(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室に充填された流体を発熱体によって膨張あるいは収縮させ、前記室を構成する薄膜を変位させることにより圧力流体の流量を制御するバルブ装置の制御方法であって、
前記発熱体はブリッジ回路に組み込まれ、前記圧力流体の所望の流量に対応する指令信号をＰＷＭ信号として駆動素子に供給し、前記駆動素子をオン／オフ制御することにより前記発熱体に駆動電流を通電し、前記発熱体の発熱作用下に前記流体を膨張あるいは収縮させると共に、前記駆動電流を通電することによって前記ブリッジ回路で生じる電圧と所定の基準電圧とを比較し、この比較結果によって前記指令信号の前記駆動素子への供給、遮断を制御することを特徴とするバルブ装置の制御方法。
【請求項２】
室に充填された流体を発熱体によって膨張あるいは収縮させ、前記室を構成する薄膜を変位させることにより圧力流体の流量を制御するバルブ装置の制御回路において、
前記圧力流体の所望の流量に対応する指令信号を発生する指令信号発生部と、
前記指令信号をＰＷＭ信号に変換する変換器と、
前記ＰＷＭ信号に従って駆動電流をオン／オフ制御する駆動素子と、
前記発熱体が組み込まれたブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力信号を平滑化する平滑化回路と、
前記平滑化回路の出力信号と所定の基準信号とを比較する比較回路と、
前記比較回路の出力信号によって前記指令信号の前記駆動素子への供給、遮断を制御する遮断回路と、
を備え、前記駆動電流を前記発熱体に通電し、前記発熱体の発熱作用下に前記流体を膨張あるいは収縮させることを特徴とするバルブ装置の制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室に充填された流体を発熱体によって膨張あるいは収縮させ、前記室を構成する薄膜を変位させることにより圧力流体の流量を制御するバルブ装置の制御方法および回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、電気信号−空気圧変換装置等において、圧縮空気等の圧力流体の流量を制御するために使用されるバルブ装置１０を示す。このバルブ装置１０は、基板１２上に固着されたケーシング１４の内部に、単結晶のシリコン、またはこれに類似するガラス等の部材で形成された第１のウエハ１６が設けられ、該第１のウエハ１６の下部には導入管路２０に連通する孔部１８が画成される。前記孔部１８の上部にはノズル２２が形成され、該ノズル２２に小径な排気孔２４が画成される。このノズル２２の周囲には排気室２６が画成される。
【０００３】
前記第１のウエハ１６の上面には第２のウエハ３０が固着される。該第２のウエハ３０には加熱されることによって膨張する、例えば、シリコン液のような流体３２が充填された室３４が画成される。前記室３４の底部には薄膜３６が形成され、この薄膜３６は前記ノズル２２の先端から所定間隔離間して配置される。
【０００４】
前記第２のウエハ３０の上面に耐熱ガラスで形成されたガラスウエハ３８が固着されることによって前記室３４は密封される。前記室３４の上面を構成するガラスウエハ３８の下部には発熱体であるパターン化されたヒータ４０が設けられ、該ヒータ４０は図示しない電極およびリード線を介して前記基板１２上の回路素子に接続される。前記第２のウエハ３０とガラスウエハ３８には前記排気室２６に連通する通路４２が画成され、該通路４２の上部は前記ケーシング１４に設けられた排気管路４４に連通する。
【０００５】
このように形成されるバルブ装置１０を制御する制御回路４６は、基板１２上に設けられており、図５に示すように、ヒータ４０と抵抗４８、５０、５２とによりブリッジ回路５４が形成され、ヒータ４０と抵抗４８との接続点６０、および抵抗５０と５２の接続点６２は図示しない温度補償回路に接続される。前記ブリッジ回路５４には駆動用トランジスタ５６が接続され、該駆動用トランジスタ５６のベースには指令信号発生部５８が接続される。
【０００６】
このバルブ装置１０の制御方法について説明する。指令信号発生部５８から指令信号として所望の圧縮空気の流量に対応するアナログ電圧信号が駆動用トランジスタ５６のベースに入力されると、該駆動用トランジスタ５６のコレクタからバルブ装置１０のヒータ４０に前記アナログ電圧信号に対応した電流が流れる。このため、ヒータ４０によって流体３２が加熱されて該流体３２が熱膨張し、薄膜３６が膨張した流体３２によって押圧されてノズル２２に接近する。従って、排気孔２４から排気室２６に導出される圧縮空気の流れが制限され、その流量が減少する。
【０００７】
前記アナログ電圧信号が変化して前記ヒータ４０に流れる電流が減少すると、流体３２の温度が低下して該流体３２が収縮し、薄膜３６がノズル２２から離間する。このため、排気孔２４から排気室２６に導出される圧縮空気の流量が増加する。
【０００８】
ヒータ４０の温度が高くなり、流体が過剰に膨張すると、バルブ装置１０が破損する懸念がある。そこで、ヒータ４０の抵抗値の変化をブリッジ回路５４の接続点６０と接続点６２との電圧差として図示しない温度補償回路に出力する。該温度補償回路では指令信号発生部５８から出力される指令信号を制御してヒータ４０に通電される電流を制限し、該ヒータ４０の温度を下げる。このようにしてバルブ装置１０の破損を阻止している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係るバルブ装置の制御方法および回路では、駆動用トランジスタ５６をアナログ信号によって駆動させるため、該駆動用トランジスタ５６によって消費される電力が大きく、また、駆動用トランジスタ５６の発熱が大きいため、この熱がバルブ装置１０に伝達されると流体３２が加熱されて熱膨張してしまい、圧縮空気の流量特性が変化してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は前記の課題を解決すべくなされたものであって、駆動素子の消費電力を小さくしてエネルギー効率を向上させ、バルブ装置の流量特性を安定して制御することのできるバルブ装置の制御方法および回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、室に充填された流体を発熱体によって膨張あるいは収縮させ、前記室を構成する薄膜を変位させることにより圧力流体の流量を制御するバルブ装置の制御方法であって、
前記発熱体はブリッジ回路に組み込まれ、前記圧力流体の所望の流量に対応する指令信号をＰＷＭ信号として駆動素子に供給し、前記駆動素子をオン／オフ制御することにより前記発熱体に駆動電流を通電し、前記発熱体の発熱作用下に前記流体を膨張あるいは収縮させると共に、前記駆動電流を通電することによって前記ブリッジ回路で生じる電圧と所定の基準電圧とを比較し、この比較結果によって前記指令信号の前記駆動素子への供給、遮断を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、室に充填された流体を発熱体によって膨張あるいは収縮させ、前記室を構成する薄膜を変位させることにより圧力流体の流量を制御するバルブ装置の制御回路において、
前記圧力流体の所望の流量に対応する指令信号を発生する指令信号発生部と、
前記指令信号をＰＷＭ信号に変換する変換器と、
前記ＰＷＭ信号に従って駆動電流をオン／オフ制御する駆動素子と、
前記発熱体が組み込まれたブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力信号を平滑化する平滑化回路と、
前記平滑化回路の出力信号と所定の基準信号とを比較する比較回路と、
前記比較回路の出力信号によって前記指令信号の前記駆動素子への供給、遮断を制御する遮断回路と、
を備え、前記駆動電流を前記発熱体に通電し、前記発熱体の発熱作用下に前記流体を膨張あるいは収縮させることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、前記駆動素子は前記ＰＷＭ信号によってオン／オフ制御されるため、駆動素子の消費電力が低減し、該駆動素子の発熱も減少する。
【００１４】
この場合、前記発熱体をブリッジ回路に組み込み、該ブリッジ回路に前記駆動電流を通電することによって生じる電圧と所定の基準電圧とを比較し、この比較結果によって前記指令信号の前記駆動素子への供給、遮断を制御することにより、前記発熱体の抵抗値変動による過剰な発熱が阻止され、前記バルブ装置が破損する懸念がなくなり、好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るバルブ装置の制御方法および回路について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１６】
図１において、参照符号７０は、本実施の形態に係るバルブ装置の制御回路を示す。なお、この制御回路７０が適用されるバルブ装置１０は、図４に示す従来技術と同一であり、その詳細な説明を省略する。
【００１７】
バルブ装置１０の発熱体であるヒータ４０には抵抗７２が直列に接続され、前記ヒータ４０、抵抗７２と並列に抵抗７４、７６が接続される。このため、ヒータ４０、抵抗７２、７４、７６によりブリッジ回路７８が形成される。前記ヒータ４０と抵抗７２のそれぞれの抵抗値の比は、前記抵抗７４と７６のそれぞれの抵抗値の比と同一に設定される。前記ブリッジ回路７８の出力である、ヒータ４０と抵抗７２との接続点８０、および抵抗７４と７６との接続点８２は、抵抗８６、８８を介してオペアンプ９０の反転入力端子９０ａ、および非反転入力端子９０ｂに接続される。該オペアンプ９０の出力は抵抗９２、コンデンサ９４を並列に介して反転入力端子９０ａにフィードバックされる。一方、非反転入力端子９０ｂには抵抗９６、コンデンサ９８を並列に介してグランド１００に接続される。このため、オペアンプ９０はブリッジ回路７８を介して出力されるＰＷＭ信号波形を平滑化する平滑化回路８４として機能する。
【００１８】
前記オペアンプ９０の出力は抵抗１０２を介して比較回路１０４を構成するオペアンプ１０６の非反転入力端子１０６ｂに入力される。該オペアンプ１０６の反転入力端子１０６ａには基準電圧発生源１０８が接続され、負の所定値の基準電圧ＶF が非反転入力端子１０６ｂに入力される。前記オペアンプ１０６の出力は抵抗１１０を介して遮断回路１１２を構成するオペアンプ１１４の非反転入力端子１１４ｂに接続される。前記非反転入力端子１１４ｂとグランド１００との間にはコンデンサ１１６が接続され、前記抵抗１１０とコンデンサ１１６とによりローパスフィルタが構成される。前記オペアンプ１１４の出力はダイオード１１８のカソードに接続される。前記ダイオード１１８のアノードは前記オペアンプ１１４の反転入力端子１１４ａに接続されるとともに、前記指令信号発生部１２２から抵抗１２０を介して出力されたアナログ電圧信号をＰＷＭ信号に変換する変換器１２４に接続される。前記変換器１２４の出力は駆動素子である駆動用トランジスタ１２６のベースに接続され、該駆動用トランジスタ１２６のコレクタは前記ブリッジ回路７８のヒータ４０と抵抗７４に接続される。前記駆動用トランジスタ１２６のエミッタは電源１２８に接続される。
【００１９】
なお、ヒータ４０は負の温度特性を有しており、温度が高くなると、ヒータ４０の抵抗値は低下する。
【００２０】
本実施の形態に係るバルブ装置の制御回路は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
【００２１】
図４において、バルブ装置１０の導入管路２０に圧力流体である圧縮空気が導入されると、該圧縮空気はノズル２２の排気孔２４、排気室２６、通路４２を介して排気管路４４から排出される。
【００２２】
そこで、指令信号発生部１２２から前記圧縮空気の所望の流量に対応する指令信号であるアナログ電圧信号ＶA が出力されると、変換器１２４はアナログ電圧信号ＶA に対応したＰＷＭ信号ＶB を生成する（図２参照）。このＰＷＭ信号ＶB は０または１を示すデジタル値である。ＰＷＭ信号ＶB が駆動用トランジスタ１２６のベースに入力されると、駆動用トランジスタ１２６はＰＷＭ信号ＶB が０のときにオンとなり、ブリッジ回路７８のヒータ４０に電流が通電される。一方、ＰＷＭ信号ＶB が１のとき、駆動用トランジスタ１２６はオフになり、ヒータ４０には電流が通電されない。駆動用トランジスタ１２６は短時間の間にオンとオフを繰り返すため、ＰＷＭ信号ＶB が０である期間が長くなるとヒータ４０の温度は上昇し、ＰＷＭ信号ＶB が０である期間が短くなるとヒータ４０の温度は下降する。
【００２３】
ヒータ４０の温度が上昇すると、図４に示すように、室３４に充填された流体３２の温度が上昇して熱膨張し、薄膜３６は該流体３２の圧力によって押圧されて、図４中、２点鎖線で示すように、ノズル２２に接近する方向に変位する。このため、排気孔２４から排気室２６に導出される圧縮空気の流れが制限され、その流量が減少する。
【００２４】
このように、指令信号発生部１２２から出力されるアナログ電圧信号ＶA が上昇すると圧縮空気の流量が減少し、一方、アナログ電圧信号ＶA が下降すると圧縮空気の流量が増加する。
【００２５】
このとき、駆動用トランジスタ１２６はオンまたはオフの状態を繰り返すため、該駆動用トランジスタ１２６によって消費される電力は少なく、このため、駆動用トランジスタ１２６から発生する熱も極めて小さいものとなる。従って、駆動用トランジスタ１２６によって発生した熱がヒータ４０の温度に影響することがなく、高精度な温度制御が可能となる。
【００２６】
一方、ブリッジ回路７８の接続点８０と８２には駆動用トランジスタ１２６のコレクタ出力に対応する電圧波形が発生する。平滑化回路８４は、この接続点８０と８２とのそれぞれの電圧ＶC 、ＶD の差の電圧ＶE を平滑して出力する。ヒータ４０と抵抗７２のそれぞれの抵抗値の比は、抵抗７４と７６のそれぞれの抵抗値の比と同一に設定されているため、ブリッジ回路７８の接続点８０と８２の電圧ＶC 、ＶD は、ヒータ４０が過熱されていない状態において等しくなり（図３中、領域１３０ａ）、このため、平滑化回路８４の出力電圧ＶE は０Ｖとなる。このとき、この出力電圧ＶE は基準電圧発生源１０８からオペアンプ１０６の反転入力端子１０６ａに入力される基準電圧ＶF より大きいため、オペアンプ１０６の出力電圧ＶG がハイレベルの電圧Ｖ1 となり、遮断回路１１２のオペアンプ１１４の出力電圧ＶH もハイレベルの電圧Ｖ1 となる。この電圧Ｖ1 は指令信号発生部１２２から出力されるアナログ電圧信号ＶA より大きいため、ダイオード１１８はオフとなる。
【００２７】
ところが、ヒータ４０が所定の温度より高くなると、該ヒータ４０は負の温度特性であるため、ヒータ４０の抵抗値が減少し、接続点８０の電圧ＶC が接続点８２の電圧ＶD より大きくなる（領域１３０ｂ）。このため、平滑化回路８４の出力電圧ＶE は減少する。この出力電圧ＶE が基準電圧発生源１０８から出力される基準電圧ＶF より小さくなると（領域１３０ｃ）、オペアンプ１０６の出力電圧ＶG はローレベルの電圧Ｖ0 となり、遮断回路１１２の出力電圧ＶH もローレベルの電圧Ｖ0 となる。この電圧Ｖ0 は指令信号発生部１２２から出力されるアナログ電圧信号ＶA より小さく、ダイオード１１８がオンとなって変換器１２４には出力電圧ＶH の電圧、すなわち電圧Ｖ0 が入力される。従って、指令信号であるアナログ電圧信号ＶA は遮断される。変換器１２４から電圧Ｖ0 に相当するＰＷＭ信号ＶB 、すなわち、駆動用トランジスタ１２６をオフにする１の信号が発生し、ヒータ４０に通電される電流が遮断される。このため、ヒータ４０が過剰に加熱することが防止され、流体３２の熱膨張が過大となって薄膜３６を損傷する懸念がない。
【００２８】
そして、再びヒータ４０の温度が低下すると（領域１３０ｄ）、平滑化回路８４の出力電圧ＶE は基準電圧ＶF より大きくなり、前述のように、遮断回路１１２のオペアンプ１１４の出力電圧が電圧Ｖ1 となり、指令信号発生部１２２から出力されたアナログ電圧信号ＶA が変換器１２４に入力される。このため、ヒータ４０が加熱されて圧縮空気の流量が制御される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係るバルブ装置の制御方法および回路によれば、以下のような効果ならびに利点が得られる。
【００３０】
駆動素子をＰＷＭ信号によってオン／オフ制御し、発熱体に電流を通電させるため、駆動素子の消費電力が少なくなり、エネルギー効率が向上する。また、駆動素子から発生する熱も極めて小さいものとなり、駆動素子から発生する熱によってバルブ装置の流体が加熱される懸念がなく、圧縮空気の流量特性が変化することもない。このため、特性の安定したバルブ装置の制御回路を得ることができる。
【００３１】
また、ヒータが加熱されて該ヒータが組み込まれるブリッジ回路の出力が所定の電圧となったときに遮断回路によって指令信号を遮断させるため、流体が過剰に熱膨張することが防止され、バルブ装置が損傷する懸念もない。従って、バルブ装置の安全性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るバルブ装置の制御回路を示す回路図である。
【図２】図１の制御機構の指令信号電圧波形、ＰＷＭ信号波形およびヒータの温度を示すグラフである。
【図３】図１の制御機構のブリッジ回路の出力信号波形、平滑化回路出力信号波形および遮断回路出力信号波形を示すグラフである。
【図４】図１のバルブ装置を示す概略縦断面図である。
【図５】従来技術に係るバルブ装置の制御回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…バルブ装置                ２２…ノズル
３２…流体                      ３４…室
３６…薄膜                      ４０…ヒータ
７０…制御回路                  ７８…ブリッジ回路
８４…平滑化回路                １０４…比較回路
１１２…遮断回路                １２２…指令信号発生部
１２６…駆動用トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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