特許 7516155 流体制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-05

(45)【発行日】2024-07-16

(54)【発明の名称】流体制御装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 27/00 20060101AFI20240708BHJP

【ＦＩ】

F16K27/00 Z

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2020133404

(22)【出願日】2020-08-05

(65)【公開番号】P2021167660

(43)【公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-07-18

(31)【優先権主張番号】P 2020070263

(32)【優先日】2020-04-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(72)【発明者】

【氏名】赤土 和也

【審査官】山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０８３２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０１５１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１４４８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブに流体が流入する第１流入口に接続される第１流入流路と、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、
前記第２制御バルブから流体が流出する第２流出口に接続される第２流出流路とを有し、
前記第１流入流路及び前記第２流入流路の上流側に設けられている分岐前流路の分岐点から前記第１流入流路及び前記第２流入流路に分岐し、前記第１流出流路及び前記第２流出流路は、前記第１流出流路及び前記第２流出流路の下流側に設けられている合流後流路の合流点に合流しており、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されている流体制御装置。

【請求項2】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されており、
前記ブロックが、
流体制御機器が取り付けられる取付面と、
前記取付面に対して所定量だけ突出した突出部と、を具備し、
前記第１制御バルブ、又は、前記第２制御バルブの少なくとも一方が、前記取付面に取り付けられる流体制御装置。

【請求項3】

前記第２制御バルブが、前記突出部に設けられた請求項２記載の流体制御装置。

【請求項4】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されており、
前記第１制御バルブが、前記ブロックの表面に対して接触する第１接触面が形成された第１バルブブロックを具備し、前記第１バルブブロックに流体が流入する第１流入口、及び、前記第１バルブブロックから流体が流出する前記第１流出口が前記第１接触面に開口しており、
前記第２制御バルブが、前記ブロックの表面に対して接触する第２接触面が形成された第２バルブブロックを具備し、前記第２バルブブロックに流体が流入する前記第２流入口、及び、前記第２バルブブロックから流体が流出する第２流出口が前記第２接触面に開口する流体制御装置。

【請求項5】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されており、
前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブが、前記ブロックと同じ幅寸法を有する流体制御装置。

【請求項6】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されており、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブを通過した流体が合流して流れる合流後流路と、
前記第２制御バルブから流体が流出する第２流出口と、前記合流後流路との間を接続する第２流出流路と、をさらに備え、前記第１流出流路の下流側が前記合流後流路に接続されており、
前記合流後流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、
前記流量センサが測定する流量に少なくとも基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの少なくとも一方を制御する流体制御器をさらに備えた流体制御装置。

【請求項7】

長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、
前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、
前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、
前記第１制御バルブと並列に接続された第２制御バルブと、を備え、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、
前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、
前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されており、
前記内部流路が、
前記第１制御バルブに流体が流入する第１流入口に接続される第１流入流路と、
下流側が前記第１流入流路及び前記第２流入流路に接続される分岐前流路と、をさらに備え、
前記分岐前流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、
前記流量センサが測定する流量に少なくとも基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの少なくとも一方を制御する流体制御器をさらに備えた流体制御装置。

【請求項8】

前記流体制御器が、
設定流量の所定倍だけ小さい分担目標流量が流れるように前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブのいずれか一方の開度を制御する開度制御部と、
前記設定流量と、前記流量センサが測定する流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの他方を制御する流量フィードバック制御部と、を備えた請求項６又は７記載の流体制御装置。

【請求項9】

前記開度制御部が、
前記第１制御バルブの上流側の圧力に基づいて、前記分担目標流量に相当する目標開度を算出する目標開度算出部と、
前記目標開度に相当する電圧を前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの他方に印加する電圧制御部と、を備えた請求項８記載の流体制御装置。

【請求項10】

前記分担目標流量が前記設定流量の１／２倍に設定されている請求項８又は９記載の流体制御装置。

【請求項11】

前記流体制御器が、
前記第１制御バルブの開度と、前記第２制御バルブの開度が同期するように制御する同期制御部を備えた請求項６又は７記載の流体制御装置。

【請求項12】

前記第１制御バルブと前記第２制御バルブが同型のものであり、
前記同期制御部が、前記流量センサで測定される流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブのそれぞれに同一の電圧を印加する請求項１１記載の流体制御装置。

【請求項13】

前記流体制御器が、
設定流量と、前記流量センサが測定する流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブのいずれか一方を制御する流量フィードバック制御部と、
前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブにおける異常を検知するバルブ異常検知部と、
前記バルブ異常検知部が、前記流量フィードバック制御部によって制御されている前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの異常を検知した場合に、前記流量フィードバック制御部の制御対象となる制御バルブを切り替えさせる制御対象切替部と、を備えた請求項６記載の流体制御装置。

【請求項14】

前記流量フィードバック制御部が、初期状態では前記第２制御バルブを制御しており、
前記バルブ異常検知部が、前記第２制御バルブに異常を検知した場合に、前記制御対象切替部は、前記流量フィードバック制御部の制御対象を前記第１制御バルブに切り替えさせるように構成された請求項１３記載の流体制御装置。

【請求項15】

前記バルブ異常検知部が、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブに印加されている電圧に基づいて、絶縁状態の異常を検知するように構成された請求項１３又は１４記載の流体制御装置。

【請求項16】

前記バルブ異常検知部が、前記設定流量と前記流量センサで測定される流量との偏差の絶対値に基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの異常を検知するように構成された請求項１３乃至１５いずれかに記載の流体制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス等の流体の流量や圧力を制御する流体制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば半導体製造プロセスにおいてガスの流量を制御するためにマスフローコントローラが用いられる。従来のマスフローコントローラには、内部流路が形成されたブロックに圧力センサや制御バルブ等の流体制御機器が取り付けられたものがある。複数のマスフローコントローラをコンパクトに並列させるため、前述したブロックは長手方向に所定幅で延びる細長い直方体形状をなしている（特許文献１参照）。

【0003】

より具体的には、ブロックの幅寸法は規格によって例えば１０ｍｍに定められている。また、ブロックの長手方向と平行な一面である取付面には、このブロックの幅寸法とほぼ同じ幅寸法を有する複数の流体制御機器が長手方向に並べて取り付けられる。

【0004】

ところで、近年マスフローコントローラはコンパクトに構成されているだけでなく、従来よりもさらに大流量を流せることが求められている。マスフローコントローラの最大流量は、制御バルブが流す事ができる流量でほぼ制限される。このため、例えば特許文献２に示されるようにブロック内に幅方向に対して並列に内部流路を２本形成しておき、それぞれの内部流路に制御バルブを設けて流せる流量を約２倍にすることが考えられる。

【0005】

しかしながら、上記のような構成では最大流量は大きくできるものの、ブロックの幅方向に対して制御バルブ等の流体制御機器を２つ並べなくてはならず、マスフローコントローラをさらにコンパクトにすることは難しくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】WO2011/040270号公報

【文献】特開2014－32635号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は上述したような問題を一挙に解決するためになされたものであり、幅寸法を小さく保ちながら、最大流量を従来よりも大きくできる流体制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち、本発明に係る流体制御装置は、長手方向に沿って所定幅で延びるブロックと、前記ブロック内に形成され、前記長手方向に沿って延びる内部流路と、前記ブロックに取り付けられた第１制御バルブと、前記ブロックにおいて前記第１制御バルブよりも下流側に取り付けられた第２制御バルブと、を備え、前記内部流路が、前記第１制御バルブから流体が流出する第１流出口に接続される第１流出流路と、前記第２制御バルブに流体が流入する第２流入口に接続される第２流入流路と、を備え、前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されていることを特徴とする。

【0009】

このようなものであれば、前記第１制御バルブと前記第２制御バルブを長手方向に沿って並べて配置して、前記ブロックの幅寸法を小さくするとともに、各制御バルブから流出する流体を合流させて流すことができる。このため、流体制御装置の幅寸法をコンパクトにしながら、２つの制御バルブを用いることで最大流量は従来の約２倍にできる。

【0010】

前記ブロックの幅寸法が小さくても、前記第１流出流路と前記第２流入流路とを前記ブロック内で干渉しないようにねじれの位置に配置しやすくするには、前記ブロックが、流体制御機器が取り付けられる取付面と、前記取付面に対して所定量だけ突出した突出部と、を具備し、前記第１制御バルブ、又は、前記第２制御バルブのいずれか一方が、前記取付面に取り付けられるものであればよい。

【0011】

前記ブロック内に形成される内部流路の長さをできるだけ短くして、内部容積を小さくし、制御の応答性を良くするには、前記第２制御バルブが、前記突出部に設けられたものであればよい。このようなものであれば、前記ブロックの端面又は取付面の対面から流体が導入される場合に、上流側にある前記第１制御バルブに流体を流入させるための流路の長さを短くしやすい。

【0012】

前記ブロックの幅寸法を小さくしながら、前記第１流出流路と前記第２流入流路をねじれの位置に配置させてやすくするための別の態様としては、前記第１制御バルブが、前記ブロックの表面に対して接触する第１接触面が形成された第１バルブブロックを具備し、前記第１バルブブロックに流体が流入する第１流入口、及び、前記第１バルブブロックから流体が流出する前記第１流出口が前記第１接触面に開口しており、前記第２制御バルブが、前記ブロックの表面に対して接触する第２接触面が形成された第２バルブブロックを具備し、前記第２バルブブロックに流体が流入する前記第２流入口、及び、前記第２バルブブロックから流体が流出する第２流出口が前記第２接触面に開口するものであればよい。このようなものであれば、各制御バルブの全体を前記ブロックの外側に配置して、ブロック内に各制御バルブの一部を収容するための凹部等を形成しなくてもよい。この結果、前記ブロック内に内部流路を形成するためのスペースを確保しやすくなり、前記第１流出流路と前記第２流入流路の配置の自由度を高めることができる。

【0013】

前記ブロックの幅寸法を最も小さくしても、コンパクトでありながら大流量を実現できる具体的な構成例としては、前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブが、前記ブロックと同じ幅寸法を有するものが挙げられる。

【0014】

前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブを通過した流体の全体の流量を正確に所望の値となるように制御できるようにするには、前記内部流路が、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブを通過した流体が合流して流れる合流後流路と、前記第２制御バルブから流体が流出する第２流出口と、前記合流後流路との間を接続する第２流出流路と、をさらに備え、前記第１流出流路の下流側が前記合流後流路に接続されており、前記合流後流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサが測定する流量に少なくとも基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの少なくとも一方を制御する流体制御器をさらに備えたであればよい。

【0015】

各制御バルブにより全体として所望の流量を実現するための別の態様としては、前記内部流路が、前記第１制御バルブに流体が流入する第１流入口に接続される第１流入流路と、下流側が前記第１流入流路及び前記第２流入流路に接続される分岐前流路と、をさらに備え、前記分岐前流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサが測定する流量に少なくとも基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの少なくとも一方を制御する流体制御器をさらに備えたものが挙げられる。

【0016】

前記第１制御バルブと前記第２制御バルブによる流体の制御がお互いに干渉して制御性能が低下するのを防ぎつつ、所望の大流量を正確に実現できるようにするには、前記流体制御器が、設定流量の所定倍だけ小さい分担目標流量が流れるように前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブのいずれか一方の開度を制御する開度制御部と、前記設定流量と、前記流量センサが測定する流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの他方を制御する流量フィードバック制御部と、を備えたものであればよい。

【0017】

例えば供給圧の変動があった場合でも、前記開度制御部の制御により前記分担目標流量に近い流量が一方の制御バルブで実現され、流量フィードバック制御される他方の制御バルブへの負担を低減できるようにするには、前記開度制御部が、前記第１制御バルブの上流側の圧力に基づいて、分担目標流量に相当する目標開度を算出する目標開度算出部と、前記目標開度に相当する電圧を前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの他方に印加する電圧制御部と、を備えたものであればよい。

【0018】

前記第１制御バルブと前記第２制御バルブの双方でほぼ同じ流量が実現され、結果として流体制御装置全体では従来の２倍程度の最大流量を可能にするには、前記分担目標流量が前記設定流量の１／２倍に設定されていればよい。

【0019】

簡単な制御則で各制御バルブにより全体として所望の流量が得られるようにするには、前記流体制御器が、前記第１制御バルブの開度と、前記第２制御バルブの開度が同期するように制御する同期制御部を備えたものであればよい。

【0020】

前記第１制御バルブと前記第２制御バルブの両方が同じように動作するようにして制御則を簡素化しつつ、外乱があっても流体制御装置から出力される流量が設定流量で保たれるようにするには、前記第１制御バルブと前記第２制御バルブが同型のものであり、前記同期制御部が、前記流量センサで測定される流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブのそれぞれに同一の電圧を印加するものであればよい。

【0021】

通常時においては前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブのいずれか一方による流量制御を行うようにしておき、流量制御を行っている制御バルブに異常が発生した場合でも別の制御バルブに流量制御が切り替わることで異常から自己復帰できるようにするには、前記流体制御器が、設定流量と、前記流量センサが測定する流量との偏差が小さくなるように、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブのいずれか一方を制御する流量フィードバック制御部と、前記第１制御バルブ、又は、前記第２制御バルブにおける異常を検知するバルブ異常検知部と、前記バルブ異常検知部が、前記流量フィードバック制御部によって制御されている前記第１制御バルブ、又は、前記第２制御バルブの異常を検知した場合に、前記前記流量フィードバック制御部の制御対象となる制御バルブを切り替えさせる制御対象切替部と、を備えたものであればよい。

【0022】

このようなものであれば、例えばオペレータが特殊な復帰操作や修復操作等を行わなくても流量制御を行っている制御バルブに異常が発生した場合には自動的に別の制御バルブが切り替えられて、流量制御を継続できる。したがって、このような流体制御装置であれば片方の制御バルブが故障したとしても自己復帰、自己修復が可能となり、流量制御の信頼性を向上させることができる。また、例えば前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブがノーマルオープンタイプのものであれば、最初に流量制御を行っていた制御バルブに故障したとしても、その制御バルブは全開状態となり、制御が切り替えられた制御バルブによる流量制御の妨げにはなりにくい。

【0023】

各制御バルブに故障等が生じていない通常時には、前記流量センサで測定される測定点と、制御バルブによる流量の制御点との間の距離を短くして、応答性を良くするには、前記流量フィードバック制御部が、初期状態では前記第２制御バルブを制御しており、前記バルブ異常検知部が、前記第２制御バルブに異常を検知した場合に、前記制御対象切替部は、前記流量フィードバック制御部の制御対象を前記第１制御バルブに切り替えさせるように構成されたものであればよい。

【0024】

各制御バルブにおける異常を検知するための具体的な構成例としては、前記バルブ異常検知部が、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブに印加されている電圧に基づいて、絶縁状態の異常を検知するように構成されたものが挙げられる。

【0025】

各制御バルブにおける異常を検知するための別の構成例としては、前記バルブ異常検知部が、前記設定流量と前記流量センサで測定される流量との偏差の絶対値に基づいて、前記第１制御バルブ又は前記第２制御バルブの異常を検知するように構成されたものが挙げられる。

【発明の効果】

【0026】

このように本発明に係る流体制御装置によれば、前記ブロックを幅方向に沿って透視した場合に、前記第１流出流路と前記第２流入流路とが、１点で重なるように配置されているので、前記第１制御バルブと前記第２制御バルブを前記ブロックの長手方向に並べて配置し、前記ブロックの幅寸法を小さくしながら、各制御バルブを通過した流体を前記合流後流路で合流させることができる。この結果、流体制御装置をコンパクトに構成しながら、従来よりも最大流量は大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１実施形態における流体制御装置のハードウェア構成を示す模式図。

【図2】第１実施形態における流体制御装置の流体制御器の構成を示す模式図。

【図3】第１実施形態における流体制御装置の模式的流体回路図。

【図4】本発明の第２実施形態における流体制御装置のハードウェア構成を示す模式図。

【図5】本発明の第３実施形態における流体制御装置の構成を示す模式図。

【図6】本発明の第４実施形態における流体制御装置の模式的流体回路図。

【図7】本発明の第５実施形態における通常時の流体制御装置の構成を示す模式図。

【図8】本発明の第５実施形態における異常発生時の流体制御装置の構成を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

第１実施形態の流体制御装置１００について図１乃至図３を参照しながら説明する。

【0029】

この流体制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいて、流体として各種ガスをチャンバに所望の設定流量で供給するために用いられる。また、複数の流体制御装置１００を幅方向に複数並列に並べてガス供給システムが構成される。

【0030】

図１及び図２に示すように流体制御装置１００は、長手方向を有し、一端部から他端部に向かってガスが流れる内部流路Ｌが形成されたブロックＢと、ブロックＢに対して取り付けられた第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２と、第１制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２を通過し、合流した後のガスの流量を測定する圧力式の流量センサＦＭと、流量センサＦＭの測定値に基づいて第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２を制御する流体制御器ＣＢと、を備えている。各部について詳述する。

【0031】

図１に示すようにブロックＢは、細長い直方体の１つの側面の中央部に直方体形状の突出部Ｂ１が形成されたものである。この突出部Ｂ１のある側面が流体制御機器である第１制御バルブＶ１、及び、流量センサＦＭを構成する第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２が取り付けられる取付面ＡＳとして設定してある。また、突出部Ｂ１には第２制御バルブＶ２が設けられる。すなわち、内部流路Ｌに対して上流側から順番に第１制御バルブＶ１、第２制御バルブＶ２、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２がブロックＢに対して取り付けられている。図１（ｂ）に示されるようにブロックＢは一定の幅寸法を有しており、第１制御バルブＶ１、第２制御バルブＶ２、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２もブロックＢの幅寸法と略同じ寸法を有している。

【0032】

第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２は同種、同型の例えばピエゾバルブであって、取付面ＡＳ又は突出部Ｂ１に形成された中空円筒状の凹部に、弁座及び弁体からなる円筒状の弁構造体が挿入され、弁体を駆動するピエゾアクチュエータはその外側に突出するように設けられる。弁構造体の下面側に形成されている流入口からガスが制御バルブ内へと流入し、弁体と弁座との隙間を通過したガスは弁構造体の側面に形成されている流出口から下流側へと流れる。以下の説明では、第１制御バルブＶ１の流入口及び流出口は第１流入口１１及び第１流出口１２と呼称し、第２制御バルブＶ２の流入口及び流出口は第２流入口２１及び第２流出口２２と呼称する。

【0033】

第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２は、同種、同型のものであり、取付面ＡＳに取り付けられる直方体形状をなす固定部と、固定部の上側において扁平な円盤状をなす本体部とからなる。本体部の内部には圧力の感圧面が取付面ＡＳに対して垂直となるように設けられている。また、第１圧力センサＰ１は、固定部の下面によって取付面ＡＳに形成された凹部内に収容された流体抵抗である層流素子Ｒを押さえつけて固定する。この層流創始は微小流路が形成された層流素子板を複数積層したものであり、層流素子板の間をガスが通過することで層流素子Ｒの前後に差圧を発生させる。層流素子Ｒの中央部に層流素子板間を通過する前のガスを第１圧力センサＰ１内に導くための貫通穴が設けられており、第１圧力センサＰ１は層流素子Ｒの上流側の圧力を測定する。また、第２圧力センサＰ２は層流素子Ｒを通過した後のガスの圧力を測定する。

【0034】

また、ブロックＢにおいて取付面ＡＳの対向面である底面には、内部流路Ｌにガスが導入される導入ポートＣＩＰと、第１制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２を通過したガスが内部流路Ｌから外部へと導出される導出ポートＣＯＰと、が形成されている。

【0035】

内部流路ＬにおいてブロックＢの一端側に形成されている部分は２つの並列な流路として形成されている。並列な各流路にはそれぞれ第１制御バルブＶ１と第２制御バルブＶ２が設けられている。また、内部流路ＬにおいてブロックＢの他端側に形成されている部分は、第１制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２を通過したガスが合流する１つの合流後流路ＣＬとして形成されている。

【0036】

すなわち、１つのブロックＢに対して各流体制御機器を取り付けることで図３に示すような流体回路が形成される。より具体的には内部流路Ｌは、図１及び図３に示すように、導入ポートＣＩＰから流体が流入する分岐前流路ＢＢＬと、分岐前流路ＢＢＬの下流端にある分岐点ＢＰから分岐し、第１制御バルブＶ１の第１流入口１１との間を接続する第１流入流路ＳＬ１と、分岐前流路ＢＢＬの下流端にある分岐点ＢＰから分岐し、第２制御バルブＶ２の第２流入口２１に終端部が接続される第２流入流路ＳＬ２と、第１制御バルブＶ１の第１流出口１２と合流後流路ＣＬの上流端である合流点ＣＰとの間を接続する第１流出流路ＥＬ１と、第２制御バルブＶ２の第２流出口２２と合流後流路ＣＬの上流端である合流点ＣＰとの間を接続する第２流出流路ＥＬ２と、をさらに備えている。ここで、第２流入流路ＳＬ２と第１流出流路ＥＬ１とはブロックＢ内においてそれぞれねじれの位置にある。

【0037】

図１（ａ）に示すようにブロックＢを幅方向に沿って透視した場合、第２流入流路ＳＬ２と、第１流出流路ＥＬ１は１点で重なるように配置されている。すなわち、第１流出流路ＥＬ１と第２流入流路ＳＬ２の一部は幅方向に沿って視た場合に、十字をなすように配置されている。より具体的には、第１流入流路ＳＬ１はブロックＢにおいて幅方向の中央部に形成されているが、第２流入流路ＳＬ２は幅方向の中央部から紙面奥方向へと斜めに進行している。また、第２制御バルブＶ２は突出部Ｂ１上に設けられているので、第２流入流路ＳＬ２は図１（ａ）における紙面奥方向に進行しながら、合わせてブロックＢの底面側から取付面ＡＳ側へと進行している。言い換えると、第２流入流路ＳＬ２の流れ方向はブロックＢ内を紙面斜め奥方向へと進行している。

【0038】

また、第１流出流路ＥＬ１はブロックＢの図１（ａ）における紙面手前側から幅方向の中央部に向かって進行するとともに、取付面ＡＳ側から底面側に進行して第２流出流路ＥＬ２とともに層流素子Ｒの上流側にある合流流路の先端部に至る。

【0039】

次に流体制御器ＣＢについて図２を参照しながら説明する。

【0040】

流体制御器ＣＢは、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、その他アナログ乃至デジタル回路から構成された制御回路である。流体制御器ＣＢはメモリに格納されているプログラムがＣＰＵにより実行され、各種機器が協業することにより、少なくとも図２に示すように開度制御部２、流量算出部３、流量フィードバック制御部４としての機能を発揮する。本実施形態の流体制御器ＣＢは、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２においてそれぞれ同じ程度の流量が通過し、合流後流路ＣＬにおいてユーザにより設定される設定流量とほぼ同じ流量が流れるように第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２を制御する。つまり、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２からほぼ同じ量のガスを流すことで、１つの制御バルブしかない場合と比較して約２倍の最大流量を実現できるようにしてある。以下に各部の詳細について説明する。

【0041】

開度制御部２は、設定流量と、流体制御装置１００の導入ポートＣＩＰに接続されている流路に設けられた図示しない供給圧センサで測定されるガスの供給圧とに基づいて、第１制御バルブＶ１の開度を制御する。すなわち、開度制御部２は、第１制御バルブＶ１を通過するガスの流量が設定流量の１／２倍となるように開度を制御する。ここで、開度制御部２には流量センサＦＭで測定される合流後流路ＣＬを流れるガスの流量である合流後流量はフィードバックされない。

【0042】

より具体的には開度制御部２は、設定流量と供給圧とに基づいて第１制御バルブＶ１の目標開度を算出する目標開度算出部２１と、目標開度算出部２１で算出された目標開度に相当する電圧を第１制御バルブＶ１に印加する電圧制御部２２と、を備えている。

【0043】

目標開度算出部２１は、第１制御バルブＶ１のコンダクタンスに関する情報を保持しており、このコンダクタンスから現在の供給圧において設定流量の１／２の流量を実現できる目標開度を算出する。

【0044】

電圧制御部２２は、第１制御バルブＶ１の電圧―開度特性に関する情報を保持しており、目標開度に対応する電圧を第１制御バルブＶ１に印加する。

【0045】

このように第１制御バルブＶ１の制御では、第１制御バルブＶ１により実現される流量に関する情報はフィードバックされておらず、供給圧と設定流量に基づいて流量については開ループ制御が行われる。したがって、第１制御バルブＶ１から出力されるガスの流量は設定流量の１／２に近い値となるが、流量誤差は補正されずに保たれたままとなる。

【0046】

流量算出部３は、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力と、第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力に基づいて、合流後流路ＣＬを流れるガスの流量である合流後流量を算出する。流量算出部３で使用される流量の算出式は例えば第１圧力と第２圧力の差圧や、第１圧力の二乗と第２圧力の二乗の差に基づく既知のものが使用される。

【0047】

流量フィードバック制御部４は、設定流量と流量算出部３で算出される合流後流量との偏差が小さくなるように第２制御バルブＶ２の開度を流量フィードバック制御する。すなわち、第１制御バルブＶ１で実現される流量の誤差と、第２制御バルブＶ２で実現される流量の誤差の両方を第２制御バルブＶ２の制御によって小さくなるように構成されている。

【0048】

このように構成された流体制御装置１００であれば、ブロックＢ内に形成されている第１制御バルブＶ１からガスが流出する第１流出流路ＥＬ１と第２制御バルブＶ２にガスを流入させる第２流入流路ＳＬ２がねじれの位置に配置されているとともに、幅方向に沿って視た場合に１点で重なるように配置されているので、第１流出流路ＥＬ１と第１制御バルブＶ１と第２制御バルブＶ２を長手方向に沿って並べて配置して、前記ブロックＢの幅寸法を小さくしつつ、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から流出する流体を合流後流路ＣＬに流すことができる。このため、流体制御装置１００の幅寸法をコンパクトにしながら、２つの制御バルブを用いることで最大流量は従来の約２倍にできる。

【0049】

また、流体制御器ＣＢによって第１制御バルブＶ１は供給圧に基づいて開度が制御されて、流量については開ループで制御される。また、第２制御バルブＶ２は流量センサＦＭで測定される合流後流量がフィードバックされて、流量について閉ループで制御される。このように第２制御バルブＶ２のみに流量フィードバック制御が行われるので各制御バルブ同士が相互に制御が干渉しあうのを防ぐことができる。

【0050】

さらに、第１制御バルブＶ１は設定流量の１／２倍に相当する流量を流すように開度が制御されるので、第１制御バルブＶ１と第２制御バルブＶ２を通過するガスの流量はほぼ同じ値にできる。したがって、１つの制御バルブによりガスの流量を制御している場合と比較して、最大流量を約２倍に正確に制御することが可能となる。

【0051】

次に本発明の第２実施形態における流体制御装置１００について図４を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

【0052】

第２実施形態の流体制御装置１００は、ブロックＢ内には第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２の弁体及び弁座等の挿入されておらず、それぞれが別々に分離する構造として構成されている。

【0053】

具体的には、第１制御バルブＶ１は弁体や弁座が内部に形成された第１バルブブロックＶＢ１を備えており、この第１バルブブロックＶＢ１の下面がブロックＢの取付面ＡＳに対して取り付けられて、内部流路Ｌと連通するように構成されている。すなわち、第１バルブブロックＶＢ１は、下面に形成された接続面ＣＳに、内部に流体であるガスが流入する第１流入口１１と内部からガスが流出する第１流出口１２が開口させてある。このため、取付面ＡＳに対して接続面ＣＳを接触させることにより、図４（ａ）に示すように取付面ＡＳに開口する第１流入流路ＳＬ１の下流端開口と第１流入口１１とが連通し、取付面ＡＳに開口する第１流出流路ＥＬ１の上流端開口と第１流出口１２とが連通する。図４（ｂ）に示すように第１流出口１２は、第１流入口１１の中心に対して幅方向にずらして配置されており、ブロックＢ内を斜めに延びる第１流出流路ＥＬ２と接続される。

【0054】

また、第２制御バルブＶ２も第１制御バルブＶ１と同様の構造を有している。第２制御バルブＶ２は、弁体や弁座が内部に形成された第２バルブブロックＶＢ２を備えており、この第２バルブブロックＶＢ２の下面がブロックＢの取付面ＡＳに対して取り付けられて、内部流路Ｌと連通するように構成されている。すなわち、第２バルブブロックＶＢ２は、下面に形成された接続面ＣＳに、内部に流体であるガスが流入する第２流入口２１と内部からガスが流出する第２流出口２２が開口させてある。このため、取付面ＡＳに対して接続面ＣＳを接触させることにより、図４（ａ）に示すように取付面ＡＳに開口する第２流入流路ＳＬ２の下流端開口と第２流入口２１とが連通し、取付面ＡＳに開口する第２流出流路ＥＬ２の上流端開口と第１流出口２２とが連通する。図４（ｂ）に示すように第２流出口２２は、第１流出口１２の中心に対して幅方向に中央側へずらして配置されている。この第２流出口２２に接続される第２流出流路ＥＬ２は、ブロックＢの高さ方向に伸びており、第１流出流路１２に対して交差するように形成されている。

【0055】

第２流入流路ＳＬ２は、ブロックＢの中央部から幅方向奥側へと斜めに延びており、幅方向手前側へと斜めに延びる第１流出流路ＥＬ２とねじれの位置に配置されるようにしてある。また、図４（ａ）に示すようにブロックＢを幅方向に透視した場合に、第１流出流路ＥＬ１と第２流入流路ＳＬ２は１点で重なるように構成されている。

【0056】

このように構成された第２実施形態の流体制御装置１００であれば、ブロックＢの取付面ＡＳに対して第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２の一部を内部に収容するための凹部を形成する必要がなく、各制御バルブＶ１、Ｖ２の全体をブロックＢの外側に配置し、分離した状態にできる。したがって、ブロックＢ内において第１流入流路ＳＬ１、第２流入流路ＳＬ２、第１流出流路ＥＬ１、第２流出流路ＥＬ２を形成できるスペースを大きくとることができる。このため、シンプルな形状であっても第１流出流路ＥＬ１と第２流入流路ＳＬ２とをねじれの位置に配置しやすくしやすい。

【0057】

次に本発明の第３実施形態における流体制御装置１００について図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

【0058】

第３実施形態の流体制御装置１００は、流体制御器ＣＢの構成が第１実施形態とことなっている。すなわち、第１実施形態の流体制御器ＣＢは第１制御バルブＶ１と第２制御バルブＶ２をそれぞれ異なる制御則で独立に制御していたが、第３実施形態の流体制御器ＣＢは、第１制御バルブＶ１と第２制御バルブＶ２の開度を同期させて変化させる。

【0059】

具体的には流体制御器ＣＢは、第１制御バルブＶ１の開度と、第２制御バルブＶ２の開度が同期するように制御する同期制御部５を備えている。

【0060】

同期制御部５は、流量センサＦＭで測定される合流後流量との偏差が小さくなるように、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２のそれぞれに同一の電圧を印加する。ここで、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２は同種、同型のものであるので、同一の電圧を印加すればほぼ同じ開度となる。また、同期制御部５は設定流量と測定される流量の偏差に応じて各制御バルブＶ１に印加する電圧を変化させるが、各時刻において印加されている電圧の値はほぼ同じ値になるように構成されている。すなわち、同期制御部５に対して第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２は例えば並列に接続されており、それぞれに印加される電圧値は常に同じ値となるように構成されている。また、同期制御部５は供給圧に応じて印加する電圧の大きさについても補正するように構成されている。

【0061】

このような第３実施形態の流体制御装置１００であれば、簡単な制御則でありながら、各制御バルブＶ１及びＶ２に偏りなくガスを流すことができ、大流量を精度よく実現できる。

【0062】

次に本発明の第４実施形態における流体制御装置１００について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

【0063】

第４実施形態の流体制御装置１００は、各制御バルブＶ１、Ｖ２の上流側にある分岐前流路ＢＢＬ上に流量センサＦＭが設けられているとともに、流量センサＦＭが圧力式ではなく、熱式の流量センサを用いている。この流量センサＦＭは、分岐前流路ＢＢＬに設けられた流体抵抗Ｒと、流体抵抗ＲをバイパスするU字状の細管ＴＰと、細管ＴＰの外側に巻回された第１コイルＣ１と、第１コイルＣ１の下流側に設けられ、細管ＴＰの外側に巻回された第２コイルＣ２と、を備えている。流体制御器ＣＢは、例えば各コイルＣ１、Ｃ２の温度が一定に保たれるようにそれぞれ電圧を印加し、各コイルＣ１、Ｃ２に印加されている電圧の差に基づいて流量が算出される。

【0064】

このような第４実施形態の流体制御装置１００であっても、第１実施形態の流体制御装置１００とほぼ同様の効果を享受することができる。

【0065】

次に本発明の第５実施形態における流体制御装置１００について図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

【0066】

第５実施形態の流体制御装置１００は、第１制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２のいずれか一方に故障等が発生したとしても、流量制御が自動的に継続されるものである。すなわち、この流体制御装置１００は流量制御に関して自己復帰、自己修復機能を有するものである。

【0067】

具体的にはこの流体制御装置１００における第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２はノーマルオープンタイプのバルブとして構成されている。言い換えると、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２は、電圧が印加されていない場合やピエゾアクチュエータにおいて絶縁破壊が発生した場合には全開の状態となるように構成されたものである。加えて、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２は同型の制御バルブであり、ほぼ同じ制御特性を有している。

【0068】

また、流体制御器ＣＢは図７に示すように通常時には第２制御バルブＶ２のみで流量制御を行うとともに、図８に示すように異常発生時には第１制御バルブＶ１のみによる流量制御に自動的に切り替わるように構成されている。すなわち、通常時においては第２制御バルブＶ２の開度が適宜変更されるのに対して、第１制御バルブＶ２は例えば全開の状態に保たれる。

【0069】

具体的には流体制御器ＣＢは、流量算出部３、流量フィードバック制御部４、バルブ異常検知部６、流量制御切替部７、としての機能を発揮するように構成されている。

【0070】

流量算出部３は第１実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。流量フィードバック制御部４は、基本的な制御則は第１実施形態と同様であるが、流量制御切替部７により制御対象となる制御バルブが切り替えられる。また、この実施形態では流量フィードバック制御部４は、通常時には第２制御バルブＶ２を制御し、異常発生時には第１制御バルブＶ１を制御する。

【0071】

バルブ異常検知部６は、通常時においては流量フィードバック制御部４による制御対象となっている第２制御バルブＶ２を少なくともモニタリングしている。すなわち、バルブ異常検知部６は、第２制御バルブＶ２に印加されている電圧の値をモニタリングするとともに、流量フィードバック制御部４で算出される設定流量と合流後流量との偏差の絶対値についてもモニタリングしている。バルブ異常検知部６は、例えば第２制御バルブＶ２に印加されている電圧が所定値以下となった場合には、ピエゾアクチュエータに絶縁破壊が生じていると判定する。また、バルブ異常検知部６は、前述した偏差の絶対値が所定値以上となり、その状態が所定期間維持された場合には、第２制御バルブＶ２の異常のために流量制御が行えないと判定する。

【0072】

流量制御切替部７は、バルブ異常検知部６が第２バルブＶ２の異常を検知した場合には、図８に示すように第２制御バルブＶ２から第１制御バルブＶ１による流量制御に切り替える。すなわち、流量フィードバック制御部４によって第１制御バルブＶ１にのみ電圧が印加され、流量制御が継続される。また、電圧が印加されなくなった第２制御バルブＶ２はノーマルオープンタイプであるので、全開の状態が維持される。

【0073】

このように第５実施形態の流体制御装置１００であれば、第２制御バルブＶ２単独での流量制御中に当該第２制御バルブＶ２に異常が検知された場合には、自動的に第１制御バルブＶ２での流量制御に切り替えることができる。したがって、第２制御バルブＶ２の異常によって流量制御が継続できなくなり、設定流量を維持できなくなっても、第１制御バルブＶ１による流量制御が開始されて設定流量に自己復帰させることができる。

【0074】

また、第１制御バルブＶ１による流量制御が開始されてからは、第２制御バルブＶ２は全開状態で維持されるので、第２制御バルブＶ２自体による流路抵抗は最小化できる。したがって、第１制御バルブＶ１による流量制御は、第２制御バルブＶ２とほぼ同等の条件で行うことができ、流量制御精度等を一定に保つ事が可能となる。

【0075】

その他の実施形態について説明する。

【0076】

ブロックは取付面に対して突出する突出部を備えていないものであってもよい。すなわち、第１制御バルブと第２制御バルブがそれぞれ同じ高さの取付面上に取り付けられていてもよい。このような場合でも第１流出流路と第２流入流路とがねじれの位置となり、幅方向に沿って視た場合に１点で交差するように配置すればよい。

【0077】

また、突出部の設けられる位置は前記実施形態に示したものに限られない。例えば第１制御バルブが設けられる位置に突出部を設けて、第２制御バルブよりも第１制御バルブがブロックにおいて高い位置に配置されるようにしてもよい。

【0078】

流量センサについては圧力式の流量センサに限られるものではなく、熱式や超音波式等のその他の測定原理に基づくものであっても構わない。また、内部流路を流れる流体はガスだけでなく、液体であっても構わない。

【0079】

開度制御部が制御対象とする制御バルブは第１制御バルブに限られず、第２制御バルブであってもよい。このような場合には、流量フィードバック制御部が第１制御バルブを制御するように構成すればよい。加えて、開度制御部において用いられる圧力は供給圧に限られない。例えば圧力式の流量センサを構成する第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて開度制御部が第１制御バルブ又は第２制御バルブの開度を制御するものであってもよい。

【0080】

開度制御部は、設定流量の１／２倍の流量を実現するように動作するものに限られない。例えば設定流量の所定倍だけ小さい流量を実現するように第１制御バルブ又は第２制御バルブを制御するものであってもよい。

【0081】

流体制御装置は、流量を制御するものに限られず、圧力を制御するものであってもよい。本発明に係る流体制御装置であれば圧力を制御する場合でも最大流量を従来よりも大きくできる。

【0082】

第２流入流路は第１流入流路から分岐するものに限られず、導入ポートと第２流入口との間を接続するように形成されてもよい。また、導入ポートは２つ設けられていて、第１流入流路と第２流入流路がそれぞれ別々の流体供給源から流体の供給を受けるようにしてもよい。

【0083】

第５実施形態では、通常時には第２制御バルブのみで流量制御を行い、異常が検知されてからは第１制御バルブのみで流量制御を行うように構成されていたが、通常時に第１制御バルブのみで流量制御を行って、異常が検知されてからは第２制御バルブのみで流量制御を行うように構成してもよい。また、通常時において流量制御を行っていない制御バルブについては、切り替え後すぐに動作できるように動作維持電圧を印加してもよい。また、通常時に流量制御を行っていない制御バルブについては例えば圧力制御を行わせておき、異常が検知されてからは流量制御を行うように構成してもよい。

【0084】

加えて、第５実施形態の流体制御装置は、第１制御バルブ及び第２制御バルブの両方がノーマルオープンタイプとして構成されたものに限られず、第１制御バルブ及び第２制御バルブが、電圧が印加されていない場合には全閉状態に保たれるノーマルクローズタイプとして構成されたものであってもよい。また、第１制御バルブ又は第２制御バルブの一方がノーマルオープンタイプで他方がノーマルクローズタイプとして構成しても構わない。これらのように構成された場合でも、流量制御を行っていた制御バルブにおいて異常が発生した場合には自動的に別の制御バルブでの流量制御を継続できる。したがって、第５実施形態で説明したのと同様に流量制御について自己復帰、自己修復機能を実現できる。

【0085】

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、各実施形態の一部同士の組み合わせを行っても構わない。

【符号の説明】

【0086】

１００・・・流体制御装置
Ｖ１ ・・・第１制御バルブ
Ｖ２ ・・・第２制御バルブ
ＳＬ１・・・第１流入流路
ＳＬ２・・・第２流入流路
ＥＬ１・・・第１流出流路
ＥＬ２・・・第２流出流路
ＦＭ ・・・流量センサ
ＣＢ ・・・流体制御器
２ ・・・開度制御部
２１ ・・・目標開度算出部
２２ ・・・電圧制御部
３ ・・・流量算出部
４ ・・・流量フィードバック制御部
５ ・・・同期制御部
６ ・・・バルブ異常検知部
７ ・・・流量制御切替部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】