(57)【要約】【課題】導管部そのものを排除し、導管部が存在することに起因する不具合を抜本的に解決する。【解決手段】  配管部材１の中間部に絞り機構３を設けるとともに、その上流側及び下流側に設けた圧力センサ２による測定圧力に基づいて前記流体の流量を測定する流量測定装置において、前記配管部材１における外壁１１の所要箇所に外面側が凹んだ薄肉部分１１ａを設けて、前記流体の圧力変動による前記薄肉部分１１ａの弾性変形によって突没する突没部６が、前記絞り機構３の上流側及び下流側に形成されるようにするとともに、前記突没部６の外表面に圧力センサ２の感圧面を接触させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流量測定の対象となる流体が流れる配管部材と、前記配管部材の間に設けられた絞り機構と、前記絞り機構の上流側及び下流側に設けられて前記流体の圧力を測定する一対の圧力センサとを備え、各圧力センサによる測定圧力に基づいて前記流体の流量を測定する流量測定装置であって、
前記配管部材における圧力センサの配置部位に外面側が凹んだ薄肉部分を設けて、前記流体の圧力変動による前記薄肉部分の弾性変形によって径方向に突没する突没部を形成するとともに、該突没部の外表面に前記圧力センサの感圧面を接触させていることを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】
前記圧力センサが、水晶板の端縁を感圧面とするとともに、前記水晶板の発振周波数の変化で前記感圧面に作用している圧力を検知するものであって、
前記水晶板を前記突没部の表面にほぼ垂直な姿勢で配置し、前記突没部からの押圧力が水晶板の端縁に作用するように構成している請求項１記載の流量測定装置。
【請求項３】
前記水晶板の面板部が流体の流れ方向と平行になるように、前記圧力センサを配管部材に取り付けている請求項１又は２記載の流量測定装置。
【請求項４】
前記配管部材の外壁に、周回する有底溝を設け、その有底溝の底部が前記突没部として機能するように構成している請求項１、２又は３記載の流量測定装置。
【請求項５】
前記有底溝及びその前後の配管部材の周囲に密着固定された外殻体を具備し、該外殻体の表面から前記有底溝に至る貫通孔を形成するとともに、該貫通孔に前記水晶板を収容保持させている請求項４記載の流量測定装置。
【請求項６】
前記絞り機構が配管部材と同一素材で一体連続的に設けられたものである請求項１、２、３、４又は５記載の流量測定装置。
【請求項７】
内部を流量測定の対象となる流体が流れる配管部材と、前記流体の圧力を測定する圧力センサとを備えた流体圧力測定装置であって、
前記配管部材における外壁の所要箇所に外面側が凹んだ薄肉部分を設けて、前記流体の圧力変動による前記薄肉部分の弾性変形によって突没する突没部を形成するとともに、該突没部の外表面に前記圧力センサの感圧面を接触させていることを特徴とする流体圧力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、配管部材の間に設けた絞り機構の上流側及び下流側における流体圧力を圧力センサで測定することによって、該流体の流量を測定する流量測定装置等に関するものであり、特に半導体製造装置、FPD製造装置、太陽電池製造装置などへの各種薬液や洗浄液あるいは各種ガス流体等を送出するラインに設置されて好適に用いられるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の圧力センサを利用した流量測定装置（以下、差圧式流量計とも言う）には、特許文献１に示すように、測定対象となる流体が流れるメインの配管から圧力センサに圧力を導くための導管部が設けられている。この導管部は、特許文献１に示すように、メイン配管から分岐させたものであり、例えば小孔や細管で形成されている。また特許文献２には、圧力センサとして水晶円板を利用したものが開示されている。この文献では水晶円板は、圧力が面板部に垂直に作用するように構成されており、メイン配管から水晶円板に至るまでに短距離ではあるが導管部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２２６１４４
【特許文献２】特開２００２−５４９５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば粘性の高い液体の場合は導管部が詰まる恐れがある。また、粘性が低い流体にしても、前記導管部に付着物が発生したり、その付着物がはがれて下流に流れ、コンタミの原因になったりする。このコンタミは、半導体プロセス等では大きな悪影響を及ぼす。さらに、一般的に差圧式流量計の場合は、ベルヌーイの定理からも明らかなように、低流量での測定精度が劣化する。
【０００５】
もちろん、差圧式流量計以外にも、例えば超音波式流量計や電磁式流量計などがある。しかし、超音波式流量計では、構造上、細管・屈曲・オリフィス等を設けることによる泡影響を受けるであるとか、接続配管径とセンサ部分の配管径が異なることから滞留コンタミが発生するであるとか、粘性流体ではその流速分布が測定誤差の原因になるといった不具合があるし、また電磁式流量計では、流体に導電性が必要であるとか細管でのセンサ構造が難しいといった不具合がある。
【０００６】
そこで本発明は、流体の圧力を前記配管部材の壁体を通じて測定できる構成とすることによって、導管部そのものを排除し、該導管部が存在することに起因する不具合を抜本的に解決することをその主たる所期課題としたものである。
また、本発明は、水晶板の配置に独特の工夫を凝らすことによって、配管部材が細管の場合でも無理なく圧力測定でき、低流量での測定精度を向上できるようにすることなどを副次的な課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明に係る流量測定装置は、内部を流量測定の対象となる流体が流れる配管部材と、前記配管部材の間に設けられた絞り機構と、前記絞り機構の上流側及び下流側に設けられて前記流体の圧力を測定する一対の圧力センサとを備え、各圧力センサによる測定圧力に基づいて前記流体の流量を測定するものであって、前記配管部材における外壁の所要箇所に外面側が凹んだ薄肉部分を設け、前記流体の圧力変動による前記薄肉部分の弾性変形によって突没する突没部を、前記絞り機構の上流側及び下流側に形成するとともに、前記突没部の外表面に圧力センサの感圧面を接触させていることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、圧力センサに圧力を導くための導管部が完全に不要になり、また、圧力を伝達する突没部が、配管部材外壁の外側を凹ませた薄肉部分によって形成されることから、配管部材の内面の凹凸を完全になくすことができるので、流体の滞留を防止することができる。さらに、その流体の滞留に起因する泡・圧力損失・コンタミの発生等も防止できる。加えて、圧力センサを配管部材の外側に配置できることから、着脱を容易にでき、メンテナンスの簡便性等も向上させることができるし、小型化も可能になる。
【０００９】
水晶板（圧電素子）を利用した圧力センサの場合、前記特許文献２にも示されているように、一般的には、水晶板の面板部が圧力方向に垂直となるように配置するところ、これを縦にする、すなわち、水晶板の端縁を感圧面とするとともに、水晶板を前記突没部の表面にほぼ垂直な姿勢で配置し、前記突没部からの押圧力が水晶板の端縁に作用するように構成しておけば、配管部材が細管の場合でも無理なく圧力測定でき、低流量域での分解能を向上させることが可能となる。
【００１０】
より具体的には、前記水晶板の面板部が流体の流れ方向と平行になるように、前記圧力センサを配管部材に取り付けているものが好ましい。受圧面積が大きくなって、圧力伝達効率を向上させることができるからである。
【００１１】
前記突没部を簡単な加工で形成できる具体的態様としては、前記配管部材の外壁に周回する有底溝を設け、その有底溝の底部が前記突没部として機能するようにしたものを挙げることができる。
【００１２】
また、かかる構成において水晶板を簡単な構成で好適に保持するためには、前記有底溝及びその前後の配管部材の周囲に密着固定された外殻体を設けておき、該外殻体の表面から前記有底溝に至る貫通孔を形成するとともに、該貫通孔に前記水晶板を収容保持させているものが好ましい。
【００１３】
突没部の他の具体的態様としては、前記配管部材の外壁に、外向きに開口する環状の有底溝を設け、その有底溝の底部に前記薄肉部分を形成することによって、前記有底溝で囲まれた外壁部分を、前記突没部として機能させているものを挙げることができる。このようなものであれば、突没部における感圧面が接触する部位は、他の外壁同様の厚肉部分となるため、感圧面による突没部のたわみや、接触部位における突没部の破損を回避することができる。
【００１４】
簡単に製造できるとともに、構造の一体化が図れる好ましい態様としては、前記配管部材が樹脂製または金属製であり、前記絞り機構が配管部材と同一素材で一体連続的に設けられたものを挙げることができる。配管部材の一部を押圧したり熱を与えるなどして変形させ、絞り機構を簡単に形成することができるからである。
【００１５】
また、本発明は、絞り機構を省略することで流体圧力測定装置としても応用できる。このようなものであれば、圧力をコンタミフリーな状態を保って測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
このように構成した本発明によれば、圧力センサに圧力を導くための導管部が不要になり、また、圧力を伝達する突没部が、配管部材外壁の外側を凹ませた薄肉部分によって形成されることから、配管部材の内面の凹凸をなくすことができるので、流体の滞留を防止することができる。さらに、その流体の滞留に起因するコンタミの発生等も防止できる。加えて、圧力センサを配管部材の外側に配置できることから、着脱が容易にでき、メンテナンス性等も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流量測定装置の内部構造を示す縦断面図。
【図２】同実施形態における流量測定装置の全体斜視図。
【図３】同実施形態における流量測定装置の圧力センサの内部を示す正面図。
【図４】同実施形態における配管部材及び絞り機構を示す平面図。
【図５】同実施形態における突没部を示す部分拡大図。
【図６】図５におけるＡ−Ａ線断面図。
【図７】同実施形態における圧力センサの流量特性を示すグラフ。
【図８】本発明の第２同実施形態における流量測定装置の内部構造を示す縦断面図。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線端面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る流量測定装置１００は、図１、図２にその全体を概略的に示すように、内部を流量測定の対象となる流体が流れる配管部材１と、前記配管部材１の間に設けられた絞り機構３と、前記絞り機構３の上流側及び下流側に設けられて前記流体の圧力を測定する一対の圧力センサ２と、各圧力センサ２による測定圧力を受信するとともにその測定圧力に基づいて前記流体の流量を算出する情報処理手段５とを具備した、いわゆる差圧式のものである。
【００２０】
各部を詳述すると、前記配管部材１は、図１等に示すように、例えば断面が円形の樹脂（例えばPFA）製チューブであり、その内径は等しく、かつ、その外壁１１の厚みも、後述する薄肉部分１１ａを除けば等しく構成されている。
【００２１】
絞り機構３は、図１、図４に示すように、配管部材１と同一の素材を用いたチューブ状のものであり、具体的には、その中央部を最小内径にしてあって、この中央部から徐々にその内径を増大させて両端部に滑らかに至るような形状をなす。両端部の内径は前記配管部材１の内径と合致させてあり、この両端部を、その上流側及び下流側の配管部材１の端部と一体連続的に接続している。
【００２２】
圧力センサ２は、図７、図８に示すように、水晶板２１と、その筐体２２に支持させた水晶板２１とを具備するものであり、水晶板２１に作用する外圧によってその発振周波数が変化することから、水晶板２１の発振信号を、圧力信号として出力するタイプのものである。
【００２３】
各部を説明すると、筐体２２は、平面視、概略長円状をなすもので、本実施形態では、この筐体２２を２つの圧力センサ２で共用するようにしている。もちろん、筐体２２を分離しても構わない。しかしてこの筐体２２には、底壁２２ａ及びこの底壁２２ａから起立する側周壁２２ｂによって囲繞して一面を開口させた収容室２２ｃが設けてあり、後述する水晶板２１はこの収容室２２ｃ内に配置されている。
【００２４】
水晶板２１は、特に図３に示すように、例えば、オリエンテーションフラット部（以下オリフラ部２１ａとも言う）を有する等厚円板状をなすもので、その表裏面にはそれぞれ電極板２３が添接してある。そして、前記オリフラ部２１ａを、前記収容室２２ｃの底壁２２ａに取り付けた保持台２５に固着して、底壁２２ａからこの水晶板２１が起立するとともに、水晶板２１の先端感圧面２１ｂ（オリフラ部２１ａの対向部位）が、収容室２２ｃの開口部Ｐ（図１に示す）に臨むように構成してある。
【００２５】
また、この水晶板２１は、その各側縁部を、底壁２２ａから起立させた一対のスリット付き弾性支持体２４によっても支持させている。この弾性支持体２４は金属等の導電性材料からなるもので、縦に延びるスリット（図示しない）で、水晶板２１と電極板２３を一緒に挟圧し、リード線としての機能をも営むようにしてある。このような構成によって、この水晶板２１は、感圧面である前記先端を押圧された場合に、縦方向（輪郭方向）にはその押圧力がそのまま伝わり圧縮変形して撓むが、前後方向や横方向には移動しないように設定してある。
【００２６】
しかしてこの実施形態では、図１、図４〜図６に示すように、絞り機構３の上流側及び下流側における配管部材１の外壁１１に、外向きに開口する環状をなす有底溝４をそれぞれ設けている。この有底溝４は、配管部材１の長手方向に延びる長円状をなすもので、当然のことながら、有底溝４の底部における外壁１１の厚みは、他の外壁１１の厚みに比べ、薄肉となる。しかしてこの薄肉部分１１ａは、他の外壁１１に比べて弾性変形しやすいため、有底溝４で囲まれた領域は、薄肉部分１１ａの弾性変形によって、流体の圧力増大時には突出するとともに圧力減少時には没入する突没部６として機能することとなる。そして、この突没部６の表面に、前記圧力センサ２の感圧面、すなわち、水晶板２１の先端感圧面が接触するように構成している。
【００２７】
より具体的には、図１に示すように、筐体２２内に前記配管部材１及び絞り機構３を貫通させて固定することで、水晶板２１の先端感圧面が突没部６の外表面に接触するようにし、流体の圧力を、突没部６を介して圧力センサ２が検知できる構成にしている。このとき、水晶板２１の面板部は、流体の流れ方向、すなわち配管部材１の長手方向と平行となり、また、収容室２２ｃにおける側周壁２２ｂの先端は、突没部６の周囲における配管部材１の外壁１１に密着して、収容室２２ｃが気密空間となる。気密空間となった収容室２２ｃには、乾燥させた窒素ガス等の不活性ガスを充填しておけば、寿命や測定精度等の観点から好ましいものとなる。
なお、図１中における符号８は、保持台２５を進退移動させ、水晶板２１の突没部６に対する押圧力の初期値（オフセット）を調整するためのねじ送り機構である。
【００２８】
情報処理手段５は、ＣＰＵやメモリ、カウンタなどを具備した電気回路であり、圧力センサ２からの発振信号を受信してその周波数をカウンタなどで測定し、その周波数から圧力を算出するものである。本実施形態の圧力センサ２は、圧力と周波数との相関が、表１及び図７に示すように、一次関数となり、しかもその再現性が極めて良いため、周波数から精度良く圧力を算出することができる。ここでは一次関数を表す近似式はｙ＝６．６５０ｘ＋８．５８９であった。つまり、測定周波数を、圧力として取り扱うことができる。
【表１】
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【００２９】
しかして、この情報処理手段５が流量を算出する手順を説明すると、各圧力センサ２の発振信号の周波数をそれぞれ、ｆｕ（上流側）、ｆｄ（下流側）とした場合、上流側の測定圧力Ｐｕ及び下流側の測定圧力Ｐｄは、それぞれ
Ｐｕ＝ａ・ｆｕ＋ｂ
Ｐｄ＝ａ・ｆｄ＋ｂ
と表すことができる。ここで、ａ、ｂはそれぞれ実験等で予め定めた定数である。
したがって、差圧ΔＰは
ΔＰ＝Ｐｕ−Ｐｄ＝ａ・（ｆｕ−ｆｄ）＝ａ・Δｆ
【００３０】
ところで、流量Ｑの二乗値は、ΔＰに比例するから、
Ｑ＝ｃ・√（ΔＰ）＝ｋ√（Δｆ）
となる。ここで、ｃは実験等で予め定めた定数であり、ｋはａ及びｃの乗算値である。
【００３１】
このことから、この情報処理手段５は、周波数差Δｆの平方根に、実験で定めた係数ｋを乗算することで、流量Ｑを算出する。
【００３２】
なお、各圧力センサ２の器差については、この情報処理手段５におけるカウンタで補正するようにしている。
【００３３】
＜第２実施形態＞
この実施形態に係る流量測定装置１００Ａは、図８にその全体を概略的に示すように、内部を流量測定の対象となる流体が流れる上流側及び下流側の配管部材１Ａと、前記配管部材１Ａの間に設けられた絞り機構３Ａと、前記各配管部材１Ａに設けられて前記流体の圧力を測定する一対の圧力センサ２Ａと、各圧力センサ２Ａによる測定圧力を受信するとともにその測定圧力に基づいて前記流体の流量を算出する情報処理手段５Ａとを具備した、いわゆる差圧式のものである。
【００３４】
各部を詳述する。前記配管部材１Ａは、図８に示すように、例えば断面が円形の樹脂（例えばPFA）製チューブであり、その内径は等しく、かつ、その外壁１１Ａの厚みも、後述する薄肉部分１１ａＡを除けば等しく構成されている。
【００３５】
絞り機構３Ａは、図８に示すように、ブロック体形状、より具体的には直方体形状をなすものであり、内部に絞り機能を担う流路３１Ａが貫通させてある。そして、この絞り機構３Ａの両端部に前記各配管部材１Ａの端部が差し込まれて、配管部材１Ａと前記流路３１Ａとが直列に接続されるように構成してある。前記流路３Ａは、その中央部を最小内径とし、この中央部から徐々にその内径を増大させて両端部に滑らかに至るような形状をなすものであり、その両端部の内径を前記配管部材１の内径と合致させて、該流路３１Ａその上流側及び下流側の配管部材１Ａとが滑らかに連続するように構成してある。
【００３６】
圧力センサ２Ａは、図８、図９に示すように、水晶板２１Ａと、その水晶板２１Ａを支持する支持体２２Ａとを具備するものであり、水晶板２１Ａに作用する外圧によってその発振周波数が変化することから、水晶板２１Ａの発振信号を、圧力信号として出力するタイプのものである。
【００３７】
支持体２２Ａは、水晶板２１Ａの左右側縁部を支持する側縁支持部２２ａＡと、水晶板２１Ａの基端部を支持する基端支持部２２ｂＡとからなるもので、この基端支持部２２ｂＡに、水晶板２１Ａからの電気信号を取り出す電気回路基板ＰＡが取り付けてある。
【００３８】
水晶板２１Ａは、第１実施形態と同様なものであるため、ここでの説明は省略する。
【００３９】
しかしてこの実施形態では、図８、図９に示すように、絞り機構３Ａの上流側及び下流側における配管部材外壁１１Ａに、周方向に周回する有底溝４Ａをそれぞれ設けている。この有底溝４Ａは、配管部材１Ａを1周する一定幅のもので、当然のことながら、有底溝４Ａの底部における外壁１１Ａの厚みは、他の外壁１１Ａの厚みに比べ、薄肉となる。しかしてこの薄肉部分１１ａＡは、他の外壁１１Ａに比べて弾性変形しやすいことから、この実施形態では、該薄肉部分１１ａＡの一部領域が、流体の圧力増大時には突出するとともに圧力減少時には没入する突没部６Ａとして機能するように構成している。そして、この突没部６Ａの表面に、後述するスペーサ８Ａを介して前記圧力センサ２Ａの感圧面、すなわち、水晶板２１Ａの先端感圧面を接触させている。
【００４０】
より具体的には、図８、図９に示すように、前記有底溝４Ａ及びその前後の配管部材１Ａの周囲にブロック体状をなす外殻体７Ａを密着固定し、その外殻体７Ａの表面から前記有底溝４Ａの一部に至る矩形状の貫通孔７ａＡを形成するとともに、その貫通孔７ａＡに前記水晶板２１Ａを含む圧力センサ２Ａ及び前記スペーサ８Ａを収容保持させている。
【００４１】
詳述すれば、外殻体７Ａは、その横断面輪郭形状が、前記絞り機構３Ａの横断面輪郭形状と等しいものであり、この外殻体７Ａと絞り機構３Ａとが連続して長尺棒状をなすように構成してある。またこの外殻体７Ａは、長手方向に沿って縦に２分割可能なもので、分割した各半割体７１Ａ、７２Ａを組み合わせることによって配管部材１Ａの周囲を覆うことができるようにしてある。
【００４２】
スペーサ８Ａは、その底面が有底溝４Ａの曲率に合わせて湾曲するように構成されたブロック体状をなすもので、前記貫通孔７ａＡによって露出された有底溝４Ａの一部分である突没部６Ａの外表面に接するように該貫通孔７ａＡに嵌め込まれている。また、このスペーサ８Ａは、貫通孔７ａＡ内において突没部６Ａの突没動作に合わせて上下動のみ可能に配設されている。
【００４３】
そして前記水晶板２１Ａの先端感圧面を、このスペーサ８Ａの外表面に接触するように配置することによって、流体の圧力を、突没部６Ａ、スペーサ８Ａを介して圧力センサ２Ａが検知できる構成にしている。なお、水晶板２１Ａは、前記第１実施形態同様、その面板部が、流体の流れ方向、すなわち配管部材１Ａの長手方向と平行となるように配置している。
【００４４】
情報処理手段５Ａの構造や情報処理手段５Ａによる流量算出方法については、前記第１実施形態と同様であるため、ここでの記載は省略する。
【００４５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、圧力センサは、絞り機構の上流及び下流に必ずしも必要なものではなく、例えば上流側または下流側の圧力が、真空や定圧力源に接続されているなどして既知の場合は、既知の圧力側の圧力センサやそれを保持するための貫通孔あるいは突没部等は不要となる。
【００４６】
また、絞り機構を設けず、配管部材と単一の圧力センサを用いて、内部を流れる流体の圧力を測定する流体圧力測定装置を構成してもよい。このように本発明は、コンタミフリーな状態を保って圧力測定することが可能な流体圧力測定装置としても応用できる。
【００４７】
さらに、第１実施形態における圧力センサ２であるが、例えば収容室２２ｃの開口を薄膜部材で予め密閉し、収容室２２ｃを予め気密空間にしておいてもよい。すなわち、収容室２２ｃを形成する壁体の一部を変形可能な金属等の薄膜部材で構成し、該薄膜部材の表面を感圧面として設定するとともに、水晶板２１を、前記気密空間内において前記感圧面とほぼ垂直な姿勢で前記薄膜部材の内面に接するように配置しても構わない。このようにすれば、圧力センサ２単体で予め組み立ててしまうことが可能になる。なお、この場合は、薄膜部材の表面と突没部６の表面とを貼り付ければよい。
【００４８】
また、突没部は、例えば配管部材の外壁の一定領域を薄肉部分１１ａにして、その薄肉部分そのものが突没部として機能するようにしてもよい。
【００４９】
また、圧力センサとして、水晶板に限らず、圧電素子を用いたものや、その他の方式のものを用いて構わない。
【００５０】
その他、本発明は、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もよく、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。
【符号の説明】
【００５１】
１００、１００Ａ・・・流量測定装置
１、１Ａ・・・配管部材
１１、１１Ａ・・・外壁
１１ａ、１１ａＡ・・・薄肉部分
２、２Ａ・・・圧力センサ
２１、２１Ａ・・・水晶板
３、３Ａ・・・絞り機構
４、４Ａ・・・有底溝
６、６Ａ・・・突没部
７Ａ・・・外殻体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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