質量流量計及びマスフローコントローラ
【課題】低真空領域における分流比の圧力依存性を考慮した質量流量計１及びこの質量流量計１を用いたマスフローコントローラＺを提供する。
【解決手段】試料ガスＧが流れるメイン流路２と、前記メイン流路２から分岐して前記試料ガスＧを分流させるものであり、前記試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４が設けられる測定路３Ａを有するセンサ流路３と、前記メイン流路２における前記センサ流路３の分岐点ＢＰと合流点ＭＰの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する層流素子５と、を具備し、前記測定路３Ａの流路形状及び前記内部流路５１の流路形状が略同一である。
【解決手段】試料ガスＧが流れるメイン流路２と、前記メイン流路２から分岐して前記試料ガスＧを分流させるものであり、前記試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４が設けられる測定路３Ａを有するセンサ流路３と、前記メイン流路２における前記センサ流路３の分岐点ＢＰと合流点ＭＰの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する層流素子５と、を具備し、前記測定路３Ａの流路形状及び前記内部流路５１の流路形状が略同一である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマスフローコントローラにおける流量制御の際などに用いられる質量流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の質量流量計としては、試料ガスが流れるメイン流路と、メイン流路から分岐して試料ガスを分流させるものであり、試料ガスの質量流量を検出する流量検出機構が設けられるセンサ流路と、メイン流路において、センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられるバイパス流路と、を具備する熱式質量流量計が知られている。そして、この熱式質量流量計は、流量検出機構は、センサ流路を形成する金属製の中空細管の外側に２本の感熱抵抗体をコイル状に巻いて形成した上流側センサ部及び下流側センサ部と、両センサ部に対して設けられたブリッジ回路とを備えている。
【０００３】
具体的に、中空細管は、感熱抵抗体により加熱されており、試料ガスが流れていないときは、中空細管の中心に対して対称的な温度分布となっている。これに対し、試料ガスが中空細管内に流れているときは、下流側センサ部には、上流側センサ部によって温められた試料ガスが流入するため、上流側センサ部と比べて温度が高くなり、上流側センサ部及び下流側センサ部間に温度差が形成される。この結果、前記温度分布が非対称となる。
【０００４】
このときの温度差（ΔＴ）と試料ガスの質量流量には一定の関係が成り立っているので、温度差をブリッジ回路により検出することで、質量流量を測定できるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、この熱式質量流量計を低真空領域（例えば１〜１００Ｔｏｒｒ）において用いた場合、同流量設定における流量が、圧力によって変化する現象（以下、流量誤差という。）が発生する。
【０００６】
具体的には、図５に示すように、メイン流路とセンサ流路とに分流させずに、全ての試料ガスをセンサ流路に一定流量を流す場合（図中、バイパス無し）において、一次側圧力を徐々に低下させていくと、流量誤差がプラス（＋）に大きくなる。つまり、バイパス無しの場合には、センサ感度が低下して、測定流量が増加していることを示している。これは、定圧比熱Ｃｐの圧力依存性だけでは説明できない。
【０００７】
一方、図５に示すように、メイン流路とセンサ流路と一定の分流比で分流させた場合（図中、バイパス有り）において、一次側圧力を徐々に低下させていくと、流量誤差がマイナス（−）に大きくなる。つまり、バイパス有りの場合には、センサ感度が低下して、測定流量が減少していることを示している。なお、ここで流量誤差［％］とは、１００Ｔｏｒｒにおける試料ガスの測定流量を基準にしたときの流量変化を％表示したものである。
【０００８】
この図５に示す結果から、本願発明者は、バイパス無しの場合に一次側圧力を小さくすると測定流量が増加するにも拘わらず、バイパス有りの場合に一次側圧力を小さくすると測定流量が減少することに矛盾を見出した。なぜなら、分流比が一定ならば、バイパス有りの場合にも測定流量が増加するはずである。
【特許文献１】特許公開平７−２７１４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そして、本願発明者は、図５の測定結果に基づいて鋭意検討を行った結果、低真空領域においては分流比が圧力依存性を持つと仮定した。そして、この仮定を裏付けるための実験を行った。この実験の結果を図６に示す。この図６は、一次側圧力を徐々に低下させていった場合におけるメイン流路及びセンサ流路の分流比の変動を示す。この図６から明らかなように、一次側圧力を徐々に小さくしていくと、分流比が小さくなっていることが分かる。つまり、一次側圧力の低下に従い、分流比が減少していることが分かる。なお、「分流比」とは、（センサを流れる流量）／（バイパスを流れる流量）である。
【００１０】
このように、分流比の圧力依存性の原因としては、差圧（二次側圧力に対する一次側圧力の差）が一定の条件下において、センサ流路における流体の流速と、メイン流路における流体の流速とが異なることから生じると考えられる。このように各流路における流速が異なるのは、センサ流路の流量検出機構が設けられる流路と層流素子の内部流路との流路長や、流路径の違いからであると推察される。また、流路長等が違うことにより、各流路管の内周壁により生じる摩擦力（粘性力）が異なる。これらにより、各流路における流速が異なると考えられる。
【００１１】
そこで本発明は、従来の熱式質量流量計の低真空領域における特性を見出し、鋭意検討の結果、その原因を特定することにより初めてなされたものであり、低真空領域における分流比の圧力依存性を考慮した質量流量計及びこの質量流量計を用いたマスフローコントローラを提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明に係る質量流量計は、流体が流れるメイン流路と、前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出する流量検出機構が設けられる測定路を有するセンサ流路と、前記メイン流路における前記センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられ、複数の内部流路を有する層流素子と、を具備し、前記測定路の流路形状及び前記内部流路の流路形状が略同一であることを特徴とする。ここで「層流素子」とは、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材である。
【００１３】
このようなものであれば、測定路の流路形状及び内部流路の流路形状が略同一であり、また、測定路の内周壁における摩擦力と内部流路の内周壁における摩擦力とを略同一にすることができるので、分流比の圧力依存性を抑制することができると考えられる。したがって、低真空領域において、高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００１４】
測定路及び内部流路の構成を簡単にするとともに、容易に測定路及び内部流路の流路形状を略同一にするためには、前記測定路及び前記内部流路が、長手方向において等断面形状であり、略同一径且つ略同一長さであることが望ましい。またこのような構成により、例えば、測定路をキャピラリ配管により形成することができ、層流素子を複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を採用することができ、両流路の流路形状を極めて簡単に同一にすることができる。
【００１５】
センサ流路において測定路以外の流路による圧力損失により、測定路の流路形状及び内部流路の流路形状を略同一にしたことによる効果を減退させないようにするためには、前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路の流路形状が、前記測定路に比べて圧力損失が小さくなるように設定されていることが望ましい。具体的な構成としては、分流比への影響が無視できる径及び長さに設定することが考えられる。
【００１６】
前記流量検出機構が、前記測定路の上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部と、前記測定路の下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部と、を具備し、前記上流側センサ部及び下流側センサ部が、前記測定路に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体と、当該第１感熱抵抗体において、各センサの外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体とを備えることが望ましい。各センサ部の感熱抵抗体を所定幅で設けることにより、中空細管内に流れる試料ガス中の分子に対して、上流側センサ部及び下流側センサ部間に生じる温度差に対する流量変化の直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。一方、第２感熱抵抗体を各センサ部の内側の所定領域に設けることにより、センサ部全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くすることができる。したがって、検知時に上流／下流での差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。また、第１感熱抵抗体の所定幅を所定の範囲内で長くすることにより、１次側圧力が小さくなっても（異なっても）、流体の希薄化および流速の高速化に起因したセンサ感度の低下を可及的に小さくすることができる。特に、低蒸気圧ガスのようにその物性により、直線性の確保できる領域が狭小でフルスケールが制限される試料ガスに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させ且つセンサを高感度化させてフルスケールを大きくすることができ良好に流量を検知できる。
【００１７】
上流側センサ部及び下流側センサ部からの熱を細管（センサ流路を形成する細管）全体に伝熱させてしまうと、各センサの応答速度が低下してしまう。この問題を解決して、質量流量計の低真空領域におけるセンサ感度の低下抑制及び応答速度の両立を図るためには、前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路に放熱機構が設けられていることが望ましい。
【００１８】
また、分流比の圧力依存性を解消するための質量流量計は、流体が流れるメイン流路と、前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出するためのセンサ流路と、前記センサ流路に設けられたセンサ部から得られる信号により前記流体の流量を算出する流量算出部と、前記メイン流路及び前記センサ流路の分流比と、メイン流路の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データを格納する関係データ格納部と、前記メイン流路の一次側圧力に基づいて、前記流量算出部により得られた前記流体の流量を補正する流量補正部と、を具備することを特徴とする。
【００１９】
このようなものであれば、質量流量計の低真空領域における分流比の変動を補正することができるので、低真空領域において高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００２０】
質量流量計の測定結果をより一層高精度にするためには、前記関係データ格納部が、前記メイン流路の一次側圧力と、当該メイン流路を流れる流体の定圧比熱との関係を示す比熱圧力関係データを格納するものであり、前記流量補正部が、前記メイン流路の一次側圧力に対する定圧比熱により、前記流体の流量を補正するものであることが望ましい。
【００２１】
さらに、上述した質量流量計を用いて、好適に低真空領域において流量制御を可能にするためには、上述した質量流量計と、前記メイン流路に設けられた流量制御弁と、前記質量流量計により得られた測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
このように構成した本発明によれば、低真空領域において生じる分流比の圧力依存性を考慮した熱式質量流量センサを提供することができ、低真空領域において安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明に係る質量流量計１の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係る質量流量計１を示す模式的構成図である。
【００２４】
＜装置構成＞
【００２５】
本実施形態に係る質量流量計１は、低真空領域（例えば１〜１００Ｔｏｒｒ）において好適に用いられる熱式質量流量計である。
【００２６】
具体的にこのものは、流体である試料ガス（例えばＣ４Ｆ８等の半導体処理用ガス）Ｇが流れるメイン流路２と、前記メイン流路２から分岐して試料ガスＧを分流させるものであり、前記試料ガスＧの流量を検出するためのセンサ流路３と、試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４と、前記メイン流路２における前記センサ流路３の分岐点ＢＰと合流点ＭＰの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する層流素子５と、を具備する。
【００２７】
以下、各部２〜５について説明する。
【００２８】
メイン流路２は、流体入口２０１及び流体出口２０２を有する概略直管状のメイン管部２００から形成されている。なお、メイン管部２００の形状としては、後述する分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰを含む流路を形成する部分の形状が直管状であれば良く、そのため流体入口２０１及び流体出口２０２を有する曲管形状であっても良い。
【００２９】
センサ流路３は、メイン管部２００に立設された概略逆Ｕ字形状をなす中空細管３００により形成されている。本実施形態の中空細管３００は、ステンレス製のものであるが、他の素材を用いて形成することができる。
【００３０】
そしてセンサ流路３は、メイン流路２を流れる試料ガスＧの流量を検出するための流量検出機構４が設けられる測定路３Ａと、メイン流路２及び測定路３Ａを連通する接続路３Ｂとからなる。
【００３１】
測定路３Ａはメイン流路２と略平行に形成されおり、接続路３Ｂは、メイン流路２と略直交して設けられている。つまり接続路３Ｂは、測定路３Ａと略直交して設けられている。
【００３２】
流量検出機構４は、センサ流路３に分流した流量を検出するためのセンサ部４１と、当該センサ部４１からの出力信号を取得してメイン流路２を流れる試料ガスＧの流量を算出する流量算出部４２と、を備えている。
【００３３】
センサ部４１は、図２に示すように、測定路３Ａの上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部４１１と、測定路３Ａの下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部４１２と、を備えている。
【００３４】
そして、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体が巻きつけられて形成されるものであって、測定路３Ａを形成する中空細管３００の直管部３０１に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体４１ａと、当該第１感熱抵抗体４１ａの外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体４１ｂとを備えている。本実施形態では、中空細管３００全体の平均温度を無用に上げることなく中空細管３００中央に現れる温度分布のピークを鋭くしてセンサ感度を向上する観点から、第２感熱抵抗体４１ｂを、各センサ部４１１、４１２間の内側端部（合い寄る内側の端部）に設けている。また、第２感熱抵抗体４１ｂの巻幅は、第１感熱抵抗体４１ａの巻幅の１／２以下としている。なお、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、いずれも断熱材により被覆されている。
【００３５】
これならば、センサ部４１１、４１２全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くして検知時に上流側／下流側での温度差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。また、第１感熱抵抗体の巻幅を所定の範囲内で長くすることにより低蒸気圧ガスのようにその物性により、直線性の確保できる領域が狭小でフルスケールが制限される試料ガスＧに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させ且つセンサを高感度化させてフルスケールを大きくすることができ良好に流量を検知できる。
【００３６】
流量算出部４２は、センサ部４１１、４１２の感熱抵抗体４１ａ、４１ｂと電気的に接続されて、当該感熱抵抗体４１ａ、４１ｂの電圧値を検出することにより、センサ流路３（具体的には測定路３Ａ）中の流量を算出するとともに、メイン流路２とセンサ流路との分流比に基づいて、メイン流路２中の試料ガスＧの流量を算出するものである。
【００３７】
具体的な構成としては、電気回路から形成されており、ブリッジ回路、増幅回路及び補正回路（いずれも図示しない）を備えている。そして、流量算出部４２は、試料ガスＧの瞬時流量をセンサ部４１１、４１２によって電気信号（電圧値）として検出し、前記電気回路によってその電気信号を増幅等して、検出流量に応じた値を有するセンサ出力信号（流量測定信号）として出力するものである。
【００３８】
層流素子５は、メイン流路２中において、センサ流路３の分岐点ＢＰからセンサ流路３の合流点ＭＰとの間に設けられ、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比が所定の設計値となるようにするものである。ここで、分流比とは、センサ流路３の流量に対するメイン流路２における分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰ間の流路の流量の比である。具体的にこのものは、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材から構成されている。そして、その内部流路５１が、メイン流路２の流路方向と略平行となるように設けられている。層流素子としては、複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を用いることができる。
【００３９】
しかして本実施形態の質量流量計１は、上記の基本構成に加えて、前記測定路３Ａの流路形状及び前記内部流路５１の流路形状が、略同一である。つまり、本実施形態の質量流量計１は、低真空領域における分流比が圧力変動に影響を受けない構造を備えている。
【００４０】
具体的には、測定路３Ａと内部流路５１とが長手方向（メイン流路２の流路方向）において等断面形状を成し、さらに、測定路３Ａと内部流路５１とが略同一径且つ略同一長さである。つまり、測定路３Ａの内周壁の面積と内部流路５１の内周壁の面積とが略同一である。
【００４１】
さらに、センサ流路３の接続路３Ｂの流路形状が、測定路３Ａに比べて圧力損失が小さくなるように設定されている。具体的には、接続路３Ｂの流路径及び流路長が、分流比への影響を実質的に無視できる程度に設定されている。つまり、センサ流路３の接続管部３０２の内径及び管長が分流比への影響を実質的に無視できる程度に設定されている。これにより、接続路３Ｂにおける圧力損失が分流比に与える影響を抑制することができるとともに、測定路３Ａの流路形状と層流素子５の内部流路５１の流路形状を略同一にしたことの効果を妨げることを防止することができる。
【００４２】
また、本実施形態の質量流量計１は、センサ流路３における接続路３Ｂに放熱機構６を備えている。具体的には、接続路３Ｂを形成する接続管部３０２の周囲に放熱機構６を備えている。放熱機構６の構成としては、放熱フィンを用いたもの、例えばシリコン等からなる熱伝導放熱シートを用いたもの等、センサ部４１１、４１２から接続管部３０２への伝熱を放熱することができるものであれば良い。このように接続管部３０２に放熱機構６を設けることにより、測定路３Ａ内を流れる試料ガスＧ中の分子に対して直線性の確保に必要な熱量を与えることができ、低真空領域におけるセンサ感度の低下を抑制しつつ、センサの応答速度を担保することができる。
【００４３】
＜本実施形態の効果＞
【００４４】
このように構成した本実施形態に係る質量流量計１によれば測定路３Ａの流路形状及び内部流路５１の流路形状を略同一にすることにより、測定路３Ａの内周壁における摩擦力及び流速と内部流路５１の内周壁における摩擦力及び流速とを略同一にすることができるので、分流比の圧力依存性を抑制することができると考えられる。したがって、低真空領域において、高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００４５】
また、センサ部４１１、４１２において、第２感熱抵抗体４１ｂの長さを第１感熱抵抗体４１ａの長さよりも小さくした上で、センサ部４１１、４１２間の内側端部に設けているので、センサ感度を向上させることができる。
【００４６】
＜その他の変形実施形態＞
【００４７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。
【００４８】
例えば、前記実施形態の質量流量計１をマスフローコントローラＺに用いても良い。この場合、低真空領域において高精度且つ高感度に流量を測定することができるため、非常に高精度な流量制御を実現し得るマスフローコントローラＺを提供することができる。
【００４９】
この質量流量計１を組み込むマスフローコントローラＺの具体的態様としては、例えば、図３に示すように、前記実施形態の質量流量計１と、メイン流路２の合流点ＭＰより下流側に設けた流量制御バルブＺ１と、質量流量計１の出力する流量測定信号の示す信号値（測定流量値）及び入力手段（図示しない）により入力される流量設定信号の示す目標流量である設定流量値に基づいて流量制御バルブＺ１の弁開度を制御する弁制御部Ｚ２と、を具備する。
【００５０】
第２感熱抵抗体を第１感熱抵抗体のセンサ部間の内側端部に設けるほかに、その内側端から所定距離外側に位置させた領域（内側端から外側へオフセットした位置から外側）に巻き付けるようにしても良い。
【００５１】
また、前記センサ部の構成は、第１感熱抵抗体及び第２感熱抵抗体からなる２段巻きから構成されているが、３段巻き以上の多段巻きにより構成しても良い。
【００５２】
その他センサ部の構成としては、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側（センサ部間の内側）の所定領域に、その外側領域よりも感熱抵抗体の単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部を有するようにしても良い。「単位長さ当たりの巻数を多く」とは、例えば、感熱抵抗体の巻付間隔を一定としながら各センサ部の内側の所定領域のみを複数段（例えば、２段）に巻き付けることでその内側の所定領域における巻数をその外側領域のものよりも多くするといった態様や、巻き付ける段数を１段としながら各センサ部の内側の所定領域における巻付間隔を、その外側領域の巻付間隔よりも狭めることで、その内側の所定領域における巻数を多くするといった態様などが挙げられる。
【００５３】
また、上流側センサ部及び下流側センサ部間に隙間を設けているが、隙間の無い構成とすることもできる。
【００５４】
さらに、前記実施形態の熱式質量流量センサは、定電流型のものに適用できるに限らず、定温度型のものにも適用することができる。
【００５５】
その上、流量検出機構として感熱抵抗体を用いた熱式質量流量計に限られず、メイン流路及びセンサ流路とに所定の分流比で分流させて試料ガスＧの流量を測定する流量計に用いることができる。
【００５６】
また、前記実施形態のようにセンサ流路３の測定路３Ａ及び層流素子５の内部流路５１を同一形状にすると分流比が小さくなるため、限られた寸法（仕様）の範囲内において流量の拡大化が困難になってしまう。そのためメイン流路の管長を短くして流量を大きくする手段が考えられる。しかし、この手段では流量を大きくできても、分流比の圧力依存性により影響を受ける。このような問題を解決するための質量流量計１は、図４に示すように、前記実施形態の基本構成に加えて、メイン流路２における分岐点ＢＰの上流側に設けられ、一次側圧力を検出する圧力センサ７をさらに備えている。さらに、流量検出機構４が、センサ部４１と、流量算出部４２と、関係データ格納部Ｄ１と、流量補正部４３とを備えている。なお、センサ部４１及び流量算出部４２の構成は、前記実施形態と同様である。以下、関係データ格納部Ｄ１及び流量補正部４３について説明する。
【００５７】
関係データ格納部Ｄ１は、図６に示すように、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比と、メイン流路２の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データと、メイン流路２の一次側圧力と、当該メイン流路２を流れる試料ガスＧの定圧比熱Ｃｐとの関係を示す比熱圧力関係データとを格納するものである。分流比圧力関係データとは、図６に示すように、全流量毎の、一次側圧力とメイン流路２及びセンサ流路３の分流比との関係を示すデータである。また、比熱圧力関係データとは、試料ガスＧ毎の、一次側圧力と当該試料ガスＧの定圧比熱Ｃｐとの関係を示すデータである。
【００５８】
流量補正部４３は、流量算出部４２から流量測定信号を取得するとともに、圧力センサ７から一次側圧力を示す圧力測定信号、及び関係データ格納部Ｄ１から分流比圧力関係データ及び比熱圧力関係データを取得して、流量測定値を補正するものである。そして、流量補正部４３は、その補正流量値を出力する。
【００５９】
このように流量補正部４３が、分流比の圧力依存性を補正するので、従来の質量流量計１の構成を変更すること無く、プログラムを変更するだけで、安定した質量流量測定を可能にすることができる。また、定圧比熱Ｃｐの圧力依存性も補正しているので、より一層高精度な質量流量測定を可能にすることができる。
【００６０】
前記実施形態の質量流量計及びマスフローコントローラを半導体製造プロセス又は半導体製造プロセス以外にも用いることができる。
【００６１】
その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態に係る質量流量計の模式的構成図。
【図２】同実施形態におけるセンサ部の概略を示す図。
【図３】本発明の質量流量計を用いたマスフローコントローラの模式的構成図。
【図４】その他の変形実施形態に係る質量流量計の模式的構成図。
【図５】従来の質量流量計における一次側圧力に対する流量誤差を示す図。
【図６】質量流量計における一次側圧力に対する分流比の変化を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
Ｇ・・・・・試料ガス（流体）
１・・・・・質量流量計
２・・・・・メイン流路
３・・・・・センサ流路
３Ａ・・・・測定路
３Ｂ・・・・接続路
ＢＰ・・・・分岐点
ＭＰ・・・・合流点
４・・・・・流量検出機構
４１１・・・上流側センサ部
４１２・・・下流側センサ部
４１ａ・・・第１感熱抵抗体
４１ｂ・・・第２感熱抵抗体
５・・・・・層流素子
５１・・・・内部流路
６・・・・・放熱機構
４２・・・・流量算出部
Ｄ１・・・・関係データ格納部
４３・・・・流量補正部
Ｚ・・・・・マスフローコントローラ
Ｚ１・・・・流量制御弁
Ｚ２・・・・弁制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマスフローコントローラにおける流量制御の際などに用いられる質量流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の質量流量計としては、試料ガスが流れるメイン流路と、メイン流路から分岐して試料ガスを分流させるものであり、試料ガスの質量流量を検出する流量検出機構が設けられるセンサ流路と、メイン流路において、センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられるバイパス流路と、を具備する熱式質量流量計が知られている。そして、この熱式質量流量計は、流量検出機構は、センサ流路を形成する金属製の中空細管の外側に２本の感熱抵抗体をコイル状に巻いて形成した上流側センサ部及び下流側センサ部と、両センサ部に対して設けられたブリッジ回路とを備えている。
【０００３】
具体的に、中空細管は、感熱抵抗体により加熱されており、試料ガスが流れていないときは、中空細管の中心に対して対称的な温度分布となっている。これに対し、試料ガスが中空細管内に流れているときは、下流側センサ部には、上流側センサ部によって温められた試料ガスが流入するため、上流側センサ部と比べて温度が高くなり、上流側センサ部及び下流側センサ部間に温度差が形成される。この結果、前記温度分布が非対称となる。
【０００４】
このときの温度差（ΔＴ）と試料ガスの質量流量には一定の関係が成り立っているので、温度差をブリッジ回路により検出することで、質量流量を測定できるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、この熱式質量流量計を低真空領域（例えば１〜１００Ｔｏｒｒ）において用いた場合、同流量設定における流量が、圧力によって変化する現象（以下、流量誤差という。）が発生する。
【０００６】
具体的には、図５に示すように、メイン流路とセンサ流路とに分流させずに、全ての試料ガスをセンサ流路に一定流量を流す場合（図中、バイパス無し）において、一次側圧力を徐々に低下させていくと、流量誤差がプラス（＋）に大きくなる。つまり、バイパス無しの場合には、センサ感度が低下して、測定流量が増加していることを示している。これは、定圧比熱Ｃｐの圧力依存性だけでは説明できない。
【０００７】
一方、図５に示すように、メイン流路とセンサ流路と一定の分流比で分流させた場合（図中、バイパス有り）において、一次側圧力を徐々に低下させていくと、流量誤差がマイナス（−）に大きくなる。つまり、バイパス有りの場合には、センサ感度が低下して、測定流量が減少していることを示している。なお、ここで流量誤差［％］とは、１００Ｔｏｒｒにおける試料ガスの測定流量を基準にしたときの流量変化を％表示したものである。
【０００８】
この図５に示す結果から、本願発明者は、バイパス無しの場合に一次側圧力を小さくすると測定流量が増加するにも拘わらず、バイパス有りの場合に一次側圧力を小さくすると測定流量が減少することに矛盾を見出した。なぜなら、分流比が一定ならば、バイパス有りの場合にも測定流量が増加するはずである。
【特許文献１】特許公開平７−２７１４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そして、本願発明者は、図５の測定結果に基づいて鋭意検討を行った結果、低真空領域においては分流比が圧力依存性を持つと仮定した。そして、この仮定を裏付けるための実験を行った。この実験の結果を図６に示す。この図６は、一次側圧力を徐々に低下させていった場合におけるメイン流路及びセンサ流路の分流比の変動を示す。この図６から明らかなように、一次側圧力を徐々に小さくしていくと、分流比が小さくなっていることが分かる。つまり、一次側圧力の低下に従い、分流比が減少していることが分かる。なお、「分流比」とは、（センサを流れる流量）／（バイパスを流れる流量）である。
【００１０】
このように、分流比の圧力依存性の原因としては、差圧（二次側圧力に対する一次側圧力の差）が一定の条件下において、センサ流路における流体の流速と、メイン流路における流体の流速とが異なることから生じると考えられる。このように各流路における流速が異なるのは、センサ流路の流量検出機構が設けられる流路と層流素子の内部流路との流路長や、流路径の違いからであると推察される。また、流路長等が違うことにより、各流路管の内周壁により生じる摩擦力（粘性力）が異なる。これらにより、各流路における流速が異なると考えられる。
【００１１】
そこで本発明は、従来の熱式質量流量計の低真空領域における特性を見出し、鋭意検討の結果、その原因を特定することにより初めてなされたものであり、低真空領域における分流比の圧力依存性を考慮した質量流量計及びこの質量流量計を用いたマスフローコントローラを提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明に係る質量流量計は、流体が流れるメイン流路と、前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出する流量検出機構が設けられる測定路を有するセンサ流路と、前記メイン流路における前記センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられ、複数の内部流路を有する層流素子と、を具備し、前記測定路の流路形状及び前記内部流路の流路形状が略同一であることを特徴とする。ここで「層流素子」とは、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材である。
【００１３】
このようなものであれば、測定路の流路形状及び内部流路の流路形状が略同一であり、また、測定路の内周壁における摩擦力と内部流路の内周壁における摩擦力とを略同一にすることができるので、分流比の圧力依存性を抑制することができると考えられる。したがって、低真空領域において、高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００１４】
測定路及び内部流路の構成を簡単にするとともに、容易に測定路及び内部流路の流路形状を略同一にするためには、前記測定路及び前記内部流路が、長手方向において等断面形状であり、略同一径且つ略同一長さであることが望ましい。またこのような構成により、例えば、測定路をキャピラリ配管により形成することができ、層流素子を複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を採用することができ、両流路の流路形状を極めて簡単に同一にすることができる。
【００１５】
センサ流路において測定路以外の流路による圧力損失により、測定路の流路形状及び内部流路の流路形状を略同一にしたことによる効果を減退させないようにするためには、前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路の流路形状が、前記測定路に比べて圧力損失が小さくなるように設定されていることが望ましい。具体的な構成としては、分流比への影響が無視できる径及び長さに設定することが考えられる。
【００１６】
前記流量検出機構が、前記測定路の上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部と、前記測定路の下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部と、を具備し、前記上流側センサ部及び下流側センサ部が、前記測定路に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体と、当該第１感熱抵抗体において、各センサの外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体とを備えることが望ましい。各センサ部の感熱抵抗体を所定幅で設けることにより、中空細管内に流れる試料ガス中の分子に対して、上流側センサ部及び下流側センサ部間に生じる温度差に対する流量変化の直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。一方、第２感熱抵抗体を各センサ部の内側の所定領域に設けることにより、センサ部全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くすることができる。したがって、検知時に上流／下流での差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。また、第１感熱抵抗体の所定幅を所定の範囲内で長くすることにより、１次側圧力が小さくなっても（異なっても）、流体の希薄化および流速の高速化に起因したセンサ感度の低下を可及的に小さくすることができる。特に、低蒸気圧ガスのようにその物性により、直線性の確保できる領域が狭小でフルスケールが制限される試料ガスに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させ且つセンサを高感度化させてフルスケールを大きくすることができ良好に流量を検知できる。
【００１７】
上流側センサ部及び下流側センサ部からの熱を細管（センサ流路を形成する細管）全体に伝熱させてしまうと、各センサの応答速度が低下してしまう。この問題を解決して、質量流量計の低真空領域におけるセンサ感度の低下抑制及び応答速度の両立を図るためには、前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路に放熱機構が設けられていることが望ましい。
【００１８】
また、分流比の圧力依存性を解消するための質量流量計は、流体が流れるメイン流路と、前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出するためのセンサ流路と、前記センサ流路に設けられたセンサ部から得られる信号により前記流体の流量を算出する流量算出部と、前記メイン流路及び前記センサ流路の分流比と、メイン流路の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データを格納する関係データ格納部と、前記メイン流路の一次側圧力に基づいて、前記流量算出部により得られた前記流体の流量を補正する流量補正部と、を具備することを特徴とする。
【００１９】
このようなものであれば、質量流量計の低真空領域における分流比の変動を補正することができるので、低真空領域において高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００２０】
質量流量計の測定結果をより一層高精度にするためには、前記関係データ格納部が、前記メイン流路の一次側圧力と、当該メイン流路を流れる流体の定圧比熱との関係を示す比熱圧力関係データを格納するものであり、前記流量補正部が、前記メイン流路の一次側圧力に対する定圧比熱により、前記流体の流量を補正するものであることが望ましい。
【００２１】
さらに、上述した質量流量計を用いて、好適に低真空領域において流量制御を可能にするためには、上述した質量流量計と、前記メイン流路に設けられた流量制御弁と、前記質量流量計により得られた測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
このように構成した本発明によれば、低真空領域において生じる分流比の圧力依存性を考慮した熱式質量流量センサを提供することができ、低真空領域において安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明に係る質量流量計１の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係る質量流量計１を示す模式的構成図である。
【００２４】
＜装置構成＞
【００２５】
本実施形態に係る質量流量計１は、低真空領域（例えば１〜１００Ｔｏｒｒ）において好適に用いられる熱式質量流量計である。
【００２６】
具体的にこのものは、流体である試料ガス（例えばＣ４Ｆ８等の半導体処理用ガス）Ｇが流れるメイン流路２と、前記メイン流路２から分岐して試料ガスＧを分流させるものであり、前記試料ガスＧの流量を検出するためのセンサ流路３と、試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４と、前記メイン流路２における前記センサ流路３の分岐点ＢＰと合流点ＭＰの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する層流素子５と、を具備する。
【００２７】
以下、各部２〜５について説明する。
【００２８】
メイン流路２は、流体入口２０１及び流体出口２０２を有する概略直管状のメイン管部２００から形成されている。なお、メイン管部２００の形状としては、後述する分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰを含む流路を形成する部分の形状が直管状であれば良く、そのため流体入口２０１及び流体出口２０２を有する曲管形状であっても良い。
【００２９】
センサ流路３は、メイン管部２００に立設された概略逆Ｕ字形状をなす中空細管３００により形成されている。本実施形態の中空細管３００は、ステンレス製のものであるが、他の素材を用いて形成することができる。
【００３０】
そしてセンサ流路３は、メイン流路２を流れる試料ガスＧの流量を検出するための流量検出機構４が設けられる測定路３Ａと、メイン流路２及び測定路３Ａを連通する接続路３Ｂとからなる。
【００３１】
測定路３Ａはメイン流路２と略平行に形成されおり、接続路３Ｂは、メイン流路２と略直交して設けられている。つまり接続路３Ｂは、測定路３Ａと略直交して設けられている。
【００３２】
流量検出機構４は、センサ流路３に分流した流量を検出するためのセンサ部４１と、当該センサ部４１からの出力信号を取得してメイン流路２を流れる試料ガスＧの流量を算出する流量算出部４２と、を備えている。
【００３３】
センサ部４１は、図２に示すように、測定路３Ａの上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部４１１と、測定路３Ａの下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部４１２と、を備えている。
【００３４】
そして、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体が巻きつけられて形成されるものであって、測定路３Ａを形成する中空細管３００の直管部３０１に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体４１ａと、当該第１感熱抵抗体４１ａの外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体４１ｂとを備えている。本実施形態では、中空細管３００全体の平均温度を無用に上げることなく中空細管３００中央に現れる温度分布のピークを鋭くしてセンサ感度を向上する観点から、第２感熱抵抗体４１ｂを、各センサ部４１１、４１２間の内側端部（合い寄る内側の端部）に設けている。また、第２感熱抵抗体４１ｂの巻幅は、第１感熱抵抗体４１ａの巻幅の１／２以下としている。なお、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、いずれも断熱材により被覆されている。
【００３５】
これならば、センサ部４１１、４１２全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くして検知時に上流側／下流側での温度差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。また、第１感熱抵抗体の巻幅を所定の範囲内で長くすることにより低蒸気圧ガスのようにその物性により、直線性の確保できる領域が狭小でフルスケールが制限される試料ガスＧに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させ且つセンサを高感度化させてフルスケールを大きくすることができ良好に流量を検知できる。
【００３６】
流量算出部４２は、センサ部４１１、４１２の感熱抵抗体４１ａ、４１ｂと電気的に接続されて、当該感熱抵抗体４１ａ、４１ｂの電圧値を検出することにより、センサ流路３（具体的には測定路３Ａ）中の流量を算出するとともに、メイン流路２とセンサ流路との分流比に基づいて、メイン流路２中の試料ガスＧの流量を算出するものである。
【００３７】
具体的な構成としては、電気回路から形成されており、ブリッジ回路、増幅回路及び補正回路（いずれも図示しない）を備えている。そして、流量算出部４２は、試料ガスＧの瞬時流量をセンサ部４１１、４１２によって電気信号（電圧値）として検出し、前記電気回路によってその電気信号を増幅等して、検出流量に応じた値を有するセンサ出力信号（流量測定信号）として出力するものである。
【００３８】
層流素子５は、メイン流路２中において、センサ流路３の分岐点ＢＰからセンサ流路３の合流点ＭＰとの間に設けられ、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比が所定の設計値となるようにするものである。ここで、分流比とは、センサ流路３の流量に対するメイン流路２における分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰ間の流路の流量の比である。具体的にこのものは、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材から構成されている。そして、その内部流路５１が、メイン流路２の流路方向と略平行となるように設けられている。層流素子としては、複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を用いることができる。
【００３９】
しかして本実施形態の質量流量計１は、上記の基本構成に加えて、前記測定路３Ａの流路形状及び前記内部流路５１の流路形状が、略同一である。つまり、本実施形態の質量流量計１は、低真空領域における分流比が圧力変動に影響を受けない構造を備えている。
【００４０】
具体的には、測定路３Ａと内部流路５１とが長手方向（メイン流路２の流路方向）において等断面形状を成し、さらに、測定路３Ａと内部流路５１とが略同一径且つ略同一長さである。つまり、測定路３Ａの内周壁の面積と内部流路５１の内周壁の面積とが略同一である。
【００４１】
さらに、センサ流路３の接続路３Ｂの流路形状が、測定路３Ａに比べて圧力損失が小さくなるように設定されている。具体的には、接続路３Ｂの流路径及び流路長が、分流比への影響を実質的に無視できる程度に設定されている。つまり、センサ流路３の接続管部３０２の内径及び管長が分流比への影響を実質的に無視できる程度に設定されている。これにより、接続路３Ｂにおける圧力損失が分流比に与える影響を抑制することができるとともに、測定路３Ａの流路形状と層流素子５の内部流路５１の流路形状を略同一にしたことの効果を妨げることを防止することができる。
【００４２】
また、本実施形態の質量流量計１は、センサ流路３における接続路３Ｂに放熱機構６を備えている。具体的には、接続路３Ｂを形成する接続管部３０２の周囲に放熱機構６を備えている。放熱機構６の構成としては、放熱フィンを用いたもの、例えばシリコン等からなる熱伝導放熱シートを用いたもの等、センサ部４１１、４１２から接続管部３０２への伝熱を放熱することができるものであれば良い。このように接続管部３０２に放熱機構６を設けることにより、測定路３Ａ内を流れる試料ガスＧ中の分子に対して直線性の確保に必要な熱量を与えることができ、低真空領域におけるセンサ感度の低下を抑制しつつ、センサの応答速度を担保することができる。
【００４３】
＜本実施形態の効果＞
【００４４】
このように構成した本実施形態に係る質量流量計１によれば測定路３Ａの流路形状及び内部流路５１の流路形状を略同一にすることにより、測定路３Ａの内周壁における摩擦力及び流速と内部流路５１の内周壁における摩擦力及び流速とを略同一にすることができるので、分流比の圧力依存性を抑制することができると考えられる。したがって、低真空領域において、高精度測定を実現することができ、安定した質量流量測定を可能にすることができる。
【００４５】
また、センサ部４１１、４１２において、第２感熱抵抗体４１ｂの長さを第１感熱抵抗体４１ａの長さよりも小さくした上で、センサ部４１１、４１２間の内側端部に設けているので、センサ感度を向上させることができる。
【００４６】
＜その他の変形実施形態＞
【００４７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。
【００４８】
例えば、前記実施形態の質量流量計１をマスフローコントローラＺに用いても良い。この場合、低真空領域において高精度且つ高感度に流量を測定することができるため、非常に高精度な流量制御を実現し得るマスフローコントローラＺを提供することができる。
【００４９】
この質量流量計１を組み込むマスフローコントローラＺの具体的態様としては、例えば、図３に示すように、前記実施形態の質量流量計１と、メイン流路２の合流点ＭＰより下流側に設けた流量制御バルブＺ１と、質量流量計１の出力する流量測定信号の示す信号値（測定流量値）及び入力手段（図示しない）により入力される流量設定信号の示す目標流量である設定流量値に基づいて流量制御バルブＺ１の弁開度を制御する弁制御部Ｚ２と、を具備する。
【００５０】
第２感熱抵抗体を第１感熱抵抗体のセンサ部間の内側端部に設けるほかに、その内側端から所定距離外側に位置させた領域（内側端から外側へオフセットした位置から外側）に巻き付けるようにしても良い。
【００５１】
また、前記センサ部の構成は、第１感熱抵抗体及び第２感熱抵抗体からなる２段巻きから構成されているが、３段巻き以上の多段巻きにより構成しても良い。
【００５２】
その他センサ部の構成としては、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側（センサ部間の内側）の所定領域に、その外側領域よりも感熱抵抗体の単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部を有するようにしても良い。「単位長さ当たりの巻数を多く」とは、例えば、感熱抵抗体の巻付間隔を一定としながら各センサ部の内側の所定領域のみを複数段（例えば、２段）に巻き付けることでその内側の所定領域における巻数をその外側領域のものよりも多くするといった態様や、巻き付ける段数を１段としながら各センサ部の内側の所定領域における巻付間隔を、その外側領域の巻付間隔よりも狭めることで、その内側の所定領域における巻数を多くするといった態様などが挙げられる。
【００５３】
また、上流側センサ部及び下流側センサ部間に隙間を設けているが、隙間の無い構成とすることもできる。
【００５４】
さらに、前記実施形態の熱式質量流量センサは、定電流型のものに適用できるに限らず、定温度型のものにも適用することができる。
【００５５】
その上、流量検出機構として感熱抵抗体を用いた熱式質量流量計に限られず、メイン流路及びセンサ流路とに所定の分流比で分流させて試料ガスＧの流量を測定する流量計に用いることができる。
【００５６】
また、前記実施形態のようにセンサ流路３の測定路３Ａ及び層流素子５の内部流路５１を同一形状にすると分流比が小さくなるため、限られた寸法（仕様）の範囲内において流量の拡大化が困難になってしまう。そのためメイン流路の管長を短くして流量を大きくする手段が考えられる。しかし、この手段では流量を大きくできても、分流比の圧力依存性により影響を受ける。このような問題を解決するための質量流量計１は、図４に示すように、前記実施形態の基本構成に加えて、メイン流路２における分岐点ＢＰの上流側に設けられ、一次側圧力を検出する圧力センサ７をさらに備えている。さらに、流量検出機構４が、センサ部４１と、流量算出部４２と、関係データ格納部Ｄ１と、流量補正部４３とを備えている。なお、センサ部４１及び流量算出部４２の構成は、前記実施形態と同様である。以下、関係データ格納部Ｄ１及び流量補正部４３について説明する。
【００５７】
関係データ格納部Ｄ１は、図６に示すように、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比と、メイン流路２の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データと、メイン流路２の一次側圧力と、当該メイン流路２を流れる試料ガスＧの定圧比熱Ｃｐとの関係を示す比熱圧力関係データとを格納するものである。分流比圧力関係データとは、図６に示すように、全流量毎の、一次側圧力とメイン流路２及びセンサ流路３の分流比との関係を示すデータである。また、比熱圧力関係データとは、試料ガスＧ毎の、一次側圧力と当該試料ガスＧの定圧比熱Ｃｐとの関係を示すデータである。
【００５８】
流量補正部４３は、流量算出部４２から流量測定信号を取得するとともに、圧力センサ７から一次側圧力を示す圧力測定信号、及び関係データ格納部Ｄ１から分流比圧力関係データ及び比熱圧力関係データを取得して、流量測定値を補正するものである。そして、流量補正部４３は、その補正流量値を出力する。
【００５９】
このように流量補正部４３が、分流比の圧力依存性を補正するので、従来の質量流量計１の構成を変更すること無く、プログラムを変更するだけで、安定した質量流量測定を可能にすることができる。また、定圧比熱Ｃｐの圧力依存性も補正しているので、より一層高精度な質量流量測定を可能にすることができる。
【００６０】
前記実施形態の質量流量計及びマスフローコントローラを半導体製造プロセス又は半導体製造プロセス以外にも用いることができる。
【００６１】
その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態に係る質量流量計の模式的構成図。
【図２】同実施形態におけるセンサ部の概略を示す図。
【図３】本発明の質量流量計を用いたマスフローコントローラの模式的構成図。
【図４】その他の変形実施形態に係る質量流量計の模式的構成図。
【図５】従来の質量流量計における一次側圧力に対する流量誤差を示す図。
【図６】質量流量計における一次側圧力に対する分流比の変化を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
Ｇ・・・・・試料ガス（流体）
１・・・・・質量流量計
２・・・・・メイン流路
３・・・・・センサ流路
３Ａ・・・・測定路
３Ｂ・・・・接続路
ＢＰ・・・・分岐点
ＭＰ・・・・合流点
４・・・・・流量検出機構
４１１・・・上流側センサ部
４１２・・・下流側センサ部
４１ａ・・・第１感熱抵抗体
４１ｂ・・・第２感熱抵抗体
５・・・・・層流素子
５１・・・・内部流路
６・・・・・放熱機構
４２・・・・流量算出部
Ｄ１・・・・関係データ格納部
４３・・・・流量補正部
Ｚ・・・・・マスフローコントローラ
Ｚ１・・・・流量制御弁
Ｚ２・・・・弁制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れるメイン流路と、
前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出する流量検出機構が設けられる測定路を有するセンサ流路と、
前記メイン流路における前記センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられ、複数の内部流路を有する層流素子と、を具備し、
前記測定路の流路形状及び前記内部流路の流路形状が略同一である質量流量計。
【請求項２】
前記測定路及び前記内部流路が、長手方向において等断面形状であり、略同一径且つ略同一長さである請求項１記載の質量流量計。
【請求項３】
前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路の流路形状が、前記測定路の流路形状に比べて圧力損失が小さくなるように設定されている請求項１又は２記載の質量流量計。
【請求項４】
前記流量検出機構が、前記測定路の上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部と、前記測定路の下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部と、を具備し、
前記上流側センサ部及び下流側センサ部が、前記測定路に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体と、当該第１感熱抵抗体の外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体とを備える請求項１、２又は３記載の質量流量計。
【請求項５】
前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路に放熱機構が設けられている請求項１、２、３又は４記載の質量流量計。
【請求項６】
流体が流れるメイン流路と、
前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出するためのセンサ流路と、
前記センサ流路に設けられたセンサ部から得られる信号により前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記メイン流路及び前記センサ流路の分流比と、メイン流路の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データを格納する関係データ格納部と、
前記メイン流路の一次側圧力に基づいて、前記流量算出部により得られた前記流体の流量を補正する流量補正部と、を具備する質量流量計。
【請求項７】
前記関係データ格納部が、前記メイン流路の一次側圧力と、当該メイン流路を流れる流体の定圧比熱との関係を示す比熱圧力関係データを格納するものであり、
前記流量補正部が、前記メイン流路の一次側圧力に対する定圧比熱により、前記流体の流量を補正するものである請求項６記載の質量流量計。
【請求項８】
請求項１乃至７記載の質量流量計と、
前記メイン流路に設けられた流量制御弁と、
前記質量流量計により得られた測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備するマスフローコントローラ。
【請求項１】
流体が流れるメイン流路と、
前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出する流量検出機構が設けられる測定路を有するセンサ流路と、
前記メイン流路における前記センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられ、複数の内部流路を有する層流素子と、を具備し、
前記測定路の流路形状及び前記内部流路の流路形状が略同一である質量流量計。
【請求項２】
前記測定路及び前記内部流路が、長手方向において等断面形状であり、略同一径且つ略同一長さである請求項１記載の質量流量計。
【請求項３】
前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路の流路形状が、前記測定路の流路形状に比べて圧力損失が小さくなるように設定されている請求項１又は２記載の質量流量計。
【請求項４】
前記流量検出機構が、前記測定路の上流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された上流側センサ部と、前記測定路の下流側に設けられ、感熱抵抗体から形成された下流側センサ部と、を具備し、
前記上流側センサ部及び下流側センサ部が、前記測定路に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体と、当該第１感熱抵抗体の外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体とを備える請求項１、２又は３記載の質量流量計。
【請求項５】
前記センサ流路における前記メイン流路と前記測定路とを連通する接続路に放熱機構が設けられている請求項１、２、３又は４記載の質量流量計。
【請求項６】
流体が流れるメイン流路と、
前記メイン流路から分岐して前記流体を分流させるものであり、前記流体の流量を検出するためのセンサ流路と、
前記センサ流路に設けられたセンサ部から得られる信号により前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記メイン流路及び前記センサ流路の分流比と、メイン流路の一次側圧力との関係を示す分流比圧力関係データを格納する関係データ格納部と、
前記メイン流路の一次側圧力に基づいて、前記流量算出部により得られた前記流体の流量を補正する流量補正部と、を具備する質量流量計。
【請求項７】
前記関係データ格納部が、前記メイン流路の一次側圧力と、当該メイン流路を流れる流体の定圧比熱との関係を示す比熱圧力関係データを格納するものであり、
前記流量補正部が、前記メイン流路の一次側圧力に対する定圧比熱により、前記流体の流量を補正するものである請求項６記載の質量流量計。
【請求項８】
請求項１乃至７記載の質量流量計と、
前記メイン流路に設けられた流量制御弁と、
前記質量流量計により得られた測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備するマスフローコントローラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−３００４０３（Ｐ２００９−３００４０３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５８４２４（Ｐ２００８−１５８４２４）
【出願日】平成２０年６月１７日（２００８．６．１７）
【出願人】（０００１２７９６１）株式会社堀場エステック (88)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１７日（２００８．６．１７）
【出願人】（０００１２７９６１）株式会社堀場エステック (88)
【Ｆターム（参考）】
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