(57)【要約】【課題】ガス流量のふらつきを抑制しつつオリフィス径の大きな比例バルブに対応する。【解決手段】制御回路１１が、基準制御電圧レンジＷＳを拡張して設定した拡張制御電圧レンジＷＬに基づいて、操作量に応じた拡張制御電圧ＶＬを出力し、制御電圧変換回路１２が、制御回路１１からの拡張制御電圧ＶＬを、拡張制御電圧ＶＬの拡張制御電圧レンジＷＬから、基準制御電圧レンジＷＳに対応する基準制御電圧レンジＷＳに電圧変換し、得られた基準制御電圧ＶＳを出力し、電圧電流変換回路１３が、制御電圧変換回路１２からの基準制御電圧ＶＳを電圧電流変換し、得られた駆動電流ＩＬを比例バルブ２０のソレノイドＬに印加することによりガス流量Ｑを調整する。【選択図】  図１
2018055404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドに印加された駆動電流に応じて、流量制御対象となるガスが流れる流路に設けた弁の開度を調節する比例バルブと、操作量に応じた前記駆動電流を生成して前記ソレノイドに印加することにより前記流路におけるガス流量を制御する流量制御部とを備えるマスフローコントローラであって、
前記比例バルブは、基準となる基準比例バルブの基準オリフィス径より大きな拡張オリフィス径を有する拡張比例バルブからなり、
前記流量制御部は、
前記基準比例バルブの比例制御範囲に対応する基準流量制御レンジを拡張して予め設定した拡張流量制御レンジに基づいて、前記操作量に応じた拡張制御電圧を出力する制御回路と、
前記拡張制御電圧を、前記拡張制御電圧の拡張制御電圧レンジから、前記基準流量制御レンジに対応する基準制御電圧レンジに電圧変換し、得られた基準制御電圧を出力する制御電圧変換回路と、
前記基準制御電圧を電圧電流変換し、得られた駆動電流を前記比例バルブのソレノイドに印加することによりガス流量を調整する電圧電流変換回路とを備える
ことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項２】
請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
前記制御電圧変換回路は、前記拡張制御電圧レンジより高い電圧値を示す前記拡張制御電圧が入力された場合、前記比例バルブの全開を指示する電圧値を有する全開基準制御電圧を前記電圧電流変換回路へ出力し、
前記電圧電流変換回路は、前記全開基準制御電圧に応じて前記比例バルブを全開状態とする駆動電流を前記ソレノイドに印加する
ことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項３】
請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
前記拡張制御電圧レンジは、前記基準制御電圧レンジの基準下端値より低い電圧からなる拡張下端値と、前記基準制御電圧レンジの基準上端値より高い電圧からなる拡張上端値とを有し、
前記制御電圧変換回路は、入力された前記拡張制御電圧を、前記基準制御電圧レンジの電圧幅と拡張制御電圧レンジの電圧幅の比で分圧する分圧回路と、分圧して得られた前記基準制御電圧に、前記拡張下端値から前記基準下端値までの差分に相当するバイアス電圧を印加するバイアス回路とを有する
ことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項４】
請求項３に記載のマスフローコントローラにおいて、
前記制御電圧変換回路は、前記拡張上端値より高い電圧値を示す前記拡張制御電圧が入力された場合、前記分圧回路を短絡する短絡回路をさらに有し、
前記電圧電流変換回路は、前記短絡回路を介して入力された前記拡張制御電圧に応じて前記比例バルブを全開状態とする駆動電流を前記ソレノイドに印加する
ことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のマスフローコントローラにおいて、
前記流量制御部は、
入力された所定の強制全開指示信号に応じて、前記電圧電流変換回路に入力される前記基準制御電圧を所定の全開電圧に変更する強制全開制御回路と、
入力された所定の強制全閉指示信号に応じて、前記電圧電流変換回路に入力される前記基準制御電圧を所定の全閉電圧に変更する強制全閉制御回路とをさらに備え、
前記電圧電流変換回路は、前記基準制御電圧が前記全開電圧に変更された場合には、前記駆動電流を前記比例バルブが全開状態となる電流値に強制変更し、前記基準制御電圧が前記全閉電圧に変更された場合には、前記駆動電流を前記比例バルブが全閉状態となる電流値に強制変更する
ことを特徴とするマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準とするオリフィス径より大きなオリフィス径の比例バルブを制御するためのバルブ制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガス流量を調整するマスフローコントローラでは、流量制御対象となるガスが流れる流路内に、設置工事などにより空気が入った場合や、流路内に制御対象とは異なるガスを一時的に流した場合には、流路内の残留ガスを排出して、できるだけ流量制御対象となるガスに置換する必要がある。このため、マスフローコントローラには、比例バルブを全開とするバルブ全開モードが設けられている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００３】
図８は、一般的なマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。通常、流量設定値に基づく操作量に応じてＣＰＵにより比例バルブの開度を制御する場合、例えば操作量を全流量制御レンジにおける百分率（０〜１００％）で示すＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号からなるＰＷＭ信号Ｐが、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）で制御電圧ＶＳに変換された後、電圧電流変換回路で駆動電流ＩＬに変換され、比例バルブのソレノイドＬに印加される。バルブ全開モードでは、ＣＰＵから強制的に１００％のＰＷＭ信号Ｐを出力することにより、比例バルブが全開となる電流信号ＩＬがソレノイドＬに印加される。これにより、短時間で流路内のガスを置換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０８１９１４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０３３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バルブ全開時に流れるガス流量は、主に比例バルブのオリフィス径によって決定され、オリフィス径が大きいほど一度に多くのガスを流せるため、短時間で流路内のガスを置換することができる。このため、既存のマスフローコントローラにおいて、比例バルブをオリフィス径の大きなものに置換することにより、ガス置換に要する時間をさらに短縮する方法が考えられる。
【０００６】
しかしながら、マスフローコントローラで用いられる比例バルブは、予め規定された流量制御の分解能および流量制御レンジに最適なオリフィス径を選択する必要がある。したがって、図８に示すように、基準となる基準オリフィス径ΦＳに対応した流量制御レンジを持つマスフローコントローラで、基準オリフィス径ΦＳより大きな拡張オリフィス径ΦＬを有する比例バルブを制御させようとすると、流量制御レンジに対する流量変化幅が大きくなり、比例バルブの制御特性の傾きが急となる。
【０００７】
図９は、一般的な比例バルブの制御特性を示すグラフであり、横軸が比例バルブの流量制御レンジに相当するＰＷＭ信号Ｐの百分率を示し、縦軸が比例バルブのガス流量Ｑを示している（例えば、特許文献２など参照）。ここでは、基準流量制御レンジＤＳが、比例バルブの比例制御範囲に相当する２０〜６０％の範囲に設定されており、この基準流量制御レンジＤＳ内で、操作量に応じてＰＷＭ信号Ｐを変化させる場合が例として示されている。
【０００８】
基準オリフィス径ΦＳにおいて、ＰＷＭ信号Ｐが１００％の際に得られる全開ガス流量をＱＳとし、ΦＳより大きなオリフィス径ΦＬにおいて、ＰＷＭ信号Ｐが１００％の際に得られる全開ガス流量をＱＬとした場合、ＱＳ＜ＱＬとなる。このため、基準流量制御レンジＤＳでΦＳの比例バルブを制御する際のバルブ制御特性ＦＡの傾きに比較して、同じく基準流量制御レンジＤＳでΦＬの比例バルブを制御する際のバルブ制御特性ＦＢの傾きが急となる。なお、一般に、比例バルブの制御特性は、弁を開く場合の特性と閉じる場合の特性とが異なるヒステリシス特性を有している。
【０００９】
したがって、同じ流量レンジで比較すると、ΦＳに関する流量制御レンジに比較して、ΦＬに関する流量制御レンジが狭くなる。これにより、流量レンジに対する流量制御レンジの割合、すなわちΦＬに関する流量制御の分解能δＢが、ΦＳの分解能δＡより低下することになる。このため、単に比例バルブを大きなオリフィス径のものに置換すると、ＰＷＭ信号Ｐの微細な変化に起因するガス流量Ｑのふらつきが大きくなるという問題点がある。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、ガス流量のふらつきを抑制しつつ、オリフィス径の大きな比例バルブに対応できるバルブ制御技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明にかかるマスフローコントローラは、ソレノイドに印加された駆動電流に応じて、流量制御対象となるガスが流れる流路に設けた弁の開度を調節する比例バルブと、操作量に応じた前記駆動電流を生成して前記ソレノイドに印加することにより前記流路におけるガス流量を制御する流量制御部とを備えるマスフローコントローラであって、前記比例バルブは、基準となる基準比例バルブの基準オリフィス径より大きな拡張オリフィス径を有する拡張比例バルブからなり、前記流量制御部は、前記基準比例バルブの比例制御範囲に対応する基準流量制御レンジを拡張して予め設定した拡張流量制御レンジに基づいて、前記操作量に応じた拡張制御電圧を出力する制御回路と、前記拡張制御電圧を、前記拡張制御電圧の拡張制御電圧レンジから、前記基準流量制御レンジに対応する基準制御電圧レンジに電圧変換し、得られた基準制御電圧を出力する制御電圧変換回路と、前記基準制御電圧を電圧電流変換し、得られた駆動電流を前記比例バルブのソレノイドに印加することによりガス流量を調整する電圧電流変換回路とを備えている。
【００１２】
また、本発明にかかる上記マスフローコントローラの一構成例は、前記制御電圧変換回路が、前記拡張制御電圧レンジより高い電圧値を示す前記拡張制御電圧が入力された場合、前記比例バルブの全開を指示する電圧値を有する全開基準制御電圧を前記電圧電流変換回路へ出力し、前記電圧電流変換回路は、前記全開基準制御電圧に応じて前記比例バルブを全開状態とする駆動電流を前記ソレノイドに印加するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明にかかる上記マスフローコントローラの一構成例は、前記拡張制御電圧レンジが、前記基準制御電圧レンジの基準下端値より低い電圧からなる拡張下端値と、前記基準制御電圧レンジの基準上端値より高い電圧からなる拡張上端値とを有し、前記制御電圧変換回路は、入力された前記拡張制御電圧を、前記基準制御電圧レンジの電圧幅と拡張制御電圧レンジの電圧幅の比で分圧する分圧回路と、分圧して得られた前記基準制御電圧に、前記拡張下端値から前記基準下端値までの差分に相当するバイアス電圧を印加するバイアス回路とを有するものである。
【００１４】
また、本発明にかかる上記マスフローコントローラの一構成例は、前記制御電圧変換回路が、前記拡張上端値より高い電圧値を示す前記拡張制御電圧が入力された場合、前記分圧回路を短絡する短絡回路をさらに有し、前記電圧電流変換回路は、前記短絡回路を介して入力された前記拡張制御電圧に応じて前記比例バルブを全開状態とする駆動電流を前記ソレノイドに印加するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明にかかる上記マスフローコントローラの一構成例は、前記流量制御部が、入力された所定の強制全開指示信号に応じて、前記電圧電流変換回路に入力される前記基準制御電圧を所定の全開電圧に変更し、入力された所定の強制全閉指示信号に応じて、前記電圧電流変換回路に入力される前記基準制御電圧を所定の全閉電圧に変更する全開全閉制御回路をさらに備え、前記電圧電流変換回路は、前記基準制御電圧が前記全開電圧に変更された場合には、前記駆動電流を前記比例バルブが全開状態となる電流値に強制変更し、前記基準制御電圧が前記全閉電圧に変更された場合には、前記駆動電流を前記比例バルブが全閉状態となる電流値に強制変更するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基準制御電圧レンジより広い拡張制御電圧レンジに基づいて出力された拡張制御電圧が、基準制御電圧レンジの基準制御電圧に電圧変換された後、駆動電流に電圧電流変換されてソレノイドに印加されていることになる。このため、オリフィス径を大きな比例バルブに置換して全開流量が増大した場合でも、制御出力の流量制御レンジが拡張されるため、流量制御の分解能の低下を抑制することができる。したがって、制御出力の微細な変化に起因するガス流量のふらつきを抑制しつつ、オリフィス径の大きな比例バルブに対応することが可能となり、結果として、ガス置換に要する所要時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態にかかるマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。
【図２】流量制御レンジと制御電圧との対応関係を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態にかかるマスフローコントローラの要部構成例を示す回路図である。
【図４】制御電圧変換回路の電圧変換特性を示すグラフである。
【図５】流量制御部の流量制御特性を示すグラフである。
【図６】第１の実施の形態にかかるバルブ制御特性を示すグラフである。
【図７】第２の実施の形態にかかるマスフローコントローラの要部構成例を示す回路図である。
【図８】一般的なマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。
【図９】一般的な比例バルブの制御特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるマスフローコントローラ１について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるマスフローコントローラの構成を示すブロック図である。
【００１９】
このマスフローコントローラ１は、ソレノイドＬ（２１）に印加された駆動電流ＩＬに応じて、流量制御対象となるガスが流れる流路２３に設けた弁２２の開度を調節する比例バルブ２０と、流量設定値に基づく操作量に応じた駆動電流ＩＬを生成してソレノイドＬに印加することにより流路２３におけるガス流量Ｑを制御する流量制御部１０とを備えている。
【００２０】
本発明では、比例バルブ２０をオリフィス径の大きなものに置換することにより、ガス置換に要する時間を短縮することを前提とする。このため、比例バルブ２０は、基準となる基準比例バルブの基準オリフィス径ΦＳより大きな拡張オリフィス径ΦＬを有しているものとし、拡張比例バルブ２０と呼ぶ。
【００２１】
流量制御部１０には、主な回路部として、制御回路１１、制御電圧変換回路１２、および電圧電流変換回路１３が設けられている。
【００２２】
制御回路１１は、上位装置（図示せず）あるいは操作により設定された流量設定値、および流路２３から計測した実流量に基づいて、比例バルブ２０の弁２２の開度を示す操作量を計算し、得られた操作量に対応するデューティー比を有するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号Ｐを出力するＣＰＵ１１Ａと、ＣＰＵ１１ＡからのＰＷＭ信号Ｐを拡張制御電圧ＶＬに変換するローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）１１Ｂから構成されている。
【００２３】
制御電圧変換回路１２は、制御回路１１からの拡張制御電圧ＶＬを、拡張制御電圧ＶＬの拡張制御電圧レンジＷＬから、基準流量制御レンジＤＳに対応する基準制御電圧レンジＷＳに変換し、得られた基準制御電圧ＶＳを電圧電流変換回路１３に出力する機能を有している。
【００２４】
電圧電流変換回路１３は、制御電圧変換回路１２からの基準制御電圧ＶＳを電圧電流変換し、得られた駆動電流ＩＬを比例バルブ２０のソレノイドＬに印加することによりガス流量Ｑを調整する機能を有している。
【００２５】
一般に、マスフローコントローラ１で用いられる比例バルブ２０は、ソレノイドＬに印加された駆動電流ＩＬに対して弁２２が作動しない不感帯を有している。このため、駆動電流ＩＬの流量制御レンジは、この不感帯を除いた範囲である比例制御範囲に設定し、この比例制御範囲に対応する制御電圧レンジの制御電圧から、駆動電流ＩＬを生成してソレノイドＬに印加することになる。
【００２６】
例えば、ソレノイドＬの定格電流が１００ｍＡであり、０ｍＡ〜１００ｍＡの駆動電流ＩＬを０〜１００％の流量制御レンジに割り当てて制御するものとし、この流量制御レンジ＝０〜１００％を、０〜１００％のデューティー比からなるＰＷＭ信号Ｐで表すものとする。ここで、ＩＬが２０ｍＡ以下の範囲で弁２２が全閉となる不感帯が存在し、ＩＬが６０ｍＡ以上の範囲で弁２２が全開となる不感帯が存在する場合、流量制御レンジ０〜１００％のうち０％〜２０％と６０％〜１００％の範囲とが不感帯となり、２０〜６０％の範囲が比例制御範囲となる。
【００２７】
このため、一般的には、これら不感帯を流量制御レンジから除外し、残りの２０〜６０％の比例制御範囲に対して、実際の流量制御に用いる基準流量制御レンジＤＳに割り当てて、この範囲で、比例バルブ２０のバルブ制御特性ＦＡに基づいて、ガス流量Ｑを０から全開ガス流量ＱＳまで制御している。
これにより、操作量に応じたＰＷＭ信号Ｐは、この基準流量制御レンジＤＳの範囲で生成し、得られたＰＷＭ信号Ｐを基準流量制御レンジＤＳに対応する基準制御電圧レンジＷＳの基準制御電圧ＶＳに変換し、さらにこの基準制御電圧ＶＳを駆動電流ＩＬに変換することになる。
【００２８】
本発明は、駆動電流ＩＬの流量制御レンジには、このような不感帯が存在しており、流量制御には使用していなかった未使用の流量制御レンジが存在していることに着目し、この未使用流量制御レンジまで基準流量制御レンジＤＳを拡張した拡張流量制御レンジＤＬに基づいて、制御回路１１で拡張制御電圧レンジＷＬの拡張制御電圧ＶＬを生成し、この拡張制御電圧ＶＬを制御電圧変換回路１２で元の基準流量制御レンジＤＳに対応する基準制御電圧レンジＷＳの基準制御電圧ＶＳに戻すようにしたものである。
【００２９】
図２は、流量制御レンジと制御電圧との対応関係を示す説明図である。ここでは、ＰＷＭ信号Ｐのデューティー比０〜１００％が制御電圧０〜５Ｖに相当しており、駆動電流ＩＬの制御範囲が０〜１００ｍＡであるものとする。また、拡張オリフィス径ΦＳの基準比例バルブにおける全開ガス流量ＱＳが５Ｌ／ｍｉｎであり、拡張オリフィス径ΦＬの拡張比例バルブにおける全開ガス流量ＱＬが１０Ｌ／ｍｉｎであるものとする。
【００３０】
図２において、ケースＡは、前述の図８の構成に基づいて、基準オリフィス径ΦＳの基準比例バルブを用いた構成であり、ケースＢは、同じく図８の構成に基づいて、拡張オリフィス径ΦＬの拡張比例バルブを用いた構成である。また、ケースＣは、本発明にかかる図１の構成に基づいて、拡張オリフィス径ΦＬの拡張比例バルブを用いた構成である。
【００３１】
ケースＡでは、流量制御レンジが基準流量制御レンジＤＳであるため、デューティー比が２０〜６０％のＰＷＭ信号Ｐが、１〜３Ｖの基準制御電圧レンジＷＳに基づく基準制御電圧ＶＳに変換され、これが駆動電流ＩＬ０〜１００ｍＡに変換されてソレノイドＬに印加される。これにより、ガス流量Ｑが０〜５（＝ＱＳ）Ｌ／ｍｉｎの間で制御されることになる。
ケースＢは、ケースＡとほぼ同様であるが、拡張オリフィス径ΦＬが大きいため、ガス流量Ｑが０〜１０（＝ＱＬ）Ｌ／ｍｉｎの間で制御されることになる。
【００３２】
一方、ケースＣでは、流量制御レンジが拡張流量制御レンジＤＬであるため、デューティー比が０〜９５％のＰＷＭ信号Ｐが、０〜４．７５Ｖ（＝５Ｖ×９５％）の拡張制御電圧レンジＷＬに基づく拡張制御電圧ＶＬに変換された後、１〜３Ｖの基準制御電圧レンジＷＳに基づく基準制御電圧ＶＳに変換され、これが駆動電流ＩＬ０〜１００ｍＡに変換されてソレノイドＬに印加される。これにより、ガス流量Ｑが０〜１０（＝ＱＬ）Ｌ／ｍｉｎの間で制御されることになる。
【００３３】
したがって、単に大きい拡張オリフィス径ΦＬを持つ拡張比例バルブに置換したケースＢでは、基準制御電圧レンジＷＳが変わらずにガス流量Ｑの範囲だけが拡張されているため、分解能δＢ（＝０．２５［［Ｌ／ｍｉｎ］／％）が、ケースＡの分解能δＡ（＝０．１２５［［Ｌ／ｍｉｎ］／％］）より低下していることがわかる。
一方、本発明のケースＣの例では、基準流量制御レンジＤＳの約２倍まで拡張流量制御レンジＤＬが拡張されているため、ガス流量Ｑの範囲が拡張されても、ケースＡの分解能δＡとほぼ同じレベルの分解能δＣ（＝０．１０５［［Ｌ／ｍｉｎ］／％］）が得られており、分解能の低下が抑制されていることが分かる。これにより、ＰＷＭ信号Ｐの微細な変化に起因するガス流量Ｑのふらつきを抑制することができる。
【００３４】
また、拡張制御電圧ＶＬのうちＷＬの拡張上端値４．７５Ｖ（ＤＬ＝９５％）を超えた部分については、元々、比例バルブ２０の比例制御範囲を超えており、比例バルブ２０が全開となる不感帯に相当することになる。本発明は、ＷＬの拡張上端値を超えた部分が比例バルブ２０が全開となる不感帯に必ず相当することに着目し、制御電圧変換回路１２で、この部分の拡張制御電圧ＶＬを基準制御電圧ＶＳとして出力することにより、拡張流量制御レンジＤＬのうち、９５〜１００％の範囲の拡張制御電圧ＶＬに応じて、バルブ全開とする駆動電流ＩＬがソレノイドＬに印加されるようにしたものである。
【００３５】
［回路構成］
次に、図３を参照して、本実施の形態にかかるマスフローコントローラ１の回路構成について説明する。図３は、第１の実施の形態にかかるマスフローコントローラの要部構成例を示す回路図である。
【００３６】
［電圧電流変換回路］
本実施の形態にかかる電圧電流変換回路１３には、入力された基準制御電圧ＶＳを増幅するオペアンプＵＡと、ＵＡの増幅出力に応じて比例バルブ２０のソレノイドＬを駆動するＮＭＯＳトランジスタＭＬと、負荷抵抗ＲＬとが設けられている。
【００３７】
具体的には、ＵＡは、制御電源Ｖｃと接地電位ＧＮＤとで動作し、非反転入力端子（＋）に基準制御電圧ＶＳが入力され、反転入力端子がＭＬのソース端子に接続され、出力端子がＭＬのゲート端子に接続されている。また、ＭＬは、ドレイン端子がソレノイドＬを介して駆動電源Ｖｄに接続され、ソース端子がＲＬを介してＧＮＤに接続されている。
これにより、入力された基準制御電圧ＶＳが駆動電流ＩＬに電圧電流変換されてソレノイドＬに印加される。
【００３８】
［制御電圧変換回路］
本実施の形態にかかる制御電圧変換回路１２には、分圧回路１２Ａ、バイアス回路１２Ｂ、および短絡回路１２Ｃが設けられている。ここでは、拡張制御電圧レンジＷＬは、基準制御電圧レンジＷＳの基準下端値より低い電圧からなる拡張下端値と、基準制御電圧レンジＷＳの基準上端値より高い電圧からなる拡張上端値とを有するものとする。
【００３９】
分圧回路１２Ａは、入力された拡張制御電圧ＶＬを、基準制御電圧レンジＷＳの電圧幅と拡張制御電圧レンジＷＬの電圧幅の比で分圧することにより、基準制御電圧ＶＳを出力する機能を有している。この分圧回路１２Ａの回路構成例は、一端に拡張制御電圧ＶＬが入力される抵抗素子Ｒ１と、一端がＲ１の他端に接続されて他端がバイアス回路１２Ｂに接続された抵抗素子Ｒ２とからなり、Ｒ１とＲ２の接続ノードから、基準制御電圧ＶＳが出力される。
【００４０】
バイアス回路１２Ｂは、分圧回路１２Ａで分圧して得られた基準制御電圧ＶＳに、拡張制御電圧レンジＷＬの拡張下端値から基準制御電圧レンジＷＳの基準下端値までの差分に相当するバイアス電圧Ｖｂを印加する機能を有している。このバイアス回路１２Ｂの回路構成例は、一端が制御電圧Ｖｃに接続された抵抗素子Ｒ３と、一端が抵抗素子Ｒ３の他端とＲ２の他端に接続され、他端がＧＮＤに接続された抵抗素子Ｒ４とからなり、Ｒ３とＲ４の接続ノードから、分圧回路１２Ａに対してバイアス電圧Ｖｂが出力される。
【００４１】
短絡回路１２Ｃは、拡張制御電圧レンジＷＬの拡張上端値より高い電圧値を示す拡張制御電圧ＶＬが入力された場合、分圧回路１２Ａを短絡する機能を有している。この短絡回路１２Ｃの回路構成例は、カソード端子がＲ１の一端に接続され、アノード端子がＲ１の他端に接続されて、拡張上端値に相当するツェナー電圧を持つツェナーダイオードＺＤ１からなり、拡張上端値より高い拡張制御電圧ＶＬが入力された場合、ＺＤ１によりＲ１すなわち分圧回路１２Ａが短絡して、拡張制御電圧ＶＬがそのまま基準制御電圧ＶＳとして出力される。
【００４２】
図４は、制御電圧変換回路の電圧変換特性を示すグラフであり、横軸が拡張制御電圧ＶＬを示し、縦軸が基準制御電圧ＶＳを示している。
例えば、基準制御電圧レンジＷＳが１Ｖ（＝基準下端値）〜３Ｖ（＝基準上端値）であり、拡張制御電圧レンジＷＬが０Ｖ（拡張下端値）〜４．７５Ｖ（拡張上端値）である場合、電圧変換特性ＦＶに基づいて、制御電圧変換回路１２により、ＷＬである０〜４．７５Ｖの値をとる拡張制御電圧ＶＬが、ＷＳである１〜３Ｖの値をとる基準制御電圧ＶＳに電圧変換される。
【００４３】
この際、電圧変換特性ＦＶとして、ＷＬの電圧幅４．７５ＶをＷＳの電圧幅２Ｖに分圧（縮小）するとともに、ＷＬの拡張下端値０ＶをＷＳの基準下端値１Ｖまで嵩上げする電圧変換特性が必要となる。制御電圧変換回路１２では、分圧回路１２Ａが上記分圧を行い、バイアス回路１２Ｂが上記嵩上げを行うことになる。
【００４４】
また、拡張制御電圧ＶＬのうちＷＬの拡張上端値４．７５Ｖを超えた部分については、比例バルブ２０が全開となるバルブ全開モードとするため、電圧変換特性ＦＶとして、拡張上端値４．７５Ｖを超えた拡張制御電圧ＶＬを基準制御電圧ＶＳとしてそのまま短絡出力する短絡特性が必要となる。制御電圧変換回路１２では、短絡回路１２Ｃが上記短絡を行うことになる。
【００４５】
図５は、流量制御部の流量制御特性を示すグラフであり、横軸がＰＷＭ信号Ｐを示し、縦軸が駆動電流ＩＬを示している。
ここでは、ＰＷＭ信号Ｐの拡張流量制御レンジＤＬ０〜９５％が、図４の拡張制御電圧レンジＷＬ０〜４．７５Ｖに対応している。また、駆動電流ＩＬ２０〜６０ｍＡが、図４の基準制御電圧レンジＷＳ１〜３Ｖに相当する基準流量制御レンジＤＳ２０〜６０％に対応している。
【００４６】
この流量制御特性ＦＩにより、拡張流量制御レンジＤＬのＰＷＭ信号Ｐが、駆動電流ＩＬ２０〜６０ｍＡに変換されるため、操作量に応じたＰＷＭ信号Ｐが拡張流量制御レンジＤＬ０〜９５％内で出力されることにより、駆動電流ＩＬが２０〜６０ｍＡの範囲でソレノイドＬに印加されることになる。
また、拡張流量制御レンジＤＬ９５％を超えたＰＷＭ信号Ｐについては、比例バルブ２０が全開となる６０ｍＡ以上の駆動電流ＩＬがソレノイドＬに印加されることになる。
【００４７】
図６は、第１の実施の形態にかかるバルブ制御特性を示すグラフであり、横軸がＰＷＭ信号Ｐを示し、縦軸がバルブ流量Ｑを示している。
バルブ制御特性ＦＡは、前述した図２のケースＡに相当し、基準流量制御レンジＤＳでオリフィス径ΦＳの比例バルブ２０を制御する際の制御特性であり、バルブ制御特性ＦＢは、前述した図２のケースＢに相当し、基準流量制御レンジＤＳでオリフィス径ΦＬの比例バルブ２０を制御する際の制御特性である。バルブ制御特性ＦＣは、前述した図２のケースＣに相当し、拡張流量制御レンジＤＬでオリフィス径ΦＬの比例バルブ２０を制御する際の制御特性、すなわち本発明にかかる制御特性である。
【００４８】
この際、拡張流量制御レンジＤＬが基準流量制御レンジＤＳの約２倍に設定されているため、全開流量ＱＬが全開流量ＱＳの２倍とした場合でも、バルブ制御特性ＦＣの傾きは、元のバルブ制御特性ＦＡとほぼ同様である。したがって、バルブ制御特性ＦＣの分解能δＡが、バルブ制御特性ＦＡの分解能δＡとほぼ同じレベルに維持されており、バルブ制御特性ＦＢの分解能δＢより大幅に改善されていることがわかる。
【００４９】
なお、本実施の形態において、説明に用いた流量制御レンジ、電圧値、電流値、流量、分解能などの具体的数値は、あくまでも発明の内容を容易に理解するための一例であり、本実施の形態は、これら数値に限定されるものではなく、他の数値を用いて本実施の形態を実施してもよい。
【００５０】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、流量制御部１０において、制御回路１１が、基準制御電圧レンジＷＳを拡張して設定した拡張制御電圧レンジＷＬに基づいて、操作量に応じた拡張制御電圧ＶＬを出力し、制御電圧変換回路１２が、制御回路１１からの拡張制御電圧ＶＬを、拡張制御電圧ＶＬの拡張制御電圧レンジＷＬから、基準制御電圧レンジＷＳに対応する基準制御電圧レンジＷＳに電圧変換し、得られた基準制御電圧ＶＳを出力し、電圧電流変換回路１３が、制御電圧変換回路１２からの基準制御電圧ＶＳを電圧電流変換し、得られた駆動電流ＩＬを比例バルブ２０のソレノイドＬに印加することによりガス流量Ｑを調整するようにしたものである。
【００５１】
これにより、基準制御電圧レンジＷＳより広い拡張制御電圧レンジＷＬに基づいて出力された拡張制御電圧ＶＬが、基準制御電圧レンジＷＳの基準制御電圧ＶＳに電圧変換された後、駆動電流ＩＬに電圧電流変換されてソレノイドＬに印加されていることになる。このため、オリフィス径の大きな比例バルブ２０に置換して全開流量が増大した場合でも、ＰＷＭ信号Ｐの流量制御レンジが拡張されるため、流量制御の分解能の低下を抑制することができる。したがって、ＰＷＭ信号Ｐの微細な変化に起因するガス流量Ｑのふらつきを抑制しつつ、オリフィス径の大きな比例バルブ２０に対応することが可能となり、結果として、ガス置換に要する所要時間を短縮することが可能となる。
【００５２】
［第２の実施の形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるマスフローコントローラ１について説明する。図７は、第２の実施の形態にかかるマスフローコントローラの要部構成例を示す回路図である。
図３と比較して、図７には、強制全開制御回路１４と強制全閉制御回路１５とが追加されている。
【００５３】
強制全開制御回路１４は、所定の強制全開指示信号ＳＯが入力された場合、基準制御電圧ＶＳを、比例バルブ２０の全開を指示する全開電圧ＶＯに強制変更する機能を有している。この強制全開制御回路１４の回路構成例は、ゲート端子に強制全開指示信号ＳＯが入力され、ソース端子が接地電位ＧＮＤに接続されたＮＭＯＳトランジスタＭ１と、Ｍ１のゲート端子とソース端子との間に接続された抵抗素子Ｒ５と、ゲート端子がＭ１のドレイン端子に接続され、ソース端子が制御電源Ｖｃに接続され、ドレイン端子が抵抗素子Ｒ７を介して分圧回路１２Ａから出力される基準制御電圧ＶＳに接続されたＰＭＯＳトランジスタＭ２と、Ｍ２のゲート端子とソース端子との間に接続された抵抗素子Ｒ６とからなり、ＳＯに応じて全開電圧ＶＯが出力される。これにより、電圧電流変換回路１３において、比例バルブ２０が全閉状態となる電流値、例えば１００ｍＡに駆動電流ＩＬが強制変更される。
【００５４】
強制全閉制御回路１５は、所定の強制全閉指示信号ＳＣが入力された場合、基準制御電圧ＶＳを、比例バルブ２０の全閉を指示する全閉電圧ＶＣに強制変更する機能とを有している。この強制全閉制御回路１５の回路構成例は、ゲート端子に強制全開指示信号ＳＣが入力され、ソース端子が接地電位ＧＮＤに接続され、ドレイン端子が抵抗素子Ｒ９を介して基準制御電圧ＶＳに接続されたＮＭＯＳトランジスタＭ３と、Ｍ３のゲート端子とソース端子との間に接続された抵抗素子Ｒ８とからなり、ＳＣに応じて全閉電圧ＶＣが出力される。これにより、電圧電流変換回路１３において、比例バルブ２０が全閉状態となる電流値、例えば０ｍＡに駆動電流ＩＬが強制変更される。
【００５５】
したがって、例えばガス置換時などに、上位装置あるいは操作により入力された全開指示操作に応じて、ＣＰＵ１１Ａから、Ｖｃと等しい５Ｖの強制全開指示信号ＳＯが入力された場合、Ｍ１がオンしてＭ２もオンし、Ｖｃと等しい５Ｖの全開電圧ＶＯが強制全開制御回路１４から出力される。このため、電圧電流変換回路１３に入力される基準制御電圧ＶＳが全開電圧ＶＯに変更されて、駆動電流ＩＬが全開を指示する電流値、例えば１００ｍＡに強制変更され、比例バルブ２０が全開状態となる。
【００５６】
また、上位装置あるいは操作により入力された全閉指示操作に応じて、ＣＰＵ１１Ａから、Ｖｃと等しい５Ｖの強制全閉指示信号ＳＣが入力された場合、Ｍ３がオンし、ＧＮＤと等しい０Ｖの全閉電圧ＶＣが強制全閉制御回路１５から出力される。このため、電圧電流変換回路１３に入力される基準制御電圧ＶＳが全閉電圧ＶＣに変更されて、駆動電流ＩＬが全閉を指示する電流値、例えば０ｍＡに強制変更され、比例バルブ２０が全閉状態となる。
【００５７】
［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、強制全開制御回路１４が、入力された所定の強制全開指示信号ＳＯに応じて、電圧電流変換回路１３に入力される基準制御電圧ＶＳを所定の全開電圧ＶＯに変更し、強制全閉制御回路１５が、入力された所定の強制全閉指示信号ＳＣに応じて、電圧電流変換回路１３に入力される基準制御電圧ＶＳを所定の全閉電圧ＶＣに変更し、電圧電流変換回路１３が、基準制御電圧ＶＳが全開電圧ＶＯに変更された場合には、駆動電流ＩＬを比例バルブ２０が全開状態となる電流値に強制変更し、基準制御電圧ＶＳが全閉電圧ＶＣに変更された場合には、駆動電流ＩＬを比例バルブ２０が全閉状態となる電流値に強制変更するようにしたものである。
【００５８】
これにより、強制全開指示信号ＳＯに応じて比例バルブ２０を強制的に全開状態とし、強制全閉指示信号ＳＣに応じて比例バルブ２０を強制的に全閉状態とすることができる。したがって、ＰＷＭ信号Ｐを０％や１００％に制御することにより、比例バルブ２０を全閉状態や全開状態とする場合と比較して、より短い時間で全閉状態や全開状態とすることができる。
【００５９】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１…マスフローコントローラ、１０…流量制御部、１１…制御回路、１１Ａ…ＣＰＵ、１１Ｂ…ローパスフィルタ、１２…制御電圧変換回路、１２Ａ…分圧回路、１２Ｂ…バイアス回路、１２Ｃ…短絡回路、１３…電圧電流変換回路、１４…強制全開制御回路、１５…強制全閉制御回路、２０…比例バルブ、２１，Ｌ…ソレノイド、２２…弁、２３…流路、Ｐ…ＰＷＭ信号、ＤＬ…拡張流量制御レンジ、ＷＬ…拡張制御電圧レンジ、ＶＬ…拡張制御電圧、ＤＳ…基準流量制御レンジ、ＷＳ…基準制御電圧レンジ、ＶＳ…基準制御電圧、ＩＬ…駆動電流、ΦＬ，ΦＳ…オリフィス径、Ｑ，ＱＬ，ＱＳ…ガス流量、δ，δＡ，δＢ，δＣ…分解能、ＦＶ…電圧変換特性、ＦＩ…流量制御特性、ＦＡ，ＦＢ，ＦＣ…バルブ制御特性。
【図１】
2018055404.tif 000003
【図２】
2018055404.tif 000004
【図３】
2018055404.tif 000005
【図４】
2018055404.tif 000006
【図５】
2018055404.tif 000007
【図６】
2018055404.tif 000008
【図７】
2018055404.tif 000009
【図８】
2018055404.tif 000010
【図９】
2018055404.tif 000011