(57)【特許請求の範囲】
【請求項２】
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。
【請求項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、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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７６０３１８６号公報
【特許文献２】特開２００１−１４７７２３号公報
【特許文献３】特開２０１２−１６８８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。
【発明の効果】
【００４３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】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。
【図２】制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図３】流量制御系の一例を示すブロック線図である。
【図４】流量制御系の他例を示すブロック線図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７Ａ】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。
【図７Ｂ】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。
【図７Ｃ】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。
【図７Ｄ】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。
【図８】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。
【図９Ａ】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９Ｂ】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１０Ａ】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１０Ｂ】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１１Ａ】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１１Ｂ】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１２】流量制御系の他例を示すブロック線図である。
【図１３】流量制御系の他例を示すブロック線図である。
【図１４Ａ】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１４Ｂ】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。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
【数１】
0005867517.tif 000002
【００８７】
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。
【００８８】
【数２】
0005867517.tif 000003
【００８９】
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。
【００９０】
【数３】
0005867517.tif 000004
【００９１】
（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。
【００９２】
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。
【００９３】
【数４】
0005867517.tif 000005
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
【数５】
0005867517.tif 000006
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
【数６】
0005867517.tif 000007
【０１００】
ここで、Ｇａｆ（ｓ）＝０とした場合、（７）式は、次の（８）式で表される。
【０１０１】
【数７】
0005867517.tif 000008
【０１０２】
（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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
【数８】
0005867517.tif 000009
【０１０６】
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。
【０１０７】
【数９】
0005867517.tif 000010
【０１０８】
一方、（６）式のＧｒｆ（ｓ）８４については、次の（１１）式となる。
【０１０９】
【数１０】
0005867517.tif 000011
【０１１０】
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。
【０１１１】
【数１１】
0005867517.tif 000012
【０１１２】
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。
【０１１３】
【数１２】
0005867517.tif 000013
【０１１４】
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。
【０１１５】
【数１３】
0005867517.tif 000014
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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）。
【０１２０】
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）。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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）。
【０１２３】
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）。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
【数１４】
0005867517.tif 000015
【０１４７】
ここで、Ｇａｆ（ｓ）＝０とした場合、（１３）式は、次の（１４）式で表される。
【０１４８】
【数１５】
0005867517.tif 000016
【０１４９】
（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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
【数１６】
0005867517.tif 000017
【０１５４】
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。
【０１５５】
【数１７】
0005867517.tif 000018
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【符号の説明】
【０１６４】
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）
【図１】
0005867517.tif 000019
【図２】
0005867517.tif 000020
【図３】
0005867517.tif 000021
【図４】
0005867517.tif 000022
【図５】
0005867517.tif 000023
【図６】
0005867517.tif 000024
【図７Ａ】
0005867517.tif 000025
【図７Ｂ】
0005867517.tif 000026
【図７Ｃ】
0005867517.tif 000027
【図７Ｄ】
0005867517.tif 000028
【図８】
0005867517.tif 000029
【図９Ａ】
0005867517.tif 000030
【図９Ｂ】
0005867517.tif 000031
【図１０Ａ】
0005867517.tif 000032
【図１０Ｂ】
0005867517.tif 000033
【図１１Ａ】
0005867517.tif 000034
【図１１Ｂ】
0005867517.tif 000035
【図１２】
0005867517.tif 000036
【図１３】
0005867517.tif 000037
【図１４Ａ】
0005867517.tif 000038
【図１４Ｂ】
0005867517.tif 000039