(57)【要約】本発明は時間ベース流量制御装置、より詳細には制御性及び制御精度に優れた機械的同期式流量制御装置に関する。本装置は、貯蔵槽１ａ、１ｂ、流入路１４、流出路２４、開閉手段３及び制御部を含む。開閉手段３は流体が通過する通路３ａを具備し、機械的サイクルをもって作動して、流出路２４が閉鎖された状態で流入路１４が開放され、また流入路１４が閉鎖された状態で流出路２４が開放されるように、機械的サイクルは通路３ａの位置変化に従って、通路３ａが流入路１４と連通して流入路１４を開放する流入路開放期間と、通路３ａが流出路２４と連通して流出路２４を開放する流出路開放期間を、位相差を置いて含む。制御部は、開閉手段３の開閉サイクル速度及び／又は開閉手段３の単位開閉サイクル当たりの貯蔵槽１ａ、１ｂに貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することで、貯蔵槽１ａ、１ｂから流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する。【選択図】図５
2008520033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵槽と、
前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽に流体を流入させる流入路と、
前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽から流体を流出させる流出路と、
流体が通過する通路を具備し、機械的サイクルをもって作動する開閉手段であって、前記機械的サイクルは前記通路の位置変化に従って、前記通路が前記流入路と連通して前記流入路を開放する流入路開放期間及び前記通路が前記流出路と連通して前記流出路を開放する流出路開放期間を、両者間に位相差を置いて含むことで、前記流出路が閉鎖された状態で前記流入路が開放され、また前記流入路が閉鎖された状態で前記流出路が開放されるようにした開閉手段と、
前記開閉手段の開閉サイクル速度及び／又は前記開閉手段の単位開閉サイクル当たりの前記貯蔵槽に貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することによって、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を具備することを特徴とする機械的同期式流量制御装置。
【請求項２】
前記開閉手段が回転型である、ことを特徴とする請求項１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項３】
前記流入路と前記流出路が相互に交差するように設置されており、
前記開閉手段は、前記流入路と前記流出路が相互に交差する位置に設置されるボールバルブであって、前記ボールバルブの回転によって前記流入路又は前記流出路を、位相差を置いて選択的に開放する、ことを特徴とする請求項２に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項４】
前記開閉手段の前記通路は、前記開閉手段の回転軸方向に向いた開口を具備し、前記通路は前記流入路及び前記流出路と、前記通路の回転経路上で位相差を置いて会合するように設置され、
前記開閉手段は回転によって、前記流入路又は前記流出路を、位相差を置いて選択的に開放する、ことを特徴とする請求項２に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項５】
前記流入路及び／又は前記流出路を複数具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項６】
前記開閉手段が複数の通路を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項７】
単一軸上に設置された複数の開閉手段を具備し、各開閉手段が対応する流入路と流出路を、位相差を置いて選択的に開放する、ことを特徴とする請求項１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項８】
複数の流入路を通じて異なる流体が前記貯蔵槽に流入すること、を特徴とする請求項５又は請求項７に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項９】
貯蔵槽と、
前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽に流体を流入させる流入路と、
前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽から流体を流出させる流出路と、
単一軸上で機械的サイクルをもって回転する開閉手段であって、前記機械的サイクルが、前記流入路を開放する流入路開放期間及び前記流出路を開放する流出路開放期間を、位相差を置いて含むことで、前記流出路が閉鎖された状態で前記流入路が開放され、また前記流入路が閉鎖された状態で前記流出路が開放されるようにした開閉手段と、
前記開閉手段の開閉サイクル速度及び／又は前記開閉手段の単位開閉サイクル当たりの前記貯蔵槽に貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することによって、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を具備することを特徴とする機械的同期式流量制御装置。
【請求項１０】
前記開閉手段が、前記単一軸上で別個に設置されて一体に回転する流入路開閉手段及び流出路開閉手段を有しており、
前記流入路開閉手段は前記流入路を開放し、前記流出路開閉手段は位相差を置いて前記流出路を開放することを特徴とする、請求項９に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項１１】
前記制御部が前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを制御することにより、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項７、請求項９及び請求項１０のいずれか１項に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項１２】
前記貯蔵槽内の圧力を検出する圧力検出手段を含み、前記制御部が前記圧力検出手段によって検出された前記貯蔵槽内の圧力に基づいて前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを決定する、ことを特徴とする請求項１１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項１３】
前記開閉手段の開閉サイクル速度が臨界開閉サイクル速度、すなわち前記貯蔵槽内の圧力が前記流入路の前段での上流圧力まで上昇して前記貯蔵槽の流出路の後段での下流圧力まで低下するのに必要な開閉サイクル速度よりも小さくなる大きさの開閉駆動力が前記開閉手段に与えられる、ことを特徴とする請求項１２に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項１４】
前記流体が非圧縮性流体であって、
前記貯蔵槽の体積が循環サイクル内で変化する、ことを特徴とする請求項１１に記載の機械的同期式流量制御装置。
【請求項１５】
前記貯蔵槽の体積を検出する体積検出手段を具備しており、前記制御部が前記体積検出手段によって検出された前記貯蔵槽の体積に基づいて前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを決定する、ことを特徴とする請求項１４に記載の機械的同期式流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間ベース流量制御装置に関するもので、より詳細には制御性及び制御精度に優れた機械的同期式の時間ベース流量制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流量制御装置（ＭＦＣ）は、電子装置や流体装置等の様々な分野に幅広く使用されている。例えば、半導体製造において、各工程に供給される流体は正確な流量値制御を行うことが求められ、半導体集積度が向上して内部素子の大きさが大幅に縮小されることによって各工程に供給される流体流量の制御精度がさらに重要視されてきている。
【０００３】
しかし、流量は直接的に測定制御することが非常に困難な物理量である。また、特許文献１乃至４に開示されているように、現在多様な方式の流量測定及び制御装置が提案されて使用されているが、その構造が複雑なだけでなくその設置及び維持費が多くかかるという問題点があった。すなわち、従来の流量制御装置は、非常に専門的で高価な装置である。
【０００４】
従って、本出願人は従来の方式とは全く異なる新しい概念に着眼して、測定及び制御が容易であって、かつ精密な時間ベース流量制御装置を提案したことがある。それらは特許文献５乃至７である。
【０００５】
これらの流量制御装置は、例えば水晶振動子計時装置（ｑｕａｒｔｚ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｔｉｍｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）等を使用して、いかなる物理量よりも非常に精密でありながら安価に測定可能であって、時間ベースの流量を測定及び制御するものであり、精緻な器具的構成を用いなくても非常に精密な流量制御が可能である。
【０００６】
本出願人の前記時間ベース流量制御装置に対して下記に概略的に説明する。
【０００７】
図１は、本出願人の先願である特許文献５に開示された圧縮性流体の流量制御に使用する時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【０００８】
図１の流量制御装置は、貯蔵槽１ａと、該貯蔵槽１ａの流入部を開閉する流入部開閉手段１３と、前記貯蔵槽１ａの流出部を開閉する流出部開閉手段２３と、前記貯蔵槽１ａの圧力を検出するための圧力検出手段５と、及び前記流出部開閉手段２３が閉鎖された状態で気体が前記貯蔵槽１ａ内に流入するように前記流入部開閉手段１３を開放して、前記流入部開閉手段１３が閉鎖された状態で気体が前記貯蔵槽１ａから流出するように前記流出部開閉手段２３を開放して、前記流入部開閉手段１３及び前記流出部開閉手段２３の単位時間当たりの開閉回数及び／又は前記流入部開閉手段１３及び前記流出部開閉手段２３の単位開閉当たりの前記貯蔵槽１ａに貯蔵及び放出される気体の質量又は体積を制御することにより、前記貯蔵槽１ａから流出供給される気体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を含んでなる。
【０００９】
好ましくは、貯蔵槽１ａの流入部の前段に設置されて供給気体の圧力を一定に調節する圧力調節手段１１と、貯蔵槽１ａの流出部の後段に設置されて貯蔵槽１ａから流出する気体の流量変動を最小化する緩衝槽１５を含むことができる。
【００１０】
圧縮性気体の流れに従って詳しく見てみると、圧力調節手段１１によって一定な圧力に調節された気体は、流入部開閉手段１３が開放された時、貯蔵槽１ａ内に流入する。ここで、流出部開閉手段２３は閉鎖状態にある。その後、貯蔵槽１ａ内の圧力が所定圧力まで上昇すると、流入部開閉手段１３を閉鎖して、流出部開閉手段２３を開放する。貯蔵槽１ａを通り抜けてきた気体は、貯蔵槽１ａに比べて体積が大きい緩衝槽１５を経由した後で、気体使用装置に供給される。
【００１１】
図１の流量制御装置は、「バケット＆ストップウオッチ」流量制御方法と名付けることができる非常に簡単な原理に基づく。すなわち、所定質量又は所定体積のバケットを満たした後でそれを捨てる過程を単純に反復することから、「（満たして捨てる動作回数）×（バケット内の質量又は体積）÷総所要時間」という、簡単な計算だけで流量を知ることができ、また、各項の値を制御することにより流量を制御できるからである。
【００１２】
しかし、図１の流量制御装置は、圧縮性気体には非常に強力な流量制御手段として機能することができるが、非圧縮性流体の制御には適用し難いため限界を有する。すなわち、図１の流量制御装置は、固定体積貯蔵槽１ａを基礎とする。従って、貯蔵槽１ａの流入部の入口条件が変化しない以上、１サイクル当たりの固定体積貯蔵槽１ａに貯蔵されて放出される非圧縮性流体の質量は変化することなく、常に一定である。従って、本出願人はこのような点に着眼して非圧縮性流体の流量制御に適用することができる図２のような流量制御装置を提案した。
【００１３】
図２は、本出願人の他の先願である特許文献６にて提案された、非圧縮性流体の流量制御に使用する時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図面である。
【００１４】
図２の流量制御装置は、図１の固定体積貯蔵槽１ａの代りに循環サイクルをもって体積が変化する貯蔵槽１ｂを使用する。
【００１５】
図３及び図４は、本出願人のさらに別の先願である特許文献７にて提案された、機械的同期式流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３を具備する時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図面である。
【００１６】
図３及び図４の流量制御装置は、貯蔵槽１ａ、１ｂと、これら貯蔵槽１ａ、１ｂの流入部を開放する流入部開放期間と前記貯蔵槽１ａ、１ｂの流入部を閉鎖する流入部閉鎖期間とが交番する開閉サイクルをもって、前記貯蔵槽１ａ、１ｂの流入部を開閉する流入部開閉手段１３と、前記貯蔵槽１ａ、１ｂの流出部を閉鎖する流出部閉鎖期間と前記貯蔵槽１ａ、１ｂの流出部を開放する流出部開放期間とが交番する開閉サイクルをもって、前記貯蔵槽１ａ、１ｂの流出部を開閉する流出部開閉手段２３と、そして前記流入部開閉手段１３及び前記流出部開閉手段２３の開閉サイクル速度及び／又は前記流入部開閉手段１３及び前記流出部開閉手段２３の単位開閉サイクル当たりの前記貯蔵槽１ａ、１ｂに貯蔵されて放出される流体の質量又は体積を制御することにより、前記貯蔵槽１ａ、１ｂから流出供給される流体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を含んでなる。
【００１７】
ここで、前記流入部開閉手段１３及び前記流出部開閉手段２３については、前記流入部開閉手段１３の開閉サイクルの周期と前記流出部開閉手段２３の開閉サイクルの周期とが一致する開閉駆動力の大きさをもって一定の時間的な割合で設定される。つまり、前記流出部開閉手段２３が閉鎖された状態で前記流入部開閉手段１３が開放され、また前記流入部開閉手段１３が閉鎖された状態で前記流出部開閉手段２３が開放されるように、前記流入部開閉手段１３の流入開放期間と前記流出部開閉手段２３の流出開放期間は互いに位相をずらして遂行される。
【００１８】
しかし、図１乃至図４の流量制御装置は、制御性が良くないという問題点を有している。図１乃至図４の流量制御装置において、流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３を必ず同期させねばならない。万一、流入部開閉手段１３又は流出部開閉手段２３の開閉動作に小さな誤差でも発生すれば、すなわち、これらが少し早く回転し又は少し遅く回転すれば、その結果、流量精度が大きく低下する。また、流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３は、それらの開閉動作を継続的に繰り返すために、発生した誤差が累積されて、ついには流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３が同時に開放状態になってしまう状況まで発生し得る。すなわち、流量制御装置として全く機能できなくなるのである。
【００１９】
また、図１乃至図４の流量制御装置では、流量制御装置が作動を開始する時、各開閉手段１３、２３の位相を精密に零点調整する必要があるので、流量制御がさらに難しい。例えば、流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３が同時に開放状態にあって、所期の位相値（例えば、９０°）を有するように零点調整することなしに流量制御装置の作動を開始すれば、流量制御装置はその流量制御機能を全く発揮できなくなる。
【００２０】
また、図１乃至図４の流量制御装置は、二つの精密な開閉手段１３、２３を具備しなければならないので、装置の高価格化を招来して装置のコンパクト化を阻害する要因になる。
【００２１】
また、図１乃至図４の流量制御装置では、二つの開閉手段１３、２３で発生する振動及び騒音の問題があった。特に、半導体装置の一部として提供される流量制御装置の振動問題は、高精度を要する半導体製品の品質に著しい悪影響を及ぼし得るため疎かにできない。
【特許文献１】米国特許第６，０４４，７０１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２７９，１５４号明細書
【特許文献３】米国特許第４，６８６，８５６号明細書
【特許文献４】特開昭５９−８８６２２号公報
【特許文献５】国際公開第２００２／０５４０２０号パンフレット
【特許文献６】国際公開第２００４／０１７１５０号パンフレット
【特許文献７】国際公開第２００４／０３６１５３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、前記の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、本出願人の先願にかかる発明である時間ベース流量制御装置の長所をそのまま受け継ぎながらも、優れた制御性を有する時間ベース流量制御装置を提供することにある。
【００２３】
また、制御エラーを最小化することで、製品の信頼度を高めることができる時間ベース流量制御装置を提供することに目的がある。
【００２４】
また、装置の低価格化及び小型化に貢献することができる時間ベース流量制御装置を提供することに目的がある。
【００２５】
また、振動及び騒音を最小限に抑えて、静粛な設備環境をもたらすことができる時間ベース流量制御装置を提供することに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前記の目的を達成するために本発明は、貯蔵槽と、前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽に流体を流入させる流入路と、前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽から流体を流出させる流出路と、流体が通過する通路を具備し機械的サイクルをもって作動する開閉手段であって、前記機械的サイクルは前記通路の位置変化に従って、前記通路が前記流入路と連通して前記流入路を開放する流入路開放期間及び前記通路が前記流出路と連通して前記流出路を開放する流出路開放期間を、両者間に位相差を置いて含むことで、前記流出路が閉鎖された状態で前記流入路が開放され、また前記流入路が閉鎖された状態で前記流出路が開放されるようにした開閉手段と、前記開閉手段の開閉サイクル速度及び／又は前記開閉手段の単位開閉サイクル当たりの前記貯蔵槽に貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することによって、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を具備する機械的同期式流量制御装置を提供する。
【００２７】
前記開閉手段には回転型の開閉手段を使用することが好ましい。
【００２８】
本発明の一実施形態によると、前記流入路と前記流出路が相互に交差するように設置されており、前記開閉手段は、前記流入路と前記流出路が相互に交差する位置に設置されるボールバルブであって、前記ボールバルブの回転によって前記流入路又は前記流出路を、位相差を置いて選択的に開放する。本発明の別の実施形態によると、前記開閉手段の前記通路は、前記開閉手段の回転軸方向に向いた開口を具備し、前記通路は前記流入路及び前記流出路と、前記通路の回転経路上で位相差を置いて会合し、前記開閉手段は回転によって、前記流入路又は前記流出路を、位相差を置いて選択的に開放する。
【００２９】
本発明のまた別の実施形態によると、前記流入路及び／又は前記流出路はそれぞれ複数設置される。また、前記開閉手段は複数の通路を具備することができる。また、流入路及び／又は流出路を複数設置するとともに、同時に開閉手段が複数の通路を具備することもできる。
【００３０】
本発明のまた別の実施形態によると、単一軸上に設置された複数の開閉手段を具備し、各開閉手段が、対応する流入路と流出路を、位相差を置いて選択的に開放する。
【００３１】
本発明のまた別の実施形態によると、複数個の流入路が存在する場合に、複数の流入路を通じて異なる流体が前記貯蔵槽に流入する。
【００３２】
また本発明は、貯蔵槽と、前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽に流体を流入させる流入路と、前記貯蔵槽と連通して前記貯蔵槽から流体を流出させる流出路と、単一軸上で機械的サイクルをもって回転する開閉手段であって、前記機械的サイクルが、前記流入路を開放する流入路開放期間及び前記流出路を開放する流出路開放期間を、位相差を置いて含むことで、前記流出路が閉鎖された状態で前記流入路が開放され、また前記流入路が閉鎖された状態で前記流出路が開放されるようにした開閉手段と、前記開閉手段の開閉サイクル速度及び／又は前記開閉手段の単位開閉サイクル当たりの前記貯蔵槽に貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することによって、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する制御部と、を具備する機械的同期式流量制御装置を提供する。
【００３３】
本発明のまた別の実施形態によると、前記開閉手段が、前記単一軸上で別個に設置されて一体に回転する流入路開閉手段及び流出路開閉手段を有しており、前記流入路開閉手段は前記流入路を開放し、前記流出路開閉手段は位相差を置いて前記流出路を開放する。
【００３４】
好ましくは、前記制御部が前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを制御することにより、前記貯蔵槽から流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する。
【００３５】
好ましくは、流量制御装置が前記貯蔵槽内の圧力を検出する圧力検出手段を含み、前記制御部が前記圧力検出手段によって検出された前記貯蔵槽内の圧力に基づいて前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを決定する。
【００３６】
前記開閉手段の開閉サイクル速度については臨界開閉サイクル速度、すなわち前記貯蔵槽内の圧力が前記流入路の前段での上流圧力まで上昇して前記貯蔵槽の流出路の後段での下流圧力まで低下するのに必要な開閉サイクル速度よりも小さくなる大きさの開閉駆動力を前記開閉手段に与えることが好ましい。
【００３７】
非圧縮性流体の流量制御装置の場合、好ましくは前記貯蔵槽の体積が循環サイクル内で変化する。
【００３８】
前記流量制御装置は、前記貯蔵槽の体積を検出する体積検出手段を具備しており、前記制御部が前記体積検出手段によって検出された前記貯蔵槽の体積に基づいて前記開閉手段に与える開閉駆動力の大きさを決定することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００４０】
図５は、本発明の一実施形態による、圧縮性流体に適用される機械的同期式の時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図面である。
【００４１】
図５の流量制御装置は、貯蔵槽１ａ、流入路１４、流出路２４、開閉手段３及び制御部を含んでなる。なお図示はしないが、図１と同様に圧力調節手段１１及び緩衝槽１５を構成部として含むようにできることは勿論である。
【００４２】
流入路１４は、貯蔵槽１ａと連通して流体供給源から貯蔵槽１ａに流体を流入させ、また流出路２４は貯蔵槽１ａと連通して貯蔵槽１ａから流体使用装置へと流体を流出させる。
【００４３】
制御部は、開閉手段３の開閉サイクル速度及び／又は開閉手段３の単位開閉サイクル当たりの貯蔵槽１ａに貯蔵及び放出される流体の質量又は体積を制御することにより、貯蔵槽１ａから流出する流体の質量流量又は体積流量を制御する。
【００４４】
図３の流量制御装置にて、流入部開閉手段１３及び流出部開閉手段２３を同期化しなければならないという要件は、図５のように単一の開閉手段３が流入路１４及び流出路２４の両方を開閉するように構成することで簡単に満たすことができる。
【００４５】
開閉手段３は、流体が通過できる通路３ａを具備する。
【００４６】
開閉手段３は機械的サイクルをもって動作する。流出路２４が閉鎖された状態で流入路１４が開放され、流入路１４が閉鎖された状態で流出路２４が開放されるように、前記機械的サイクルは、相互に位相差を置いた流入路開放期間と流出路開放期間を含む。流入路開放期間では、図５に示すように通路３ａが流入路１４と連通して流入路１４を開放する。流出路開放期間では、通路３ａの位置変化（開閉手段３が図５の位置から９０°回転した状態）によって通路３ａが流出路２４と連通して流出路２４を開放する。
【００４７】
図５の流量制御装置は、単一軸３ｂによって回転駆動するので、流入路開閉動作と流出路開閉動作を自動的に同期化することができるようになる。従って、制御が非常に容易で、精密な構成及び制御上の努力なしに非常に優れた制御精度を保証することができる。また、別途の零点調整が必要でなく、制御がさらに容易である。
【００４８】
また、単一の開閉手段３だけで流量制御装置を構成しているため、生産費の低減、装置の小型化を達成することができ、振動及び騒音を低減できる。
【００４９】
図５では、単一軸３ｂによって回転駆動される開閉手段３を図示しているが、必ずしも回転型に限定されるものではなく、並進型開閉手段等の多様な変形例が可能である。しかし、制御性の面では並進型開閉手段に比べて回転型開閉手段が好ましい。
【００５０】
図５の実施例では、流入路１４と流出路２４が相互に交差するように設置される。開閉手段３にはボールバルブを使用しており、これは、流入路１４と流出路２４とが相互に交差する位置に設置される。ボールバルブは、回転軸３ｂに関して回転駆動され、通路３ａが流入路１４と連通すると流入路１４を開放し、通路３ａが流出路２４と連通すると流出路２４を開放する。そして、この動作が１８０度毎に１サイクルとして継続的に繰り返されることになる。すなわち、ボールバルブが９０°の位相差を置いて流入路１４又は流出路２４を選択的に開放する。
【００５１】
図面符号３ｃは、開閉手段３のハウジングを示す。回転軸３ｂを駆動させるための、例えばモーターのような駆動手段は図示していない。
【００５２】
図６及び図７は、図５の流量制御装置の変形例を各々に示した概略図である。
【００５３】
図示のように、図６では複数の流入路１４と複数の流出路２４とが、単一のボールバルブで交差するように構成した実施形態を示している。
【００５４】
また、図７に示す流量制御装置は、単一軸上に設置されて一体的に回転する複数個のボールバルブを具備する。各ボールバルブは、対応する流入路１４と流出路２４とが交差する位置にある。すなわち、図５の流入路１４、流出路２４及びボールバルブのアセンブリーを上下に二セット具備した実施例を図示している。各ボールバルブによって、対応する流入路１４と流出路２４が位相差を置いて交互に開放される。
【００５５】
図７では、ボールバルブの数だけの複数個の貯蔵槽１ａを並列に設置して使用することができる。この場合、各貯蔵槽１ａの開閉手段３を貯蔵槽１ａ毎に位相差を置いて回転駆動させることで、流体使用装置に供給される流量の変動を最小化することができるようになる。
【００５６】
また、図６及び図７の流量制御装置については、一つの貯蔵槽を具備して、各流入路１４を通じて互いに異なる流体が流入するように構成することもできる。この場合、流量制御装置は、互いに異なる流体を混合して一定の流量で流体使用装置に供給する装置として使用することができる。
【００５７】
前記した図６及び図７の実施例によって、さらに様々な量の流量制御が可能になる。
【００５８】
図５乃至図７では、開閉手段３にボールバルブを使用した実施例を図示しているが、必ずこれに限定されるものではなく、図８乃至図１０に示すような形態の開閉手段も可能である。
【００５９】
図８は、本発明の他の実施例による、圧縮性流体に適用される機械的同期式の流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【００６０】
図８のような形態の開閉手段３における通路３ａは、典型的には回転軸３ｂと平行に貫通して形成されるものであるが、必ずしもそれに限定されず、回転軸３ｂの方向を向いていれば十分である。また、図８では、流入路１４と流出路２４が回転軸３ｂと平行な実施例を図示しているが、必ずしもこれに限定されることもない。
【００６１】
また、開閉手段３の具体的な形状として、図８乃至図１０では円板形状をしているが必ずしもこれに限定されない。
【００６２】
流入路１４と流出路２４は、回転軸３ｂを中心に前記通路３ａの回転経路（円周）上で位相差を置いて前記通路３ａと会合してこれに一致するように設置する。
【００６３】
開閉手段３が回転すると、開閉手段３の通路３ａは位相差を置いて流入路１４又は流出路２４と会合するようになり、従って、開閉手段３は流入路１４又は流出路２４を、位相差を置いて選択的に開放することができるようになる。
【００６４】
具体的には、図８と同じように通路３ａが流入路１４と連通すると、流入路１４が開放されて、開閉手段３が１８０°回転して通路３ａが流出路２４と連通すると流出路２４が開放されるようになる。従って、開閉手段３の３６０°回転当たり１回の開閉サイクルが成立する。
【００６５】
図９及び図１０は、図８の流量制御装置の変形例を概略的に示した図面である。
【００６６】
図９は、図６と同じように、単一の開閉手段３及び複数個の流入路１４及び流出路２４を具備した実施例を示している。
【００６７】
図１０は、開閉手段３が複数個の通路３ａを具備した実施例を示している。開閉手段３が、３６０°回転する度に流入路１４及び流出路２４は、各々２回の開放期間を有することになる。
【００６８】
図９及び図１０を組み合わせた変形例も可能である。例えば、複数個の流入路１４及び流出路２４とともに開閉手段３が、複数個の通路３ａを具備するように構成することができる。
【００６９】
図９及び図１０でもやはり、さらに様々な量の流量制御を行えるようになる。
【００７０】
図５乃至図１０の流量制御装置は、開閉手段３が少なくとも一つの流入路１４と少なくとも一つの流出路２４と会合するように構成されている。これは、単一の開閉手段３だけで流量制御装置を構成することができることを意味する。図７のように、複数個の開閉手段３が使用される場合でも、これは完全な機能を遂行することができる単一の開閉手段３を拡張したものに過ぎない。
【００７１】
しかし、本発明のまた他の実施例によると、装置の低価格化及び小型化の面で多少好ましくないこともあり得るが、図１１のような流量制御装置の構成も可能である。
【００７２】
図１１は、本発明のまた他の実施例による、圧縮性流体に適用した機械的同期式の流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【００７３】
開閉手段３は、図３と同様、流入路開閉手段１６及び流出路開閉手段２６を別個に具備する。しかし、図３とは異なり流入路開閉手段１６及び流出路開閉手段２６は、単一軸上に設置されて一体に回転する。従って、流入路開閉手段１６及び流出路開閉手段２６を同期化しようとする別途の努力が不要になる。よって、制御性及び制御精度が向上する。
【００７４】
これまで詳しく見てきた図５乃至図１１の本発明の一実施形態による流量制御装置は、開閉手段３に提供される開閉駆動力、例えば回転軸の回転速度を制御することにより、前記貯蔵槽１ａから流出する流体の質量又は体積を制御することができる。
【００７５】
図１２は、図５の流量制御装置で開閉サイクル位相による流入路１４及び流出路２４の開閉状態を示した図面である。
【００７６】
図示のように、流入路１４は、初め短い時間開放された後に閉鎖されて、それから流出路２４が短い時間開放された後に閉鎖されるという過程を経る。
【００７７】
流出路２４が閉鎖された状態で流入路１４が開放され、また流入路１４が閉鎖された状態で流出路２４が開放されるように、開閉サイクル位相に関して流入路開放期間と流出路開放期間は、互いに離隔して形成される。
【００７８】
ボールバルブは、１８０°回転する度にθの開放期間を有する。ここで、θは開閉手段３の開放期間の幅を示す。開放比δは、θ／１８０であって、０＜δ＜１の値を有する。
【００７９】
ここで、流入路１４は、位相φが０°の時に開放され、φがθ°になると閉鎖され、また流出路２４は初期の閉鎖状態からφが９０°になると該流出路が開放され、φが９０°＋θ°になると該流出路が閉鎖される。すなわち、流入路１４及び流出路２４の開放期間の幅はθ°であって、流入路開放期間の開始点と流出路開放期間の開始点は、９０°の位相差を有する。
【００８０】
この場合、φが１８０°になると再び１サイクルが始まるので、開閉手段３の１回転当たり２回の開閉サイクルを有することになる。
【００８１】
図１３は、図５の流量制御装置で開閉サイクル位相による貯蔵槽１ａ内の圧力変化を示した図である。
【００８２】
貯蔵槽１ａ内の圧力は、流入路１４が開放されるに従って初めは急激に増加する。そして、流入路１４が閉鎖されると、圧力は流出路２４が開放されるまで一定の値に維持される。流出路２４が開放されると、貯蔵槽１ａ内の圧力が下がる。
【００８３】
流入路１４の上流圧力を「Ｐ１」とし、流出路２４の下流圧力を「Ｐ２」と仮定すると、貯蔵槽１ａ内の最大圧力はＰ１となり、最小圧力はＰ２となる。貯蔵槽１ａ内の圧力が最大圧力Ｐ１及び最小圧力Ｐ２に到達できるか否かについては、開閉手段３の開放期間の時間幅と幾何学的構成に依存する。
【００８４】
貯蔵槽１ａがＰ１とＰ２の圧力に到達するためには、開閉手段３を充分に遅い速度で作動させる必要がある。開閉手段３がそれよりも大きい速度（単位時間当たりに遂行されるサイクルの回数の増加）で回転する時には、貯蔵槽１ａ内の圧力が供給圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２に到達することができない危険性がある。
【００８５】
図１４は、図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽１ａ内の圧力変化を示した図であり、開閉手段３の速度増加による影響を示している。
【００８６】
図示のように、開閉手段３の速度増加に従って貯蔵槽１ａ内の圧力がＰ１及びＰ２に到達できないことを示している。すなわち、開閉手段３が臨界速度より大きい速度で回転する場合、貯蔵槽１ａ内の圧力はＰ１及びＰ２に到達できなくなる。
【００８７】
開閉手段３が、臨界回転速度より遅い回転速度で作動すれば、単位開閉サイクル当たり貯蔵槽１ａ内に貯蔵されて放出される流体の量は、回転速度に関係なく既知の一定値で残るようになる。
【００８８】
臨界回転速度より遅い回転速度は、制御部が貯蔵槽１ａ内の圧力に基づいて、その圧力範囲に対応する臨界回転速度以上に開閉手段３が回転しないように駆動手段から提供される開閉駆動力の大きさを制限することで達成できる。
【００８９】
図１５は、図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による圧力変化を示した図であり、臨界速度よりも相当に遅い開閉手段３の開閉速度による影響を説明するための図である。
【００９０】
図示のように、回転速度が臨界回転速度よりも相当に遅い場合には、貯蔵槽１ａ内の圧力がサイクルの加圧期においてＰ１に到達して、サイクルの減圧期においてＰ２に到達するのに十分過ぎるほどであることが分かる。
【００９１】
図１６は、図５の流量制御装置で開閉手段３の回転速度と流量の関係を示した図であり、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との圧力差の大きさによる流量への影響を示した図である。
【００９２】
図示のように、開閉手段３が臨界回転速度に至るまでの間、質量流量と回転速度は、相互に線形関係を有する。
【００９３】
これは、流量値が開閉手段３の回転速度と貯蔵槽１ａ内の圧力に影響を受けることを示し、従って、所定の圧力範囲で作動するシステムにおける所望の流量値は、制御部の制御によってその圧力範囲に対応する大きさの開閉駆動力を開閉手段３に与えることにより達成することができる。
【００９４】
例えば、開閉手段３が臨界回転速度以下で回転すると仮定した場合に、流量及びＰ２が固定値で与えられるシステムでは、Ｐ１が大きい場合には小さな開閉駆動力だけでその流量値を得ることができるが、Ｐ１が小さい場合には大きな開閉駆動力を与えて開閉手段３の回転速度を増加させなければならない。
【００９５】
流量制御装置を通過する質量流量は、単純な熱力学的関係からコンピュータを使用して算出できる。各サイクルに対する質量流量を下記に示す。
【００９６】
理想気体の場合の質量流量＝２×Ｒ×Ｔ×Ｖ×（Ｐ１−１−Ｐ２−１）
【００９７】
ここで、Ｒは普遍気体定数、Ｔは絶対温度である。
【００９８】
ポリトロープ過程の質量流量＝２×定数×Ｖ×（Ｐ１−υ−Ｐ２−υ）
【００９９】
ここで、「υ」はポリトロピック拡張係数（Ｐｏｌｙｔｒｏｐｉｃ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。
【０１００】
上式での係数「２」は、開閉手段３が完全な３６０°の回転中に二度作動することを反映したものである。
【０１０１】
臨界速度と、臨界速度自体が（Ｐ１−Ｐ２）の関数であるか否かを決定するために実験が必要である。
【０１０２】
図１７は、本発明のまた他の実施例による、非圧縮性流体に適用する機械的同期式の時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【０１０３】
非圧縮性流体の流量制御装置の場合、循環サイクルをもって体積が変化する貯蔵槽１ｂを使用する。例えば、図示したようなベローズ型貯蔵槽、その他に弾性膜型の貯蔵槽、ピストン及びシリンダー型の貯蔵槽等を使用できる。
【０１０４】
図示のように、通路３ａが流入路１４と連通して流入路１４が開放された時、貯蔵槽１ｂは高圧供給側Ｐ１に接続される。流体は体積を増加させながら貯蔵槽１ｂ内に流入し始める。これは流入路１４が閉鎖されるまで続く。流入路１４が閉鎖された時点で、全体積はＶ１になる。
【０１０５】
それから、開閉手段３が回転してφ＝９０°となり、通路３ａが流出路２４と連通して流出路２４が開放される時、貯蔵槽１ｂは低圧側Ｐ２に接続されて、流体は貯蔵槽１ｂから流出し始める。これは、流出路２４が閉鎖になる時まで続く。流出路２４が閉鎖された時点で全体積はＶ２になる。
【０１０６】
なお図示しないが、好ましくは、ベローズの収縮及び復帰を補助するために、ベローズの下端部にスプリングを設置することができる。
【０１０７】
図１８は、図１７の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽１ｂの体積変化を示した図である。
【０１０８】
開閉手段３及びベローズが十分に高速な応答を有し、貯蔵槽１ｂの体積が、流入路１４の閉鎖時点までに最大体積に到達し、流出路２４の閉鎖時又はそれに以前に最小体積に到達することができると仮定した場合において、システムの体積−時間特性は、図１８のようになる。
【０１０９】
これは図１３に図示したような圧縮性気体の流量制御装置の圧力−時間特性と同様な形態を示す。
【０１１０】
システムが線形領域で作動するために貯蔵槽１ｂ内の圧力が最大圧力Ｐ１及び最小圧力Ｐ２に到達する必要がないことに注目されたい。というのもシステムは線形領域で動作するからである。但し、貯蔵槽１ｂが最大体積Ｖ１と最小体積Ｖ２には必ず到達する必要がある。ボールバルブの回転速度が臨界回転速度未満であることを条件として、貯蔵槽１ｂの体積がＶ１及びＶ２に到達できると想定する時、本システムの体積流量は、１回転当たり「２×（Ｖ１−Ｖ２）」で与えられる。また、質量流量については、体積流量の値に流体の密度「ρ」を掛けて、１回転当たり「２×（Ｖ１−Ｖ２）×ρ」で求めることができる。
【０１１１】
図１９は、図１７の流量制御装置で、開閉手段３の回転速度と質量流量の関係を示した図であり、（Ｖ１−Ｖ２）の増加による流量への影響を示した図である。
【０１１２】
図示のように、回転速度を変化させることにより、質量流量は線形的に変化することができる。また、貯蔵槽１ｂのバケットサイズ、すなわち（Ｖ１−Ｖ２）を変更することにより、作動領域を拡張できる。すなわち、大きい質量流量のためには大きい（Ｖ１−Ｖ２）値が必要であり、その一方で精密な流量制御のためには比較的小さい（Ｖ１−Ｖ２）値の貯蔵槽１ｂが必要である。
【０１１３】
このことは、流量値が開閉手段３の回転速度と貯蔵槽１ｂの体積の影響を受けることを示しており、従って、所定の体積範囲で作動するシステムにおける所望の流量値は、制御部の制御によってその体積範囲に対応する大きさの開閉駆動力を開閉手段３に与えることで達成することができる。
【０１１４】
例えば、開閉手段３が臨界回転速度以下で回転すると仮定した場合に、流量及びＶ２が固定値で与えられるシステムにおいて、Ｖ１が大きい場合には小さな開閉駆動力だけでその流量値を得ることができるが、Ｖ１が小さい場合には大きな開閉駆動力を与えて開閉手段３の回転速度を増加させなければならないのである。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
前記の構成によると、本発明は本出願人の先願発明である時間ベース流量制御装置の長所をそのまま継承しながらも優れた制御性を有する時間ベース流量制御装置を提供できるという効果がある。
【０１１６】
また、制御エラーの発生を最小化させることで、流量制御装置に対する信頼度を提供できるようになる。
【０１１７】
また、流量制御装置の低価格化及び小型化を達成することができ、振動及び騒音の発生を最小限に抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本出願人の先願で提案された、圧縮性流体の流量制御に使用する時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図２】本出願人の他の先願で提案された、非圧縮性流体の流量制御に使用する時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図３】本出願人のまた他の先願で提案された、機械的同期式の流入部開閉手段及び流出部開閉手段を具備した時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図で、圧縮性流体に使用する流量制御装置を示した図である。
【図４】本出願人のまた他の先願で提案された、機械的同期式の流入部開閉手段及び流出部開閉手段を具備した時間ベース流量制御装置の構成を概略的に示した図で、非圧縮性流体に使用する流量制御装置を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態による、圧縮性流体に適用される機械的同期式流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図６】図５の流量制御装置の変形例を概略的に示した図である。
【図７】図５の流量制御装置の変形例を概略的に示した図である。
【図８】本発明の他の実施例による、圧縮性流体に適用される機械的同期式流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図９】図８の流量制御装置の変形例を概略的に示した図である。
【図１０】図８の流量制御装置の変形例を概略的に示した図である。
【図１１】本発明のまた他の実施例による、圧縮性流体に適用される機械的同期式流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図１２】図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による流入路及び流出路の開閉状態を示した図である。
【図１３】図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽内の圧力変化を示した図である。
【図１４】図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽内の圧力変化を示した図で、開閉手段の速度増加による圧力変化への影響を示した図である。
【図１５】図５の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽内の圧力変化を示した図で、臨界速度よりも相当に遅い開閉手段の開閉速度による影響を説明するための図である。
【図１６】図５の流量制御装置で開閉手段の回転速度と流量の関係を示した図で、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との圧力差の大きさによる、流量への影響を示した図である。
【図１７】本発明のまた他の実施例による、非圧縮性流体に適用される機械的同期式流量制御装置の構成を概略的に示した図である。
【図１８】図１７の流量制御装置で開閉サイクルの位相による貯蔵槽の体積変化を示した図である。
【図１９】図１７の流量制御装置において、開閉手段の回転速度と流量の関係を示した図で、（Ｖ１−Ｖ２）の増加による流量への影響を示した図である。
【図１】
2008520033.tif 000003
【図２】
2008520033.tif 000004
【図３】
2008520033.tif 000005
【図４】
2008520033.tif 000006
【図５】
2008520033.tif 000007
【図６】
2008520033.tif 000008
【図７】
2008520033.tif 000009
【図８】
2008520033.tif 000010
【図９】
2008520033.tif 000011
【図１０】
2008520033.tif 000012
【図１１】
2008520033.tif 000013
【図１２】
2008520033.tif 000014
【図１３】
2008520033.tif 000015
【図１４】
2008520033.tif 000016
【図１５】
2008520033.tif 000017
【図１６】
2008520033.tif 000018
【図１７】
2008520033.tif 000019
【図１８】
2008520033.tif 000020
【図１９】
2008520033.tif 000021
【国際調査報告】
2008520033.tif 000022
2008520033.tif 000023