と表現することもできる。第２フィルタ４５の出力値に基づいて流量表示値を算出する構成によれば、センサレスポンス調整回路４３の出力信号を加速させることで、実流量Qをより正確に反映した値を流量表示値として表示させることができる。

センサレスポンス調整回路４３、第１フィルタ４４および第２フィルタ４５は、アナログ信号を処理するアナログフィルタであってもよい。本構成によれば、例えばマイコンなどのデジタル回路で構成する場合と比較して、安価で構成でき、小さい消費電力で高速に処理を行うことができる。

センサレスポンス調整回路４３と第２フィルタ４５は、いずれも所定帯域を増幅させるBPFである。ここで、センサレスポンス調整回路４３と第２フィルタ４５の特性を合成して得られる周波数特性を１個の回路により実現するものとすると、周波数特性が急峻となり、ノイズが発生するおそれがある。流量センサ１０２の出力値を、センサレスポンス調整回路４３および第２フィルタ４５を介した上で流量表示値の算出に用いる構成によれば、SN比を担保することができる。

第１フィルタ４４および第２フィルタ４５は、ゲインの正負が異なるという意味で、互いに逆の周波数特性を有するフィルタである。また、センサレスポンス調整回路４３および第１フィルタ４４も、中心周波数は異なるが、互いに略逆の周波数特性を有する。互いに逆の周波数特性を有するフィルタを同一の信号にかけるものとすると、一度増幅される信号を減衰させることになるため、ＳＮ比を保つ上で望ましくない。センサレスポンス調整回路４３からの出力を分岐させ、第１フィルタ４４および第２フィルタ４５をそれぞれの経路上に配置する構成によれば、逆の周波数特性を有するフィルタの使用を最小限に留め、ＳＮ比を担保することができる。

また、センサレスポンス調整回路４３、第１フィルタ４４および第２フィルタ４５を別個の制御ブロックとする構成によれば、センサレスポンス調整回路４３、第１フィルタ４４および第２フィルタ４５をアナログ回路で構成した場合であっても、各アナログ素子に印加される電圧幅で信号を制御することができる。

このように、本発明にかかる流量制御装置によれば、応答精度の高い流量制御装置を得ることができる。

また、本発明にかかる流量制御装置によれば、第２フィルタの出力値に基づいて流量表示値を算出することで、実流量をより正確に反映した値を流量表示値として表示させることができる。

さらに、本発明にかかる流量制御装置によれば、各周波数フィルタをアナログフィルタで構成することで、例えばマイコンなどのデジタル回路で構成する場合と比較して、安価で構成でき、小さい消費電力で高速に処理を行うことができる。

さらに、本発明にかかる流量制御装置によれば、流量センサが熱式流量センサである場合にも、高い応答精度を実現できる。

１流量制御装置
４１駆動回路
４３センサレスポンス調整回路
４４第１フィルタ
４５第２フィルタ
１０２流量センサ
１０４制御部
１０５制御弁

Claims

流体の流量を計測する流量センサと、
前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記流量を変化させる制御弁と、
前記制御弁を駆動する駆動回路と、
前記流量センサの測定値の周波数特性を補正するセンサレスポンス調整回路と、
前記センサレスポンス調整回路の出力の、所定の周波数帯域を減衰させる第１フィルタと、
を備え、
前記流量センサの測定値は、実流量にローパスフィルタがかかった値であり、
前記センサレスポンス調整回路における前記流量センサの測定値の周波数特性の補正は、前記流量センサに起因するローパスフィルタの減衰を打ち消す補正を含み、
前記第１フィルタにおける減衰帯域の中心周波数は、前記センサレスポンス調整回路における通過帯域の中心周波数よりも高く、
前記駆動回路、前記流量センサ、前記センサレスポンス調整回路および前記第１フィルタを含むフィードバックループが構成され、
前記流量設定値と、前記第１フィルタの出力値と、の偏差が前記駆動回路に入力される、
流量制御装置。
前記制御部は、前記フィードバックループの外に、前記センサレスポンス調整回路の出力のうち所定の周波数帯域を増幅させ、前記周波数帯域とは異なる周波数のゲインは変化させない第２フィルタをさらに備える、
請求項１記載の流量制御装置。
前記センサレスポンス調整回路と前記第１フィルタは、アナログ信号を処理するアナログフィルタである、
請求項１又は２記載の流量制御装置。
前記流量センサは、熱式流量センサである、
請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御装置。
流体の流量を計測する流量センサと、
前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、
前記流量を変化させる制御弁と、
を備える流量制御装置を用いる流量制御方法であって、
前記制御弁を駆動する駆動ステップと、
前記流量を計測する計測ステップと、
前記流量センサの測定値の周波数特性をセンサレスポンス調整回路により補正するセンサレスポンス調整ステップと、
前記センサレスポンス調整ステップの出力の、所定の周波数帯域を第１フィルタにより減衰させる減衰ステップと、
を含み、
前記流量センサの測定値は、実流量にローパスフィルタがかかった値であり、
前記センサレスポンス調整ステップにおける、前記流量センサの測定値の周波数特性の補正は、前記流量センサに起因するローパスフィルタの減衰を打ち消す補正を含み、
前記第１フィルタにおける減衰帯域の中心周波数は、前記センサレスポンス調整回路における通過帯域の中心周波数よりも高く、
前記駆動ステップ、前記計測ステップ、前記センサレスポンス調整ステップおよび前記減衰ステップを含むフィードバックループが構成され、
前記流量設定値と、前記減衰ステップの取得値と、の偏差が前記駆動ステップの入力となる、
流量制御方法。
流体の流量を計測する流量センサと、
前記流体の流量が流量設定値になるように流量を調整する制御部と、
前記流量を変化させる制御弁と、
を備える流量制御装置の制御プログラムであって、
前記制御弁を駆動する駆動命令と、
前記流量を計測する計測命令と、
前記流量センサの測定値の周波数特性をセンサレスポンス調整回路により補正するセンサレスポンス調整命令と、
前記センサレスポンス調整命令の出力の、所定の周波数帯域を第１フィルタにより減衰させる減衰命令と、
をコンピュータに実行させ、
前記流量センサの測定値は、実流量にローパスフィルタがかかった値であり、
前記センサレスポンス調整命令における、前記流量センサの測定値の周波数特性の補正は、前記流量センサに起因するローパスフィルタの減衰を打ち消す補正を含み、
前記第１フィルタにおける減衰帯域の中心周波数は、前記センサレスポンス調整回路における通過帯域の中心周波数よりも高く、前記駆動命令、前記計測命令、前記センサレスポンス調整命令および前記減衰命令を含むフィードバックループが構成され、
前記流量設定値と、前記減衰命令の取得値と、の偏差が前記駆動命令の入力となる、
流量制御装置の制御プログラム。