(57)【要約】【課題】直線性の確保できる領域を拡大させてフルスケールを広げ、また高感度に流量を検知できるといった、熱式質量流量センサを提供する。【解決手段】試料ガスが流れる中空細管１と、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Ｋから成り且つ前記中空細管１の上流側及び下流側にそれぞれ巻き付けて成る上流側コイル２ａ及び下流側コイル２ｂとを具備し、前記両コイル２の抵抗値変化に基づいて、前記中空細管１を流れる試料ガスの流量を検知するようにした熱式質量流量センサＡであって、前記両コイル２が、それぞれの両端部のうち各コイル２が合い寄る内側の所定領域Ｘに、その外側領域Ｙよりも前記感熱抵抗体Ｋの単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部Ｔを具備するようにした。【選択図】図６
2008107146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスが流れる中空細管と、
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から成り且つ前記中空細管の上流側及び下流側にそれぞれコイル状に巻き付けて成る上流側センサ部及び下流側センサ部とを具備し、
前記両センサ部の抵抗値変化に基づいて、前記中空細管を流れる試料ガスの流量を検知するようにした熱式質量流量センサであって、
前記両センサ部が、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側の所定領域に、その外側領域よりも前記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具備していることを特徴とする熱式質量流量センサ。
【請求項２】
各多数巻部が、各センサ部の内側端から設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱式質量流量センサ。
【請求項３】
一本の感熱抵抗体のうち前記中空細管の外周に所定幅で巻き付けて成る１段目の巻線部と、
前記一本の感熱抵抗体のうち前記１段目の巻線部に巻き付けた残りの感熱抵抗体の全部または一部を前記１段目の巻線部に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る多段目の巻線部とを具備し、
前記多数巻部が、前記多段目の巻線部により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱式質量流量センサ。
【請求項４】
前記多段目の巻線部の巻幅を、前記１段目の巻線部の巻幅の１／２以下に設定していることを特徴とする請求項３記載の熱式質量流量センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか記載の熱式質量流量センサと、
試料ガスが流れる流路に設けた流量制御バルブと、
前記熱式質量流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの弁開度を制御する制御部と、を具備して成ることを特徴とするマスフローコントローラ。
【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熱式質量流量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料ガスの流れ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と下流側センサ部とを備えたセンサ部を具備する熱式質量流量センサが知られている。
【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、２つのコイル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、両センサ部に対して設けた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）。
【特許文献１】特許公開平７−２７１４４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の構成では、例えば、センサ感度を上げたり、フルスケール（ＦＳ）レンジを広げたりするためにセンサ部（コイル）全体の平均温度を上げると、ガス種によっては化学反応しやすいといった問題点を有している。
【０００６】
また、従来のようにセンサ部全体に亘って単位長さ当たりの巻数が同じものでは、そのセンサ部によって中空細管の平均温度を上げた場合、平均温度を上げた後の中空細管の温度分布（図１３（Ｊｂ））と平均温度を上げる前の中空細管の温度分布（図１３（Ｊａ））とを比べても、温度分布の中央に現れるピークの鋭さはほとんど変わらず、微小な変化を好適に検知することは困難であり、センサ感度を向上できるとは言い切れない。
【０００７】
また、特に低蒸気圧ガスの流量を精度良く検知するには、上流側感熱抵抗体及び下流側感熱抵抗体間に生じる温度差に対する流量変化の直線性（以下、「直線性」と略す）を確保できる流量を、センサ部へ流す必要があり（直線性の確保できる流量をセンサ部へ流すフルスケール流量とすることを初段制限という）、他の試料ガスを検知する場合に比べ、フルスケールが制限され、また、センサ感度が低下するといった問題点を有している。
【０００８】
このようなことは、上述した定電流型制御の場合に限らず、定温度型制御の場合において、電力差に対する流量変化の直線性及び微小な変化の検出を行う場合も同様に問題となっている。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、直線性の確保できる領域を拡大させてフルスケールを広げ、また高感度に流量を検知できるといった、熱式質量流量センサを提供し、また、マスフローコントローラに採用した場合にあっては、フルスケールを広げ、さら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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明に係る熱式質量流量センサは、試料ガスが流れる中空細管と、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から成り且つ前記中空細管の上流側及び下流側にそれぞれコイル状に巻き付けて成る上流側センサ部及び下流側センサ部とを具備し、前記両センサ部の抵抗値変化に基づいて、前記中空細管を流れる試料ガスの流量を検知するようにした熱式質量流量センサであって、前記両センサ部が、それぞれの両端部のうち各センサ部が合い寄る内側の所定領域に、その外側領域よりも前記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具備していることを特徴とする。
【００１１】
ここで、「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。
【００１２】
このようなものによれば、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、直線性（上流側センサ部及び下流側センサ部間に生じる温度差（電力差）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。
【００１３】
一方、各センサ部の内側の所定領域に設けた多数巻部により、図１０のＨａに示すように、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。
【００１４】
また、特に、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しく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フルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。
【００１５】
中空細管中央に現れる温度分布のピークを鋭くさせるには、各多数巻部が、各センサ部の内側端から設けられていることが好ましい。
【００１６】
本発明の多数巻部の望ましい態様としては、一本の感熱抵抗体のうち前記中空細管の外周に所定幅で巻き付けて成る１段目の巻線部と、前記一本の感熱抵抗体のうち前記１段目の巻線部に巻き付けた残りの感熱抵抗体の全部または一部を前記１段目の巻線部に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る多段目の巻線部とを具備し、前記多数巻部が、前記多段目の巻線部により構成されているものが挙げられる。
【００１７】
本発明の望ましい態様としては、前記多段目の巻線部の巻幅を、前記１段目の巻線部の巻幅の１／２以下に設定しているものが挙げられる。
【００１８】
ところで、フルスケールを広げ、高精度な流量制御を実現できるマスフローコントローラを提供するには、このマスフローコントローラが、上述した熱式質量流量センサと、試料ガスが流れる流路に設けた流量制御バルブと、前記熱式質量流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブの弁開度を制御する制御部と、を具備して成ることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明に係る熱式質量流量センサは、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、直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。
【００２０】
一方、各センサ部の内側の所定領域に設けた多数巻部により、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。
【００２１】
また、特に、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しく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フルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
本実施形態の熱式質量流量センサＡは、図１に模式図を示すように、中空細管１と、この中空細管１の上流側及び下流側にそれぞれ設けられた上流側センサ部としての上流側コイル２ａ及び下流側センサ部としての下流側コイル２ｂ（以下、「コイル２」と総称する）とを具備し、試料ガスＧの瞬時流量がコイル２によって電気信号（抵抗値）として検出された後、内部電気回路３（ブリッジ回路３１、増幅回路３２、補正回路３３）によってその電気信号が増幅等されて、検出流量に応じた値を有するセンサ出力信号として出力されるようにしたものである。以下、各部について、具体的に説明する。
【００２４】
中空細管１は、長手方向に各部略等断面形状を有するステンレス製のものであって、本実施形態では、逆Ｕ字状を成すようにしてベース４に立設させている。なお、実施態様に応じて、該中空細管１の内径寸法および外径寸法を変更することができ、また、他の素材を用いて形成することもできる。また、中空細管１を支持するベース４を、省略した構成とすることもできる。
【００２５】
上流側コイル２ａ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Ｋを巻きつけて成るものであって、本実施形態では、図２に示すように、両端部のうち下流側コイル２ｂ側の所定領域Ｘ（換言すると、各コイル２が合い寄る内側の所定領域Ｘ）に、その外側領域Ｙよりも感熱抵抗体Ｋの単位長さ当たりの巻数を多くした多数巻部としての多重巻部Ｔを具備して成る。
【００２６】
具体的に本実施形態では、この多重巻部Ｔを、１段目の巻線部ｍ１に対して２重巻きした２段目の巻線部ｍ２に設定している。
【００２７】
ここで、１段目の巻線部ｍ１は、一本の感熱抵抗体Ｋのうち前記中空細管１の外周に所定幅で巻き付けて成るものである。
【００２８】
また、２段目の巻線部ｍ２は、前記一本の感熱抵抗体Ｋのうち前記１段目の巻線部ｍ１に巻き付けた残りの感熱抵抗体Ｋの全部を、該１段目の巻線部ｍ１の内側端ｍ１１から外側端ｍ１２に向けて該１段目の巻線部ｍ１の外周に前記所定幅よりも幅狭（１／１０程度）で巻き付けて成るものである。
【００２９】
下流側コイル２ｂは、上流側コイル２ａに用いた感熱抵抗体Ｋと同じ感熱抵抗体Ｋを、中心線ＣＬで対称にして巻きつけて成るものであって、本実施形態では、両端部のうち上流側コイル２ａ側の所定領域Ｘ（換言すると、各コイル２が合い寄る内側の所定領域Ｘ）に、その外側領域Ｙよりも感熱抵抗体Ｋの単位長さ当たりの巻数を多くした多重巻部Ｔを具備して成る。なお、該下流側コイル２ｂの多重巻部Ｔの構成は、上流側コイル２ａの多重巻部Ｔの構成と同様としている。
【００３０】
以下、コイル２を構成する１段目の巻線部ｍ１および２段目の巻線部ｍ２の役割（センサ感度特性に対する影響、直線性に対する影響）を明らかにするためにＣＡＥ解析によるシミュレーションを行った。その結果を、図３〜図５に示しながら、各巻線部の役割を説明する。
【００３１】
なお、シミュレーションは、コイル２の平均温度を一定とし、試料ガスとしてはＣ４Ｆ８を用いている。また、巻線仕様等の条件は、図３〜図５中に明示している場合を除き、次の条件とした。
【００３２】
＜Ｃ４Ｆ８＞
分子量：２００ｇ
密度（７６０Ｔｏｒｒ（２１．１度））：８．６６ｋｇ／ｍ３
定圧比熱（７６０Ｔｏｒｒ（２１．１度））：１５９Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）
熱伝導比熱（７６０Ｔｏｒｒ（２１．１度））：０．０１０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）
粘性率（７６０Ｔｏｒｒ（２１．１度））：０．０１２ｍＰａ・ｓ
【００３３】
（１）１段目の巻幅を「変化」させ、２段目の巻幅を「固定」した場合のシミュレーション結果を、図３に示す。
【００３４】
ここで、図３において、横軸は試料ガスＣ４Ｆ８の流量を示し、縦軸は、上流側コイル２ａと下流側コイル２ｂ中央とがつくる平均の温度差を示している。なお、試験パラメータ以外の条件を均一に揃えるため、この温度差は正規化された温度差をとっている。
【００３５】
図３から解るように、２段目の巻幅を固定としながら１段目の巻幅を多くしても、感度変化に大きな変化が現れないことが解る。すなわち、センサ感度特性については、２段目の巻線部ｍ２の巻幅が支配的であると考えられる。
【００３６】
（２）１段目の巻幅を「固定」し、２段目の巻幅を「変化」させた場合のシミュレーション結果を、図４に示す。
【００３７】
ここで、図４において、横軸および縦軸は図３と同様としている。
【００３８】
図４から解るように、１段目の巻幅を固定としながら２段目の巻幅を多くしても、直線性変化が少ないことが解る。すなわち、直線性については、１段目の巻線部ｍ１が支配的であると考えられる。
【００３９】
（３）１段目、２段目の巻幅を略等しくした場合（巻線仕様Ｉ）と、１段目の巻幅を２段目の巻幅の約８．３倍とした場合（巻線仕様ＩＩ）とを比較したシミュレーション結果を、図５に示す。
【００４０】
ここで、図５において、横軸および縦軸は図３と同様としている。
【００４１】
図５から解るように、巻線仕様ＩＩが巻線仕様Ｉに比べ、直線性が優れていることがわかる。
【００４２】
（４）次に、２段目の巻線部ｍ２の１段目の巻線部ｍ１に対する配置位置を変化させたとき（図６〜図８）の影響を明らかにするためにＣＡＥ解析によるシミュレーションを行った。その結果を、図９に示しながら、各巻線部の役割を説明する。
【００４３】
なお、シミュレーション条件は上述の条件と同様としている。
【００４４】
図６は、本実施形態に係る配置であり、２段目の巻線部ｍ２を、１段目の巻線部ｍ１におけるコイル２が合い寄る側である内側端部（換言すると各コイル２の「両内」）に配置した態様を示す図である。
【００４５】
図７は、本実施形態との比較例に係る配置であり、２段目の巻線部ｍ２を、１段目の巻線部ｍ１の中央に配置した態様を示す図である。
【００４６】
図８は、本実施形態との比較例に係る配置であり、２段目の巻線部ｍ２を、１段目の巻線部ｍ１におけるコイル２が合い寄らない側である外側端部（換言すると各コイル２の「両外」）に配置した態様を示す図である。
【００４７】
図９において、横軸および縦軸は図３と同様としている。
【００４８】
図９から解るように、２段目の巻線部ｍ２を、１段目の巻線部ｍ１におけるコイル２が合い寄る側である「両内」に配置した場合が、他の２つの場合に比べ、上流側コイル２ａと下流側コイル２ｂと温度差を大きくとれるので、センサ感度を向上できることが解る。
【００４９】
したがって、本実施形態に係る熱式質量流量センサＡによれば、各コイル２の外側領域Ｙに巻き付けた感熱抵抗体Ｋにより、中空細管１内に流れる試料ガス中の分子に対して、効率的に直線性の確保に必要な熱量を与えることができる。
【００５０】
一方、各コイル２の内側の所定領域Ｘに設けた多数巻部Ｔにより、図１０のＨａに示すように、コイル２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。
【００５１】
このように、センサ部（コイル２）全体の平均温度を無用に上げることなく中空細管１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できるため、例えば、低蒸気圧ガスのように初段制限が必要で厳しく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フルスケールを拡げ、且つセンサを高感度化できるため、良好に流量を検知できる。
【００５２】
また、各多数巻部としての多重巻部Ｔを、各コイル２の内側端から設けているので、中空細管１中央に現れる温度分布のピークを鋭くできる。
【００５３】
また、一本の感熱抵抗体Ｋのうち前記中空細管１の外周に所定幅で巻き付けて成る１段目の巻線部ｍ１と、前記一本の感熱抵抗体Ｋのうち前記１段目の巻線部ｍ１に巻き付けた残りの感熱抵抗体Ｋの全部または一部を前記１段目の巻線部ｍ１に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けて成る２段目の巻線部ｍ２とを具備し、多数巻部Ｔを、２段目の巻線部ｍ２により構成しているため、簡単に製造できるうえ、所定幅で巻き付けた１段目の巻線部ｍ１により中空細管１内に流れる試料ガス中の分子に対して直線性の確保に必要な熱量を与えながら、その１段目の巻線部ｍ１に重ねて前記所定幅よりも幅狭で巻き付けた２段目の巻線部ｍ２によりコイル２全体の温度分布に現れる中央のピークを、好適に鋭くすることができる。このように、直線性を確保してフルスケールを広げつつ、センサの高感度化を図ることができる。
【００５４】
しかして、熱式質量流量センサＡを、マスフローコントローラに組み込めば、熱式質量流量センサＡにより、直線性の確保できる領域を拡大させてフルスケールを広げ、また高感度に流量を検知できるため、マスフローコントローラとしてのフルスケールを広げ、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を提供することができる。
【００５５】
この熱式質量流量センサＡを組み込むマスフローコントローラＢの具体的態様としては、例えば、図１１に示すように、流路の途中で中空細管Ｒ１（この中空細管Ｒ１に熱式質量流量センサＡのコイル２が巻き付けられる）及びバイパスＲ２に分流された後再び合流して一本の流路になるガス流路Ｒと、合流点Ｒｘより下流側のガス流路Ｒ上に設けた流量制御バルブＶと、熱式質量流量センサＡの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御バルブＶの弁開度を制御する制御部Ｃと、を具備して成るものが挙げられるが、これに限られるものではない。
【００５６】
なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
【００５７】
例えば、２段目の巻線部ｍ２を、１段目の巻線部ｍ１におけるコイル２が合い寄る側である内側端ｍ１１から設けているが、図１２に示すように、この内側端ｍ１１から外側へオフセットした位置Ｘｏｆｆから設けるようにしても良い。
【００５８】
また、２段目の巻線部ｍ２の巻幅は、本実施形態のものに限られず、例えば、１段目の巻線部ｍ１の巻幅に対して約半分程度にすることができる。
【００５９】
また、感熱抵抗体Ｋの巻付間隔を一定としながら各コイル２の内側の所定領域Ｘのみを、３段以上にしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、感熱抵抗体Ｋの巻付間隔を一定としながら各コイル２の内側の所定領域Ｘのみを２段に巻き付けることでその内側の所定領域Ｘにおける巻数をその外側領域Ｙのものよりも多くしているが、例えば、巻き付ける段数を１段としながら各コイル２の内側の所定領域Ｘにおける巻付間隔を、その外側領域Ｙの巻付間隔よりも狭めることで、その内側の所定領域Ｘにおける巻数を多くしてもよい。
【００６１】
また、各コイル２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。
【００６２】
また、本発明の熱式質量流量センサは、上述した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。
【００６３】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式質量流量センサを示す模式図。
【図２】同実施形態におけるコイルを模式的に示す図。
【図３】同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。
【図４】同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。
【図５】同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。
【図６】同実施形態における２段目の巻線部の配置態様を模式的に示す図。
【図７】図６の配置態様と比較するための異なる配置態様を模式的に示す図。
【図８】図６の配置態様と比較するための異なる配置態様を模式的に示す図。
【図９】図６〜図８に示す２段目の巻線部の配置態様についてのシミュレーション結果を示す図。
【図１０】同実施形態におけるセンサ感度を説明する図。
【図１１】同実施形態における熱式質量流量センサを採用したマスフローコントローラを示す模式図。
【図１２】本発明の他の実施形態における２段目の巻線部の配置態様を模式的に示す図。
【図１３】従来の構成のセンサ感度を説明する図。
【符号の説明】
【００６５】
１・・・・・中空細管
２・・・・・センサ部（コイル）
２ａ・・・・上流側センサ部（上流側コイル）
２ｂ・・・・下流側センサ部（下流側コイル）
Ａ・・・・・熱式質量流量センサ
Ｂ・・・・・マスフローコントローラ
Ｇ・・・・・試料ガス
Ｋ・・・・・感熱抵抗体
ｍ１・・・・１段目の巻線部
ｍ２・・・・２段目の巻線部
ｍ１１・・・内側端
Ｔ・・・・・多数巻部（多重巻部）
Ｘ・・・・・内側の所定領域
Ｙ・・・・・外側領域
【図１】
2008107146.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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