遠隔区画における圧力規制
【課題】離れて位置する区画内部における圧力を精度高く制御することができるシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】圧力制御システムは、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流量を制御することによって、１つ以上の区画の内部圧力を遠隔的に制御する。各区画は、導管を介して１つのエンクロージャにそれぞれ接続されている。流体の圧力を、各エンクロージャ内において測定する。各区画内における推定圧力を、エンクロージャ内の測定圧力と、導管および区画の既知の特性との関数として計算する。区画毎に、各エンクロージャの入口比例弁および出口比例弁を動作させて、それぞれのエンクロージャに流入する流体の入力流速と、エンクロージャから流出する流体の出力流速とを、圧力設定点と推定圧力との関数として制御することにより、圧力設定点に応じて区画内部の圧力を規制する。
【解決手段】圧力制御システムは、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流量を制御することによって、１つ以上の区画の内部圧力を遠隔的に制御する。各区画は、導管を介して１つのエンクロージャにそれぞれ接続されている。流体の圧力を、各エンクロージャ内において測定する。各区画内における推定圧力を、エンクロージャ内の測定圧力と、導管および区画の既知の特性との関数として計算する。区画毎に、各エンクロージャの入口比例弁および出口比例弁を動作させて、それぞれのエンクロージャに流入する流体の入力流速と、エンクロージャから流出する流体の出力流速とを、圧力設定点と推定圧力との関数として制御することにより、圧力設定点に応じて区画内部の圧力を規制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互引用）
本願は、２００４年３月９日に出願され、"System and Method for Controlling Pressure in Remote Zones"（遠隔区画における圧力制御のためのシステム及び方法）と題する同時係属中の米国特許出願第１０／７９６，７２３号（代理人整理番号ＭＫＳ−１３６）の一部係属出願であり、その優先権を主張する。この同時係属中の特許出願第１０／７９６，７２３号は、本願の譲受人に譲渡されている。
【背景技術】
【０００２】
用途の中には、離れて位置する区画内部において圧力を規制することが必要となる場合もある。例えば、一部の機械および機器は、当該機器の動作中加圧または減圧するチェンバを含む場合がある。このような機械の例には、限定する訳ではないが、化学機械研磨（ＣＭＰ）機械を含むことができる。
【０００３】
測定チェンバ内部にある圧力センサは、当該測定チャンバ内部の圧力を計ることができるに過ぎず、センサに対して離れて位置する区画の内部圧力を計るのではない。その結果、測定チェンバ内部に位置する圧力センサによる圧力測定値のみを用いる圧力制御システムは、測定チェンバ内の圧力が遠隔区画における圧力と等しいと仮定しなければならない場合がある。しかしながら、測定チェンバ内の圧力はその区画の圧力とは等しくないことが多い。例えば、測定チェンバ内で局在化した圧力減衰が発生すると、測定チェンバ内の圧力は区画の圧力とは等しくなくなる可能性がある。その結果、圧力制御システムの性能に著しい低下が生ずる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、離れて位置する区画内部における圧力を精度高く制御することができるシステムおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
区画内部における圧力を遠隔的に制御するシステは、圧力センサと、弁システムと、区画圧力推定部と、制御部とを含む。圧力センサは、導管を介して区画に接続可能であり、当該区画から離れて位置するエンクロージャ（例えば、測定チェンバ）内部の圧力を測定するように構成されている。弁システムは、エンクロージャに流入および流出し、導管を介して区画に達する流体の流量を制御するように構成されている。弁システムは、エンクロージャに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、エンクロージャから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、区画圧力推定部は、区画内における推定圧力を、圧力センサが測定する圧力の関数として、更に導管の既知の特性の関数として計算するように構成されている。制御部は、入力流量および出力流量を、区画圧力推定部からの推定圧力と区画に対する圧力設定点との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、区画内部の圧力を規制するように構成されている。
【０００６】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御するシステムで（ｉ＝１，．．．，Ｎ）について記載する。このシステムは、圧力測定システムと、弁システムと、区画圧力推定部と、制御部とを含む。圧力測定システムは、ｉ個のエンクロージャの各々において、流体の圧力を測定するように構成されている。弁システムは、エンクロージャｉ毎に、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、エンクロージャｉから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む。
【０００７】
区画圧力推定部は、圧力測定システムに結合されている。区画圧力推定部は、各区画ｉ毎に、圧力測定システムからのエンクロージャｉにおける測定圧力を受け取り、区画内における推定圧力を、エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に導管ｉおよび区画ｉの既知の特性の関数として、計算するように構成されている。制御部は、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、およびエンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、区画ｉに対する圧力設定点と区画圧力推定部からの区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画ｉ内部の圧力を制御するように構成されている。
【０００８】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御する方法（ｉ＝１，．．．，Ｎ）について記載する。この方法は、ｉ個のエンクロージャの各々において、流体の圧力を測定するステップを含む。更に、この方法は、区画内における推定圧力を、エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に導管ｉおよび区画ｉの既知の特性の関数として、計算するステップを含む。更に、この方法は、区画ｉ毎に、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、およびエンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、区画ｉに対する圧力設定点と区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画ｉ内部の圧力を制御するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（詳細な説明）
本開示において、区画という用語は、密閉立体空間(enclosed volume)を意味することとする。圧力を制御すべき各遠隔区画の圧力を精度高く推定する、オブザーバに基づく解決策(observer-based solution)を用いて、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法について説明する。圧力制御システムにおいて遠隔区画の推定圧力を用いることによって、閉ループ制御の性能を著しく向上させることができる。例えば、測定チェンバ内では発生するが遠隔区画自体では発生しない局在的圧力低下を克服することができる。
【００１０】
図１は、本開示における説明の一実施形態による、１つ以上の遠隔区画Ｚｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）における圧力を規制する圧力制御システムを示す機能ブロック図である。図１に見られるように、全ての区画Ｚｉは、１つの加圧流体源４０に繋がれて加圧され、１つの真空排気機構３０に達する。全体像では、圧力制御システム１００は、圧力測定および流体制御システム１１０（図２に更に詳しく示す）、区画圧力推定部１２０、および制御部１３０を含むことができる。
【００１１】
圧力制御システム１００は、区画圧力推定部１２０を用いて、各遠隔区画における圧力を離れて制御することができる。導管Ｆｉ（図２に示す）を介して区画Ｚｉに接続されているエンクロージャｂｉ内部の測定圧力に基づいて、遠隔区画Ｚｉ内部における圧力を推定し、区画圧力推定部１２０からの推定圧力に基づいてエンクロージャに対する流入および流出を制御する。通例、エンクロージャは、圧力測定チェンバとすればよいが、流体を内部に密閉することができる密閉立体空間であれば、他のいずれの種類でも用いることができる。
【００１２】
圧力測定および流体制御システム１１０は、圧力測定システムと、流体制御システムとを含むことができる。１１０における圧力測定システムは、例えば、複数の圧力センサを含むことができ、その各々はエンクロージャに接続され、エンクロージャ内部の圧力を測定するように構成されている。１１０における流体制御システムは、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流速を制御する弁システムを含むことができる。
【００１３】
区画圧力推定部１２０は、圧力測定システムから圧力測定値を受け取ることができ、更にシステム１００の物理パラメータを（例えば、顧客、操作者、またはその他の要員）から受けることができる。物理パラメータは、例えば、導管および区画の既知のパラメータを含むことができる。区画圧力推定部１２０は、更に、圧力測定値および物理パラメータを用いて、以下で更に詳しく説明する計算方法を用いて、区画毎に圧力推定値を計算し供給するように構成することができる。
【００１４】
また、制御部１３０は、遠隔区画Ｚｉの各々について圧力設定点を受け取ることができ、区画圧力推定値（区画圧力推定部１２０から）および圧力設定点を用いて、流体制御システムを制御することができる。即ち、制御部１３０は、各区画内部における圧力が圧力設定点に応じて規制されるように、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流速を弁システムによって制御することができる。
【００１５】
図示した実施形態では、弁システムは、エンクロージャ毎に、エンクロージャに入る流体の入力流速を規制するように構成されている入口比例弁と、エンクロージャから出てくる流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含むことができる。制御部１３０は、区画出力推定部からの推定圧力および圧力設定点の関数として入力流速および出力流速を制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画内部の圧力を規制するように構成することができる。
【００１６】
図１に模式的に示すように、制御部１３０は、入力流量(input flow)指令信号および出力流量(output flow)指令信号をブロック１１０内部の弁システムに送り（図２において更に詳しく説明する）、入力流速(input flow rate)および出力流速(output flow rate)を、それぞれ、入力流量指令信号および出力流量指令信号に応じて制御することができる。一実施形態例では、制御部は、各エンクロージャに対する入力流速および出力流速のＰＩ（比例−積分）制御（以下で更に詳しく説明する）を実行するように構成することができるが、他の制御方法を用いてもよい。本制御システムおよび方法は、比例および積分（ＰＩ）型制御システムならびに方法として説明するが、他の多くの形式の制御システムおよび方法も用いることができ、限定ではなく、比例、積分、比例および微分（ＰＤ）、ならびに比例および積分および部分（ＰＩＤ）型のフィードバック制御システムおよび方法を含む。
【００１７】
図２は、それぞれｉ本の導管Ｆｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介してｉ個のエンクロージャｂｉに接続可能な複数ｉの区画を示し、各区画ｉにおける圧力は、各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに流入する流体の流量を制御することによって規制する。また、図２は、本開示において説明する圧力制御システムの一実施形態において用いられる圧力測定および流体制御システムも示す。
【００１８】
図２に示すように、図１のブロック１０内部に示す遠隔区画Ｚｉは、各々、複数の導管Ｆｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介して、複数のエンクロージャｂｉにそれぞれ接続可能とするとよい。圧力測定および流体制御システム１１０は、複数ｉのエンクロージャ即ち測定チェンバ「ｂｉ」を含み、ここでｉ＝１〜Ｎは、遠隔区画Ｚｉの数に対応する。各測定チェンバｂｉは、ｂｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている入口弁１１２と、ｂｉから流出する流体の出力流量を規制するように構成されている出口弁１１６とを含む。各測定チェンバｂｉは、加圧流体源４０から入口マニフォルド「Ｌ」を介してエンクロージャｂｉの入口弁１１２に進入し、エンクロージャｂｉの出口弁１１６から流量制約マニフォルド（図２において「man」で示す）を介して真空排気装置３０に至る流体流ラインに沿って配置されている。圧力センサ１１４（通例、変換器）は、ｂｉ内部の圧力を測定するために、各測定チェンバｂｊに動作的に接続されている。
【００１９】
先に説明したように、全ての区画Ｚｉは、１つの加圧流体源４０に繋がれて加圧され、１つの真空排気機構３０に達する。一実施形態では、流量制約マニフォルドは、ベンチュリ・マニフォルドとするとよいが、他の形式の流量絞りを用いてもよい。遠隔区画Ｚｉ（図２のブロック１０内部に示す）は、剛直な壁または可撓性のある壁を有することができ、結合しても、結合しなくてもよい。可撓性のある壁を有する遠隔区画は、拡大および縮小可能な体積を有することができる。可撓性のある壁を有する区画の体積は、互いに相互作用する、例えば、互いに対して押し合う可能性もある。
【００２０】
種々の区画Ｚｉ間の結合は、多数の方法で行うことができる。可撓性のある壁を有する（したがって、拡大および縮小が可能な）区画における体積結合(volumetric coupling)は、体積の拡大／縮小および体積間相互作用によって発生する場合がある。相互作用は、例えば、一方の区画が拡大して他方の区画に押し入ることにより後者の区画内部における圧力が上昇することによって発生する可能性がある。
【００２１】
排気装置における出口結合は、真空圧力レベルが変動する場合に発生し、出口流量を変化させ、極端な場合には、絞った状態と絞っていない状態との間で流体が推移する結果となる可能性がある。これは、特に、大流量がベンチュリ管内に流入するベンチュリ・ポンプの場合に、危機的となる虞れがある。この場合、区画の壁は剛直でも可撓性でもよい。
【００２２】
入口結合は、１つの区画における設定点が十分に高く、そのマニフォルドに大量の突入流量が生じ、ライン圧力の低下、即ち、減衰挙動(transient behavior)が生ずるようなときに発生する可能性がある。このライン圧力低下は、加圧流体源に繋がれている全ての他の区画に影響を及ぼす虞れがある。この場合も、区画の壁は剛直でも可撓性でもよい。
【００２３】
区画が１つしかなく、壁が剛直なシステムは、「非結合、単一区画システム」と見なすことができる。このような剛直区画が多数あり、独立した入口で繋がれ、独立した排気装置に到達する場合は、「非結合、多区画システム」の一例と考えられる。拡大および縮小が可能な可撓性壁を有する１つの区画は、「結合、単一区画システム」と見なすことができる。図１および図２に示す例示的実施形態は、「結合、多区画システム」であり、入口、出口、および体積結合に基づいて、結合のレベルを定量化することができる。
【００２４】
区画圧力推定部１２０は、圧力センサ１１４の圧力測定値、各エンクロージャ（例えば、測定チェンバ）および各区画の物理パラメータ、ならびにモデルに基づくアルゴリズム（以下で説明する）を用いて区画Ｚｉの圧力を精度高く推定することにより、区画Ｚｉの各々における圧力を推定することができる。直接的な結果として、区画Ｚｉ内における圧力を制御する閉ループにおいて区画圧力推定部１２０を用いる圧力制御システムは、区画Ｚｉ自体では発生し得ない、測定チェンバ内における局在化した圧力減衰を克服することができる。このように、圧力制御システムの閉ループ制御性能は、著しく改善することができる。
【００２５】
区画圧力推定部１２０は、高度制御システムに容易に一体化することができ、入口圧力／流、出口圧力／流、および区画体積相互作用の静的および／または動的結合を呈する多数の区画Ｚｉを補償することができる。区画圧力推定部１２０は、遠隔区画Ｚｉの大きさや容積には制約を設けない。区画圧力推定部１２０は、異なる範囲の圧力設定点に有効であり、高度制御システムに組み込むと、一貫した減衰および定常状態挙動を確保する。
（制御アルゴリズム）
制御部１３０は、ｉ個の区画の各々について圧力設定点を受け取り、区画圧力推定部１２０からｉ個の区画の各々について区画圧力推定値を受け取り、区画ｉに接続されている測定チェンバに流入および流出する流体の流量を制御することにより、入口および出口の比例弁を動作させることによって、圧力設定点に応じて各区画における圧力を規制するように構成されている。
【００２６】
先に説明したように、制御部１３０は、入力流量指令信号をエンクロージャｂｉの入口比例弁に、そして出力流量指令信号をエンクロージャｂｉの出口比例弁に送り、エンクロージャｉに流入する入力流速、およびエンクロージャｂｉから流出する出力流速を、入力流量指令信号および出力流量指令信号に応じて、それぞれ制御することができる。
【００２７】
先に説明したように、エンクロージャｂｉの１つ以上について、制御部は、入力流速および出力流速のＰＩ制御を実行することができるが、他の形式の比例弁制御を用いることもできる。ＰＩ制御を実施する場合、制御部からエンクロージャｉの入口比例弁への入力流量指令信号は、次の式で示される。
【００２８】
【数１１】
【００２９】
そして、制御部からエンクロージャｂｉの出口比例弁への出力流量指令信号は、次の式で示される。
【００３０】
【数１２】
【００３１】
上の式で、Qin,iは、エンクロージャｉに流入する入力流速を示し、Qout,iは、エンクロージャｂｉから流出する出力流速を示し、κPinは入力流速に対する比例利得を示し、κlinは入力流速に対する積分利得を示し、κPoutは出力流速に対する比例利得を示し、κIoutは出力流速に対する積分利得を示し、Pz,iは区画Ｚｉ内部における推定圧力を示し、Ｐｔは一方の圧力設定点から他方の圧力設定点までの所望の圧力軌跡を示し、Pt-Pz,iは追跡誤差を示す。圧力軌跡Ｐｔは、多項式、および一次以上の微分方程式の解を含むがこれらには限定されない多数の技法を用いて構築することができる。
【００３２】
本開示の特定的な実施形態では、ＰＩ型制御システムおよび方法について図示し説明するが、多数の変更や修正、例えば、モデルに基づくことができるフィードフォワード項を含めることも、当業者には想起されることが認められよう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本開示の真の主旨および範囲に該当するこれらの変更や修正全てを包含することを意図するものとする。
【００３３】
各区画における圧力を推定するために区画圧力推定部１２０を動作させる際に用いられるモデルに基づく計算方法の一例について、以下に説明する。このモデルに基づく計算方法は、測定チェンバの動力学、ならびに遠隔区画Ｚｉの動的および体積結合に基づくことができ、以下に説明する。
（測定チェンバの動力学）
各測定ｂｉの有効圧力を次のように定義する。
【００３４】
【数１３】
【００３５】
ここで、Pb,iは、ｉ番目の区画について測定チェンバにおいて圧力変換器１１４が測定した圧力であり、PSTPは、標準的な温度および圧力（ＳＴＰ）条件における圧力であり、Qin,jは、入力流量を示し、Qo,iおよびQz,iは、出力流量を示す。具体的には、Qo,iはｉ番目の測定チェンバｂｉからベンチュリ・マニフォルドまでの流量であり、Qz,iはｉ番目の区画への流量である。（１）において、Vb,jはｊ番目の区画に対する測定チェンバｂｊの体積を示す。
【００３６】
流量絞り即ちベンチュリ・マニフォルド「man」の出力流量は、次のように表すことができる。
【００３７】
【数１４】
【００３８】
ここで、dorifice,iは、ベンチュリ・マニフォルドに繋がる測定チェンバにおける固定オリフィスの直径を示し、Pmanは、真空排気装置３０に接続されているベンチュリ・マニフォルドにおける圧力を示す。オリフィスを通過する流量は、固定オリフィス間の圧力差に応じて、絞られる場合または絞られない場合がある。
（区画の動力学および体積結合）
各区画Ｚｉへの流量は、以下の動的方程式（ナビエ−ストークの方程式から導出した）によって記述することができる。
【００３９】
【数１５】
【００４０】
ここで、Qz,iおよびPz,iは、ｉ番目の区画への入口流量およびその内部圧力をそれぞれ示し、Ctube,iおよびτtube,iは、測定チェンバｂｉを区画Ｚｉに接続する導管Ｆｉと関連のある定数である。即ち、Ctube,iは、導管ＦｉのコンダクタンスをＳＩ単位[(m3/s)/(s-Pa)]で表し、τtube,iは、これもＳＩ単位で、導管全域の流量平衡時定数を表す。
【００４１】
各区画Ｚｉ内部における圧力ダイナミクスは、以下のように記述することができる。
【００４２】
【数１６】
【００４３】
ここで、各区画Ｚｉの体積をVz,iで示し、多数の区画Ｚｉ間における結合による動的体積相互作用は、数学的に次のように記述することができる。
【００４４】
【数１７】
【００４５】
ここで、Vz0,iは、標準的な温度および圧力（ＳＴＰ）条件下における各区画の初期体積であり、Tvは、体積拡大／縮小時定数であり、γiiは、拡大／縮小係数を表し、γijは区画ｉと区画ｊとの間における結合係数を表す。質量／慣性効果は無視できると仮定すればよい。
（区画圧力推定部）
先に説明したように、制御部１３０の制御目的は、遠隔区画Ｚｉ内部の圧力を規制することである。しかしながら、ｂｉの圧力変換器１１４は、区画Ｚｉ内ではなく、測定チェンバｂｉ内に収容されている。図２において見られるように、測定チェンバｂｉは、導管Ｆｉによって遠隔区画Ｆｉから分離されている。
【００４６】
圧力制御アルゴリズムのオブザーバに基づくモデルは、多数の方法で開発することができる。例えば、流量センサ（例えば、風速計、熱系センサ、圧力系センサ等）を用いて、上の式において流量Qz,iを判定することができる。別の手法では、区画流量方程式を離散形態に書き直すことによって、即時流量オブザーバを開発することが考えられる。
【００４７】
【数１８】
【００４８】
ここで、
【００４９】
【数１９】
【００５０】
は、ｉ番目の区画への流量推定値のｎ番目のサンプルを示し、Ｐｂは流体ライン圧力変換器１１４が測定した圧力である。
【００５１】
次に、（５）における式に対する離散解は、以下のようにして得ることができる。
【００５２】
【数２０】
【００５３】
ここで、
【００５４】
【数２１】
【００５５】
は、ｉ番目の区画に対する体積推定値のｎ番目のサンプルを示す。上の式に基づいて、圧力推定部１２０のアルゴリズムを次のように構築する。
【００５６】
【数２２】
【００５７】
ここで、
【００５８】
【数２３】
【００５９】
は、ｉ番目の区画の圧力推定値のｎ番目のサンプルを示し、
【００６０】
【数２４】
【００６１】
は、（６）において定義した流量推定値から得られ、または利用可能なときに、直接流量測定値Ｑｚと置換することができ、
【００６２】
【数２５】
【００６３】
は、（７）から得られる。
【００６４】
要約すると、圧力を制御しようとする遠隔区画の圧力を精度高く推定することにより、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法について説明した。これまでに説明した圧力制御システムおよび方法は、ＣＭＰ機械を含むがこれに限定されない多数の用途において用いることができる。
【００６５】
以上、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法のある種の実施形態について説明したが、これらの実施形態において暗示する概念は、他の実施形態でも同様に用いられることは言うまでもない。本願の保護は、以下に続く特許請求の範囲のみによって限定されるものとする。
【００６６】
これらの特許請求の範囲において、単数である要素に言及する場合、具体的にそのように述べていない限り、「１つだけ」を意味するのではなく「１つ以上」を意味することを意図している。本開示全体を通じて記載されている種々の実施形態の要素と構造的および機能的に等価であり、当業者には周知であるまたは今後周知になる要素は、ここで引用したことにより、明示的に本願にも含まれるものとし、特許請求の範囲に包含されることを意図する。更に、ここに開示したいずれもが、かかる開示が明示的に特許請求の範囲に明記されているか否かには係わらず、公衆(the public)に献呈されることは意図していない。いずれの特許請求の範囲の要素も、当該要素が「するための手段」という句を用いて明示的に明記されていなければ、または方法の請求項の場合、当該要素が「するためのステップ」という句を用いて明記されていなければ、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２、第６節の既定にしたがって解釈しないこととする。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本開示における説明の一実施形態による、１つ以上の遠隔区画における圧力を規制する圧力制御システムを示す全体的機能ブロック図である。
【図２】図２は、ｉ個のエンクロージャにｉ本の導管ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介してそれぞれ接続可能な複数ｉの区画、ならびに本開示において記載する圧力制御システムの一実施形態において用いられる圧力測定および流体制御システムを詳細に示す。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互引用）
本願は、２００４年３月９日に出願され、"System and Method for Controlling Pressure in Remote Zones"（遠隔区画における圧力制御のためのシステム及び方法）と題する同時係属中の米国特許出願第１０／７９６，７２３号（代理人整理番号ＭＫＳ−１３６）の一部係属出願であり、その優先権を主張する。この同時係属中の特許出願第１０／７９６，７２３号は、本願の譲受人に譲渡されている。
【背景技術】
【０００２】
用途の中には、離れて位置する区画内部において圧力を規制することが必要となる場合もある。例えば、一部の機械および機器は、当該機器の動作中加圧または減圧するチェンバを含む場合がある。このような機械の例には、限定する訳ではないが、化学機械研磨（ＣＭＰ）機械を含むことができる。
【０００３】
測定チェンバ内部にある圧力センサは、当該測定チャンバ内部の圧力を計ることができるに過ぎず、センサに対して離れて位置する区画の内部圧力を計るのではない。その結果、測定チェンバ内部に位置する圧力センサによる圧力測定値のみを用いる圧力制御システムは、測定チェンバ内の圧力が遠隔区画における圧力と等しいと仮定しなければならない場合がある。しかしながら、測定チェンバ内の圧力はその区画の圧力とは等しくないことが多い。例えば、測定チェンバ内で局在化した圧力減衰が発生すると、測定チェンバ内の圧力は区画の圧力とは等しくなくなる可能性がある。その結果、圧力制御システムの性能に著しい低下が生ずる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、離れて位置する区画内部における圧力を精度高く制御することができるシステムおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
区画内部における圧力を遠隔的に制御するシステは、圧力センサと、弁システムと、区画圧力推定部と、制御部とを含む。圧力センサは、導管を介して区画に接続可能であり、当該区画から離れて位置するエンクロージャ（例えば、測定チェンバ）内部の圧力を測定するように構成されている。弁システムは、エンクロージャに流入および流出し、導管を介して区画に達する流体の流量を制御するように構成されている。弁システムは、エンクロージャに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、エンクロージャから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、区画圧力推定部は、区画内における推定圧力を、圧力センサが測定する圧力の関数として、更に導管の既知の特性の関数として計算するように構成されている。制御部は、入力流量および出力流量を、区画圧力推定部からの推定圧力と区画に対する圧力設定点との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、区画内部の圧力を規制するように構成されている。
【０００６】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御するシステムで（ｉ＝１，．．．，Ｎ）について記載する。このシステムは、圧力測定システムと、弁システムと、区画圧力推定部と、制御部とを含む。圧力測定システムは、ｉ個のエンクロージャの各々において、流体の圧力を測定するように構成されている。弁システムは、エンクロージャｉ毎に、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、エンクロージャｉから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む。
【０００７】
区画圧力推定部は、圧力測定システムに結合されている。区画圧力推定部は、各区画ｉ毎に、圧力測定システムからのエンクロージャｉにおける測定圧力を受け取り、区画内における推定圧力を、エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に導管ｉおよび区画ｉの既知の特性の関数として、計算するように構成されている。制御部は、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、およびエンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、区画ｉに対する圧力設定点と区画圧力推定部からの区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画ｉ内部の圧力を制御するように構成されている。
【０００８】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御する方法（ｉ＝１，．．．，Ｎ）について記載する。この方法は、ｉ個のエンクロージャの各々において、流体の圧力を測定するステップを含む。更に、この方法は、区画内における推定圧力を、エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に導管ｉおよび区画ｉの既知の特性の関数として、計算するステップを含む。更に、この方法は、区画ｉ毎に、エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、およびエンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、区画ｉに対する圧力設定点と区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画ｉ内部の圧力を制御するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（詳細な説明）
本開示において、区画という用語は、密閉立体空間(enclosed volume)を意味することとする。圧力を制御すべき各遠隔区画の圧力を精度高く推定する、オブザーバに基づく解決策(observer-based solution)を用いて、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法について説明する。圧力制御システムにおいて遠隔区画の推定圧力を用いることによって、閉ループ制御の性能を著しく向上させることができる。例えば、測定チェンバ内では発生するが遠隔区画自体では発生しない局在的圧力低下を克服することができる。
【００１０】
図１は、本開示における説明の一実施形態による、１つ以上の遠隔区画Ｚｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）における圧力を規制する圧力制御システムを示す機能ブロック図である。図１に見られるように、全ての区画Ｚｉは、１つの加圧流体源４０に繋がれて加圧され、１つの真空排気機構３０に達する。全体像では、圧力制御システム１００は、圧力測定および流体制御システム１１０（図２に更に詳しく示す）、区画圧力推定部１２０、および制御部１３０を含むことができる。
【００１１】
圧力制御システム１００は、区画圧力推定部１２０を用いて、各遠隔区画における圧力を離れて制御することができる。導管Ｆｉ（図２に示す）を介して区画Ｚｉに接続されているエンクロージャｂｉ内部の測定圧力に基づいて、遠隔区画Ｚｉ内部における圧力を推定し、区画圧力推定部１２０からの推定圧力に基づいてエンクロージャに対する流入および流出を制御する。通例、エンクロージャは、圧力測定チェンバとすればよいが、流体を内部に密閉することができる密閉立体空間であれば、他のいずれの種類でも用いることができる。
【００１２】
圧力測定および流体制御システム１１０は、圧力測定システムと、流体制御システムとを含むことができる。１１０における圧力測定システムは、例えば、複数の圧力センサを含むことができ、その各々はエンクロージャに接続され、エンクロージャ内部の圧力を測定するように構成されている。１１０における流体制御システムは、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流速を制御する弁システムを含むことができる。
【００１３】
区画圧力推定部１２０は、圧力測定システムから圧力測定値を受け取ることができ、更にシステム１００の物理パラメータを（例えば、顧客、操作者、またはその他の要員）から受けることができる。物理パラメータは、例えば、導管および区画の既知のパラメータを含むことができる。区画圧力推定部１２０は、更に、圧力測定値および物理パラメータを用いて、以下で更に詳しく説明する計算方法を用いて、区画毎に圧力推定値を計算し供給するように構成することができる。
【００１４】
また、制御部１３０は、遠隔区画Ｚｉの各々について圧力設定点を受け取ることができ、区画圧力推定値（区画圧力推定部１２０から）および圧力設定点を用いて、流体制御システムを制御することができる。即ち、制御部１３０は、各区画内部における圧力が圧力設定点に応じて規制されるように、各エンクロージャに対して流入および流出する流体の流速を弁システムによって制御することができる。
【００１５】
図示した実施形態では、弁システムは、エンクロージャ毎に、エンクロージャに入る流体の入力流速を規制するように構成されている入口比例弁と、エンクロージャから出てくる流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含むことができる。制御部１３０は、区画出力推定部からの推定圧力および圧力設定点の関数として入力流速および出力流速を制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、各区画内部の圧力を規制するように構成することができる。
【００１６】
図１に模式的に示すように、制御部１３０は、入力流量(input flow)指令信号および出力流量(output flow)指令信号をブロック１１０内部の弁システムに送り（図２において更に詳しく説明する）、入力流速(input flow rate)および出力流速(output flow rate)を、それぞれ、入力流量指令信号および出力流量指令信号に応じて制御することができる。一実施形態例では、制御部は、各エンクロージャに対する入力流速および出力流速のＰＩ（比例−積分）制御（以下で更に詳しく説明する）を実行するように構成することができるが、他の制御方法を用いてもよい。本制御システムおよび方法は、比例および積分（ＰＩ）型制御システムならびに方法として説明するが、他の多くの形式の制御システムおよび方法も用いることができ、限定ではなく、比例、積分、比例および微分（ＰＤ）、ならびに比例および積分および部分（ＰＩＤ）型のフィードバック制御システムおよび方法を含む。
【００１７】
図２は、それぞれｉ本の導管Ｆｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介してｉ個のエンクロージャｂｉに接続可能な複数ｉの区画を示し、各区画ｉにおける圧力は、各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに流入する流体の流量を制御することによって規制する。また、図２は、本開示において説明する圧力制御システムの一実施形態において用いられる圧力測定および流体制御システムも示す。
【００１８】
図２に示すように、図１のブロック１０内部に示す遠隔区画Ｚｉは、各々、複数の導管Ｆｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介して、複数のエンクロージャｂｉにそれぞれ接続可能とするとよい。圧力測定および流体制御システム１１０は、複数ｉのエンクロージャ即ち測定チェンバ「ｂｉ」を含み、ここでｉ＝１〜Ｎは、遠隔区画Ｚｉの数に対応する。各測定チェンバｂｉは、ｂｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている入口弁１１２と、ｂｉから流出する流体の出力流量を規制するように構成されている出口弁１１６とを含む。各測定チェンバｂｉは、加圧流体源４０から入口マニフォルド「Ｌ」を介してエンクロージャｂｉの入口弁１１２に進入し、エンクロージャｂｉの出口弁１１６から流量制約マニフォルド（図２において「man」で示す）を介して真空排気装置３０に至る流体流ラインに沿って配置されている。圧力センサ１１４（通例、変換器）は、ｂｉ内部の圧力を測定するために、各測定チェンバｂｊに動作的に接続されている。
【００１９】
先に説明したように、全ての区画Ｚｉは、１つの加圧流体源４０に繋がれて加圧され、１つの真空排気機構３０に達する。一実施形態では、流量制約マニフォルドは、ベンチュリ・マニフォルドとするとよいが、他の形式の流量絞りを用いてもよい。遠隔区画Ｚｉ（図２のブロック１０内部に示す）は、剛直な壁または可撓性のある壁を有することができ、結合しても、結合しなくてもよい。可撓性のある壁を有する遠隔区画は、拡大および縮小可能な体積を有することができる。可撓性のある壁を有する区画の体積は、互いに相互作用する、例えば、互いに対して押し合う可能性もある。
【００２０】
種々の区画Ｚｉ間の結合は、多数の方法で行うことができる。可撓性のある壁を有する（したがって、拡大および縮小が可能な）区画における体積結合(volumetric coupling)は、体積の拡大／縮小および体積間相互作用によって発生する場合がある。相互作用は、例えば、一方の区画が拡大して他方の区画に押し入ることにより後者の区画内部における圧力が上昇することによって発生する可能性がある。
【００２１】
排気装置における出口結合は、真空圧力レベルが変動する場合に発生し、出口流量を変化させ、極端な場合には、絞った状態と絞っていない状態との間で流体が推移する結果となる可能性がある。これは、特に、大流量がベンチュリ管内に流入するベンチュリ・ポンプの場合に、危機的となる虞れがある。この場合、区画の壁は剛直でも可撓性でもよい。
【００２２】
入口結合は、１つの区画における設定点が十分に高く、そのマニフォルドに大量の突入流量が生じ、ライン圧力の低下、即ち、減衰挙動(transient behavior)が生ずるようなときに発生する可能性がある。このライン圧力低下は、加圧流体源に繋がれている全ての他の区画に影響を及ぼす虞れがある。この場合も、区画の壁は剛直でも可撓性でもよい。
【００２３】
区画が１つしかなく、壁が剛直なシステムは、「非結合、単一区画システム」と見なすことができる。このような剛直区画が多数あり、独立した入口で繋がれ、独立した排気装置に到達する場合は、「非結合、多区画システム」の一例と考えられる。拡大および縮小が可能な可撓性壁を有する１つの区画は、「結合、単一区画システム」と見なすことができる。図１および図２に示す例示的実施形態は、「結合、多区画システム」であり、入口、出口、および体積結合に基づいて、結合のレベルを定量化することができる。
【００２４】
区画圧力推定部１２０は、圧力センサ１１４の圧力測定値、各エンクロージャ（例えば、測定チェンバ）および各区画の物理パラメータ、ならびにモデルに基づくアルゴリズム（以下で説明する）を用いて区画Ｚｉの圧力を精度高く推定することにより、区画Ｚｉの各々における圧力を推定することができる。直接的な結果として、区画Ｚｉ内における圧力を制御する閉ループにおいて区画圧力推定部１２０を用いる圧力制御システムは、区画Ｚｉ自体では発生し得ない、測定チェンバ内における局在化した圧力減衰を克服することができる。このように、圧力制御システムの閉ループ制御性能は、著しく改善することができる。
【００２５】
区画圧力推定部１２０は、高度制御システムに容易に一体化することができ、入口圧力／流、出口圧力／流、および区画体積相互作用の静的および／または動的結合を呈する多数の区画Ｚｉを補償することができる。区画圧力推定部１２０は、遠隔区画Ｚｉの大きさや容積には制約を設けない。区画圧力推定部１２０は、異なる範囲の圧力設定点に有効であり、高度制御システムに組み込むと、一貫した減衰および定常状態挙動を確保する。
（制御アルゴリズム）
制御部１３０は、ｉ個の区画の各々について圧力設定点を受け取り、区画圧力推定部１２０からｉ個の区画の各々について区画圧力推定値を受け取り、区画ｉに接続されている測定チェンバに流入および流出する流体の流量を制御することにより、入口および出口の比例弁を動作させることによって、圧力設定点に応じて各区画における圧力を規制するように構成されている。
【００２６】
先に説明したように、制御部１３０は、入力流量指令信号をエンクロージャｂｉの入口比例弁に、そして出力流量指令信号をエンクロージャｂｉの出口比例弁に送り、エンクロージャｉに流入する入力流速、およびエンクロージャｂｉから流出する出力流速を、入力流量指令信号および出力流量指令信号に応じて、それぞれ制御することができる。
【００２７】
先に説明したように、エンクロージャｂｉの１つ以上について、制御部は、入力流速および出力流速のＰＩ制御を実行することができるが、他の形式の比例弁制御を用いることもできる。ＰＩ制御を実施する場合、制御部からエンクロージャｉの入口比例弁への入力流量指令信号は、次の式で示される。
【００２８】
【数１１】
【００２９】
そして、制御部からエンクロージャｂｉの出口比例弁への出力流量指令信号は、次の式で示される。
【００３０】
【数１２】
【００３１】
上の式で、Qin,iは、エンクロージャｉに流入する入力流速を示し、Qout,iは、エンクロージャｂｉから流出する出力流速を示し、κPinは入力流速に対する比例利得を示し、κlinは入力流速に対する積分利得を示し、κPoutは出力流速に対する比例利得を示し、κIoutは出力流速に対する積分利得を示し、Pz,iは区画Ｚｉ内部における推定圧力を示し、Ｐｔは一方の圧力設定点から他方の圧力設定点までの所望の圧力軌跡を示し、Pt-Pz,iは追跡誤差を示す。圧力軌跡Ｐｔは、多項式、および一次以上の微分方程式の解を含むがこれらには限定されない多数の技法を用いて構築することができる。
【００３２】
本開示の特定的な実施形態では、ＰＩ型制御システムおよび方法について図示し説明するが、多数の変更や修正、例えば、モデルに基づくことができるフィードフォワード項を含めることも、当業者には想起されることが認められよう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本開示の真の主旨および範囲に該当するこれらの変更や修正全てを包含することを意図するものとする。
【００３３】
各区画における圧力を推定するために区画圧力推定部１２０を動作させる際に用いられるモデルに基づく計算方法の一例について、以下に説明する。このモデルに基づく計算方法は、測定チェンバの動力学、ならびに遠隔区画Ｚｉの動的および体積結合に基づくことができ、以下に説明する。
（測定チェンバの動力学）
各測定ｂｉの有効圧力を次のように定義する。
【００３４】
【数１３】
【００３５】
ここで、Pb,iは、ｉ番目の区画について測定チェンバにおいて圧力変換器１１４が測定した圧力であり、PSTPは、標準的な温度および圧力（ＳＴＰ）条件における圧力であり、Qin,jは、入力流量を示し、Qo,iおよびQz,iは、出力流量を示す。具体的には、Qo,iはｉ番目の測定チェンバｂｉからベンチュリ・マニフォルドまでの流量であり、Qz,iはｉ番目の区画への流量である。（１）において、Vb,jはｊ番目の区画に対する測定チェンバｂｊの体積を示す。
【００３６】
流量絞り即ちベンチュリ・マニフォルド「man」の出力流量は、次のように表すことができる。
【００３７】
【数１４】
【００３８】
ここで、dorifice,iは、ベンチュリ・マニフォルドに繋がる測定チェンバにおける固定オリフィスの直径を示し、Pmanは、真空排気装置３０に接続されているベンチュリ・マニフォルドにおける圧力を示す。オリフィスを通過する流量は、固定オリフィス間の圧力差に応じて、絞られる場合または絞られない場合がある。
（区画の動力学および体積結合）
各区画Ｚｉへの流量は、以下の動的方程式（ナビエ−ストークの方程式から導出した）によって記述することができる。
【００３９】
【数１５】
【００４０】
ここで、Qz,iおよびPz,iは、ｉ番目の区画への入口流量およびその内部圧力をそれぞれ示し、Ctube,iおよびτtube,iは、測定チェンバｂｉを区画Ｚｉに接続する導管Ｆｉと関連のある定数である。即ち、Ctube,iは、導管ＦｉのコンダクタンスをＳＩ単位[(m3/s)/(s-Pa)]で表し、τtube,iは、これもＳＩ単位で、導管全域の流量平衡時定数を表す。
【００４１】
各区画Ｚｉ内部における圧力ダイナミクスは、以下のように記述することができる。
【００４２】
【数１６】
【００４３】
ここで、各区画Ｚｉの体積をVz,iで示し、多数の区画Ｚｉ間における結合による動的体積相互作用は、数学的に次のように記述することができる。
【００４４】
【数１７】
【００４５】
ここで、Vz0,iは、標準的な温度および圧力（ＳＴＰ）条件下における各区画の初期体積であり、Tvは、体積拡大／縮小時定数であり、γiiは、拡大／縮小係数を表し、γijは区画ｉと区画ｊとの間における結合係数を表す。質量／慣性効果は無視できると仮定すればよい。
（区画圧力推定部）
先に説明したように、制御部１３０の制御目的は、遠隔区画Ｚｉ内部の圧力を規制することである。しかしながら、ｂｉの圧力変換器１１４は、区画Ｚｉ内ではなく、測定チェンバｂｉ内に収容されている。図２において見られるように、測定チェンバｂｉは、導管Ｆｉによって遠隔区画Ｆｉから分離されている。
【００４６】
圧力制御アルゴリズムのオブザーバに基づくモデルは、多数の方法で開発することができる。例えば、流量センサ（例えば、風速計、熱系センサ、圧力系センサ等）を用いて、上の式において流量Qz,iを判定することができる。別の手法では、区画流量方程式を離散形態に書き直すことによって、即時流量オブザーバを開発することが考えられる。
【００４７】
【数１８】
【００４８】
ここで、
【００４９】
【数１９】
【００５０】
は、ｉ番目の区画への流量推定値のｎ番目のサンプルを示し、Ｐｂは流体ライン圧力変換器１１４が測定した圧力である。
【００５１】
次に、（５）における式に対する離散解は、以下のようにして得ることができる。
【００５２】
【数２０】
【００５３】
ここで、
【００５４】
【数２１】
【００５５】
は、ｉ番目の区画に対する体積推定値のｎ番目のサンプルを示す。上の式に基づいて、圧力推定部１２０のアルゴリズムを次のように構築する。
【００５６】
【数２２】
【００５７】
ここで、
【００５８】
【数２３】
【００５９】
は、ｉ番目の区画の圧力推定値のｎ番目のサンプルを示し、
【００６０】
【数２４】
【００６１】
は、（６）において定義した流量推定値から得られ、または利用可能なときに、直接流量測定値Ｑｚと置換することができ、
【００６２】
【数２５】
【００６３】
は、（７）から得られる。
【００６４】
要約すると、圧力を制御しようとする遠隔区画の圧力を精度高く推定することにより、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法について説明した。これまでに説明した圧力制御システムおよび方法は、ＣＭＰ機械を含むがこれに限定されない多数の用途において用いることができる。
【００６５】
以上、遠隔区画における圧力を制御するシステムおよび方法のある種の実施形態について説明したが、これらの実施形態において暗示する概念は、他の実施形態でも同様に用いられることは言うまでもない。本願の保護は、以下に続く特許請求の範囲のみによって限定されるものとする。
【００６６】
これらの特許請求の範囲において、単数である要素に言及する場合、具体的にそのように述べていない限り、「１つだけ」を意味するのではなく「１つ以上」を意味することを意図している。本開示全体を通じて記載されている種々の実施形態の要素と構造的および機能的に等価であり、当業者には周知であるまたは今後周知になる要素は、ここで引用したことにより、明示的に本願にも含まれるものとし、特許請求の範囲に包含されることを意図する。更に、ここに開示したいずれもが、かかる開示が明示的に特許請求の範囲に明記されているか否かには係わらず、公衆(the public)に献呈されることは意図していない。いずれの特許請求の範囲の要素も、当該要素が「するための手段」という句を用いて明示的に明記されていなければ、または方法の請求項の場合、当該要素が「するためのステップ」という句を用いて明記されていなければ、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２、第６節の既定にしたがって解釈しないこととする。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本開示における説明の一実施形態による、１つ以上の遠隔区画における圧力を規制する圧力制御システムを示す全体的機能ブロック図である。
【図２】図２は、ｉ個のエンクロージャにｉ本の導管ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）を介してそれぞれ接続可能な複数ｉの区画、ならびに本開示において記載する圧力制御システムの一実施形態において用いられる圧力測定および流体制御システムを詳細に示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
区画内部における圧力を遠隔的に制御するシステムであって、
導管を介して区画に接続可能であり、当該区画から離れて位置するエンクロージャ内部の圧力を測定するように構成されている圧力センサと、
前記エンクロージャに流入および流出し、前記導管を介して前記区画に達する流体の流量を制御するように構成されている弁システムであって、前記エンクロージャに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、前記エンクロージャから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、
前記区画内における推定圧力を、前記圧力センサが測定する圧力の関数として、更に前記導管の既知の特性の関数として計算するように構成されている区画圧力推定部と、
前記入力流量および前記出力流量を、前記区画圧力推定部からの推定圧力と前記区画に対する圧力設定点との関数として制御するように、前記入口比例弁および前記出口比例弁を動作させることによって、前記区画内部の圧力を規制するように構成されている制御部と、
を備えている、システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御部は、更に、前記入力流量指令信号と前記出力流量指令信号とに応じて、前記入力流速および前記出力流速をそれぞれ制御するように、前記入口比例弁に入力流量指令信号を送り、前記出力比例弁に出力流用指令信号を送るように構成されている、システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御部は、更に、前記入力流速および前記出力力流速のＰＩ（比例−積分）制御を実行するように構成されており、
前記入力流量指令信号は、
【数１】
によって示され、
前記出力流用指令信号は、
【数２】
によって示され、
Qinは、入力流速を示し、
Qoutは、出力流速を示し、
κPinは、入力流速に対する比例利得を示し、
κIinは、入力粒食に対する積分利得を示し、
κPoutは、出力流速に対する比例利得を示し、
κIoutは、出力流速に対する積分利得を示し、
Ｐｚは、前記区画内における推定圧力を示し、
Ｐｔは、前記圧力設定点の圧力軌跡を示し、
Pt-Pzは、追跡誤差である、システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムであって、更に、前記入口比例弁に接続されている加圧流体源と、前記出口比例弁に接続されている真空排気装置とを備えている、システム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムであって、更に、前記出口比例弁と前記真空排気装置との間に、流量絞りを備えている、システム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記区画は可撓性の壁を有し、前記区画圧力推定部は、更に、前記エンクロージャ内部における推定圧力を計算するように、前記区画の推定体積を、前記導管の既知の特性と前記圧力センサが測定する圧力との関数として計算するように構成されている、システム。
【請求項７】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御するシステムであって、ｉ＝１，．．．，Ｎであり、
前記ｉ個のエンクロージャの各々において、前記流体の圧力を測定するように構成されている圧力測定システムと、
エンクロージャｉ毎に、該エンクロージャｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、前記エンクロージャｉから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、
前記圧力測定システムに結合され、区画ｉ毎に、前記圧力測定システムからの前記エンクロージャｉにおける測定圧力を受け取り、前記区画内における推定圧力を、前記エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に前記導管ｉおよび前記区画ｉの既知の特性の関数として、計算するように構成されている区画圧力推定部と、
前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、および前記エンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、前記区画ｉに対する圧力設定点と前記区画圧力推定部からの前記区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、前記入口比例弁および前記出口比例弁を動作させることによって、前記各区画ｉ内部の圧力を制御するように構成されている制御部と、
を備えている、システム。
【請求項８】
請求項７記載のシステムにおいて、
前記圧力測定システムは、複数の圧力センサを備えており、該圧力センサの各々は、前記ｉ個のエンクロージャ内部の圧力を測定するようにそれぞれ接続されている、システム。
【請求項９】
請求項７記載のシステムにおいて、
区画ｉ毎に、前記制御部は、更に、前記入力流量指令信号と前記出力流量指令信号とに応じて、前記エンクロージャｉに流入する前記入力流速および前記件クロージャｉから流出する前記出力流速をそれぞれ制御するように、エンクロージャｉの前記入口比例弁に入力流量指令信号を送り、エンクロージャｉの前記出力比例弁に出力流用指令信号を送るように構成されている、システム。
【請求項１０】
請求項７記載のシステムにおいて、
前記エンクロージャｉの少なくとも１つについて、前記制御部は、更に、前記少なくとも１つのエンクロージャの前記入力流速および前記出力力流速のＰＩ（比例−積分）制御を実行するように構成されており、
前記制御部からエンクロージャｉの前記入口比例弁への前記入力流量指令信号は、
【数３】
によって示され、
前記制御部からエンクロージャｉの前記出口比例弁への前記出力流用指令信号は、
【数４】
によって示され、
Qin,iは、エンクロージャｉへの入力流速を示し、
Qout,iは、エンクロージャからの出力流速を示し、
κPinは、入力流速に対する比例利得を示し、
κIinは、入力粒食に対する積分利得を示し、
κPoutは、出力流速に対する比例利得を示し、
κIoutは、出力流速に対する積分利得を示し、
Ｐｚは、前記区画内における推定圧力を示し、
Ｐｔは、前記圧力設定点の圧力軌跡を示し、
Pt-Pzは、追跡誤差である、システム。
【請求項１１】
請求項７記載のシステムであって、更に、前記ｉ個のエンクロージャの前記入口比例弁に接続されている加圧流体源と、前記ｉ個のエンクロージャの前記出口比例弁に接続されている真空排気装置とを備えている、システム。
【請求項１２】
請求項１１記載のシステムであって、更に、各出口比例弁と前記真空排気装置との間に、流量絞りを備えている、システム。
【請求項１３】
請求項１１記載のシステムであって、更に、前記加圧流体源と前記入口比例弁との間に圧力マニフォルドを備えている、システム。
【請求項１４】
請求項１２記載のシステムにおいて、前記流量絞りは、ベンチュリを備えている、システム。
【請求項１５】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、剛直な壁を有する、システム。
【請求項１６】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、可撓性のある壁を有し、該可撓性のある壁を有する区画が拡大および縮小可能となっている、システム。
【請求項１７】
請求項１６記載のシステムにおいて、前記区画圧力推定部は、更に、可撓性のある壁を有する前記区画に接続されているエンクロージャ内部における推定圧力を計算するように、前記可撓性のある壁を有する区画の各々の推定体積を計算するように構成されている、システム。
【請求項１８】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されている、システム。
【請求項１９】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されていない、システム。
【請求項２０】
請求項８記載のシステムにおいて、
前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、可撓性のある壁を有し、該可撓性のある壁を有する区画が拡大および縮小可能となっており、
前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されており、
前記ｉ本の導管の既知の特性は、ラインｉを区画ｉに接続する各導管ｉと関連のある定数Ctube,iおよびτtube,iと、前記導管のコンダクタンスを表すCtube,iと、前記導管全域における流量平衡時定数を表すτtube,iとを含み、
前記ｉ個の区画の既知の特性は、ＳＴＰ（標準的温度および圧力）条件下における各区画ｉの初期体積（Vz0,i）と、体積拡大／収縮時定数（Tv）と、区画ｉの拡大／縮小係数（γii）と、区画ｉと区画ｊとの間の結合係数（γij）とを含み、ｊ＝１，．．．，Ｎである、システム。
【請求項２１】
請求項２０記載のシステムにおいて、区画ｉ毎に、前記区画圧力推定部は、前記区画ｉの推定圧力のｎ番目のサンプル、
【数５】
と、前記区画ｉの推定体積のｎ番目のサンプル
【数６】
と前記エンクロージャｉに流入する推定入力流速のｎ番目のサンプル
【数７】
とを計算するようにプログラムされており、
ここで、
【数８】
【数９】
【数１０】
であり、
Pbiは、エンクロージャｉに接続されている前記圧力センサが測定する圧力を示し、
Qziは、前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速Qin,iと前記エンクロージャｉから流出する出力流速Qout,iとの間の差によって与えられる、前記区画ｉに流入する流体の入力流速を示す、システム。
【請求項２２】
請求項２１のシステムを含む機械であって、更に、前記ｉ個のエンクロージャにそれぞれ接続されている、前記ｉ個の区画を含む、機械。
【請求項２３】
請求項２２記載の機械であって、更に、前記ｉ個の区画を内包するＣＭＰキャリア・ヘッドを備えている、機械。
【請求項２４】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御する方法であって、ｉ＝１，．．．，Ｎであり、
前記ｉ個のエンクロージャの各々において、前記流体の圧力を測定するステップと、
前記区画内における推定圧力を、前記エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に前記導管ｉおよび前記区画ｉの既知の特性の関数として、計算するステップと、
区画ｉ毎に、前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、および前記エンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、前記区画ｉに対する圧力設定点と前記区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、前記各区画ｉ内部の圧力を制御するステップと、
を備えている、方法。
【請求項１】
区画内部における圧力を遠隔的に制御するシステムであって、
導管を介して区画に接続可能であり、当該区画から離れて位置するエンクロージャ内部の圧力を測定するように構成されている圧力センサと、
前記エンクロージャに流入および流出し、前記導管を介して前記区画に達する流体の流量を制御するように構成されている弁システムであって、前記エンクロージャに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、前記エンクロージャから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、
前記区画内における推定圧力を、前記圧力センサが測定する圧力の関数として、更に前記導管の既知の特性の関数として計算するように構成されている区画圧力推定部と、
前記入力流量および前記出力流量を、前記区画圧力推定部からの推定圧力と前記区画に対する圧力設定点との関数として制御するように、前記入口比例弁および前記出口比例弁を動作させることによって、前記区画内部の圧力を規制するように構成されている制御部と、
を備えている、システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御部は、更に、前記入力流量指令信号と前記出力流量指令信号とに応じて、前記入力流速および前記出力流速をそれぞれ制御するように、前記入口比例弁に入力流量指令信号を送り、前記出力比例弁に出力流用指令信号を送るように構成されている、システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記制御部は、更に、前記入力流速および前記出力力流速のＰＩ（比例−積分）制御を実行するように構成されており、
前記入力流量指令信号は、
【数１】
によって示され、
前記出力流用指令信号は、
【数２】
によって示され、
Qinは、入力流速を示し、
Qoutは、出力流速を示し、
κPinは、入力流速に対する比例利得を示し、
κIinは、入力粒食に対する積分利得を示し、
κPoutは、出力流速に対する比例利得を示し、
κIoutは、出力流速に対する積分利得を示し、
Ｐｚは、前記区画内における推定圧力を示し、
Ｐｔは、前記圧力設定点の圧力軌跡を示し、
Pt-Pzは、追跡誤差である、システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムであって、更に、前記入口比例弁に接続されている加圧流体源と、前記出口比例弁に接続されている真空排気装置とを備えている、システム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムであって、更に、前記出口比例弁と前記真空排気装置との間に、流量絞りを備えている、システム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記区画は可撓性の壁を有し、前記区画圧力推定部は、更に、前記エンクロージャ内部における推定圧力を計算するように、前記区画の推定体積を、前記導管の既知の特性と前記圧力センサが測定する圧力との関数として計算するように構成されている、システム。
【請求項７】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御するシステムであって、ｉ＝１，．．．，Ｎであり、
前記ｉ個のエンクロージャの各々において、前記流体の圧力を測定するように構成されている圧力測定システムと、
エンクロージャｉ毎に、該エンクロージャｉに流入する流体の入力流速を規制するように構成されている少なくとも１つの入口比例弁と、前記エンクロージャｉから流出する流体の出力流速を規制するように構成されている出口比例弁とを含む、弁システムと、
前記圧力測定システムに結合され、区画ｉ毎に、前記圧力測定システムからの前記エンクロージャｉにおける測定圧力を受け取り、前記区画内における推定圧力を、前記エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に前記導管ｉおよび前記区画ｉの既知の特性の関数として、計算するように構成されている区画圧力推定部と、
前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、および前記エンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、前記区画ｉに対する圧力設定点と前記区画圧力推定部からの前記区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、前記入口比例弁および前記出口比例弁を動作させることによって、前記各区画ｉ内部の圧力を制御するように構成されている制御部と、
を備えている、システム。
【請求項８】
請求項７記載のシステムにおいて、
前記圧力測定システムは、複数の圧力センサを備えており、該圧力センサの各々は、前記ｉ個のエンクロージャ内部の圧力を測定するようにそれぞれ接続されている、システム。
【請求項９】
請求項７記載のシステムにおいて、
区画ｉ毎に、前記制御部は、更に、前記入力流量指令信号と前記出力流量指令信号とに応じて、前記エンクロージャｉに流入する前記入力流速および前記件クロージャｉから流出する前記出力流速をそれぞれ制御するように、エンクロージャｉの前記入口比例弁に入力流量指令信号を送り、エンクロージャｉの前記出力比例弁に出力流用指令信号を送るように構成されている、システム。
【請求項１０】
請求項７記載のシステムにおいて、
前記エンクロージャｉの少なくとも１つについて、前記制御部は、更に、前記少なくとも１つのエンクロージャの前記入力流速および前記出力力流速のＰＩ（比例−積分）制御を実行するように構成されており、
前記制御部からエンクロージャｉの前記入口比例弁への前記入力流量指令信号は、
【数３】
によって示され、
前記制御部からエンクロージャｉの前記出口比例弁への前記出力流用指令信号は、
【数４】
によって示され、
Qin,iは、エンクロージャｉへの入力流速を示し、
Qout,iは、エンクロージャからの出力流速を示し、
κPinは、入力流速に対する比例利得を示し、
κIinは、入力粒食に対する積分利得を示し、
κPoutは、出力流速に対する比例利得を示し、
κIoutは、出力流速に対する積分利得を示し、
Ｐｚは、前記区画内における推定圧力を示し、
Ｐｔは、前記圧力設定点の圧力軌跡を示し、
Pt-Pzは、追跡誤差である、システム。
【請求項１１】
請求項７記載のシステムであって、更に、前記ｉ個のエンクロージャの前記入口比例弁に接続されている加圧流体源と、前記ｉ個のエンクロージャの前記出口比例弁に接続されている真空排気装置とを備えている、システム。
【請求項１２】
請求項１１記載のシステムであって、更に、各出口比例弁と前記真空排気装置との間に、流量絞りを備えている、システム。
【請求項１３】
請求項１１記載のシステムであって、更に、前記加圧流体源と前記入口比例弁との間に圧力マニフォルドを備えている、システム。
【請求項１４】
請求項１２記載のシステムにおいて、前記流量絞りは、ベンチュリを備えている、システム。
【請求項１５】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、剛直な壁を有する、システム。
【請求項１６】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、可撓性のある壁を有し、該可撓性のある壁を有する区画が拡大および縮小可能となっている、システム。
【請求項１７】
請求項１６記載のシステムにおいて、前記区画圧力推定部は、更に、可撓性のある壁を有する前記区画に接続されているエンクロージャ内部における推定圧力を計算するように、前記可撓性のある壁を有する区画の各々の推定体積を計算するように構成されている、システム。
【請求項１８】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されている、システム。
【請求項１９】
請求項７記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されていない、システム。
【請求項２０】
請求項８記載のシステムにおいて、
前記ｉ個の区画の少なくとも一部は、可撓性のある壁を有し、該可撓性のある壁を有する区画が拡大および縮小可能となっており、
前記ｉ個の区画の少なくとも一部は結合されており、
前記ｉ本の導管の既知の特性は、ラインｉを区画ｉに接続する各導管ｉと関連のある定数Ctube,iおよびτtube,iと、前記導管のコンダクタンスを表すCtube,iと、前記導管全域における流量平衡時定数を表すτtube,iとを含み、
前記ｉ個の区画の既知の特性は、ＳＴＰ（標準的温度および圧力）条件下における各区画ｉの初期体積（Vz0,i）と、体積拡大／収縮時定数（Tv）と、区画ｉの拡大／縮小係数（γii）と、区画ｉと区画ｊとの間の結合係数（γij）とを含み、ｊ＝１，．．．，Ｎである、システム。
【請求項２１】
請求項２０記載のシステムにおいて、区画ｉ毎に、前記区画圧力推定部は、前記区画ｉの推定圧力のｎ番目のサンプル、
【数５】
と、前記区画ｉの推定体積のｎ番目のサンプル
【数６】
と前記エンクロージャｉに流入する推定入力流速のｎ番目のサンプル
【数７】
とを計算するようにプログラムされており、
ここで、
【数８】
【数９】
【数１０】
であり、
Pbiは、エンクロージャｉに接続されている前記圧力センサが測定する圧力を示し、
Qziは、前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速Qin,iと前記エンクロージャｉから流出する出力流速Qout,iとの間の差によって与えられる、前記区画ｉに流入する流体の入力流速を示す、システム。
【請求項２２】
請求項２１のシステムを含む機械であって、更に、前記ｉ個のエンクロージャにそれぞれ接続されている、前記ｉ個の区画を含む、機械。
【請求項２３】
請求項２２記載の機械であって、更に、前記ｉ個の区画を内包するＣＭＰキャリア・ヘッドを備えている、機械。
【請求項２４】
各エンクロージャｉに対して流入および流出し、各導管ｉを介して各区画ｉに達する流体の流量を制御することによって、ｉ個のエンクロージャに導管ｉを介してそれぞれ接続可能なｉ個の区画の各々の内部における圧力を遠隔的に制御する方法であって、ｉ＝１，．．．，Ｎであり、
前記ｉ個のエンクロージャの各々において、前記流体の圧力を測定するステップと、
前記区画内における推定圧力を、前記エンクロージャｉにおける測定圧力の関数として、更に前記導管ｉおよび前記区画ｉの既知の特性の関数として、計算するステップと、
区画ｉ毎に、前記エンクロージャｉに流入する流体の入力流速、および前記エンクロージャｉから流出する流体の出口流速を、前記区画ｉに対する圧力設定点と前記区画ｉ内部における推定圧力との関数として制御するように、入口比例弁および出口比例弁を動作させることによって、前記各区画ｉ内部の圧力を制御するステップと、
を備えている、方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００９−５２４１４７（Ｐ２００９−５２４１４７Ａ）
【公表日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５１２５５（Ｐ２００８−５５１２５５）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４３６９２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２３５７６
【国際公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【出願人】（５９２０５３９６３）エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４３６９２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２３５７６
【国際公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【出願人】（５９２０５３９６３）エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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