(57)【要約】【課題】上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供する。【解決手段】流路１内を流れる流体の流量を制御するための流量制御弁２と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段３と、前記流量制御弁２の上流側に配置される圧力制御弁４と、この圧力制御弁４と前記流量制御弁２との間に配置される圧力検出手段５とを備えたマスフローコントローラＤであって、前記圧力検出手段５が絶対圧力を検出するように構成してあるとともに、前記流量検出手段３が、前記流路１内を流れる流体における差圧を検出するように構成してあり、前記圧力検出手段５から出力される圧力信号Ｓｂに基づいて前記圧力制御弁４を制御し、また、前記流量検出手段３から出力される差圧信号Ｓａと前記圧力信号Ｓｂとに基づいて前記流量制御弁２を制御するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる流体の流量を制御するための流量制御弁と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段と、前記流量制御弁の上流側に配置される圧力制御弁と、この圧力制御弁と前記流量制御弁との間に配置される圧力検出手段とを備えたマスフローコントローラであって、前記圧力検出手段が絶対圧力を検出するように構成してあるとともに、前記流量検出手段が、前記流路内を流れる流体における差圧を検出するように構成してあり、前記圧力検出手段から出力される圧力信号に基づいて前記圧力制御弁を制御し、また、前記流量検出手段から出力される差圧信号と前記圧力信号とに基づいて前記流量制御弁を制御するようにしたことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項２】
前記流量検出手段が、前記流路中に配置される層流素子と、前記流路内における層流素子よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ連通流路を介して連通する差圧式センサとを備えている請求項１に記載のマスフローコントローラ。
【請求項３】
前記層流素子が、テーパ面を外面に有するテーパブロックと、このテーパブロックの外側に配置され、テーパ面を内面に有する筒状ブロックとで構成され、前記テーパブロックの位置を上流側および下流側に移動可能に構成した請求項２に記載のマスフローコントローラ。
【請求項４】
前記圧力制御弁が、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブまたはピエゾバルブである請求項１〜３のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量を制御するマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、目的とする流量を常に安定して流すことができるマスフローコントローラを開発中である（特願２００２−０８２２９７の明細書および図面参照）。
【０００３】
すなわち、前記マスフローコントローラは、流量制御弁とバイパス流路中に設けられる流量センサとを有し、さらに、前記流量制御弁の上流側に配置された圧力制御弁と、この圧力制御弁と流量制御弁との間に配置された圧力センサと、この圧力センサの出力をフィードバックすることで圧力制御弁を制御する制御部とを有している。
【０００４】
そして、前記マスフローコントローラでは、前記圧力制御弁の制御により、その入口側（上流側）における圧力変動の影響が流量制御に及ぶことを防止でき、また、前記流量制御弁の制御により、その出口側（下流側）における圧力変動の影響が流量制御に及ぶことを防止でき、従って、その上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、目的とする流量を常に安定して流すことができるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のマスフローコントローラでは、前記流量センサとしてサーマルセンサを用いていたことから、流体によっては、温度や圧力影響で比熱や粘度等の物性が変化し、この変化が、前記バイパス流路の上流側における流体の分流比に影響を及ぼし、ひいては、前記流体の流量の制御精度にまで悪影響を及ぼすおそれがあった。
【０００６】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のマスフローコントローラは、流路内を流れる流体の流量を制御するための流量制御弁と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段と、前記流量制御弁の上流側に配置される圧力制御弁と、この圧力制御弁と前記流量制御弁との間に配置される圧力検出手段とを備えたマスフローコントローラであって、前記圧力検出手段が絶対圧力を検出するように構成してあるとともに、前記流量検出手段が、前記流路内を流れる流体における差圧を検出するように構成してあり、前記圧力検出手段から出力される圧力信号に基づいて前記圧力制御弁を制御し、また、前記流量検出手段から出力される差圧信号と前記圧力信号とに基づいて前記流量制御弁を制御するようにした（請求項１）。
【０００８】
また、前記流量検出手段が、前記流路中に配置される層流素子と、前記流路内における層流素子よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ連通流路を介して連通する差圧式センサとを備えているとしてもよい（請求項２）。
【０００９】
上記の構成からなる本発明では、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することが可能となる。
【００１０】
すなわち、上記マスフローコントローラでは、その上流側において圧力変動が発生しても、圧力検出手段の出力に基づいてフィードバック制御される圧力制御弁によってその影響を確実に除去できるとともに、マスフローコントローラの下流側において圧力変動が発生しても、流量検出手段の出力に基づいてフィードバック制御される流量制御弁によってその影響を確実に除去することができる。
【００１１】
従って、マスフローコントローラの上流側および下流側のいずれにおいて圧力変動が発生しても常に安定した流量の制御を行うことができ、言い換えれば、マスフローコントローラ内に圧力調整機能があるので、流量制御弁の上流側における圧力を常に一定に保つことが可能であり、その性能を最大限に発揮することができるのである。それゆえ、流量精度および安定性も向上することとなる。
【００１２】
また、前記マスフローコントローラでは、流量検出手段として、検出した差圧から流量を導出する差圧式であることから、バイパス流路を必要とするサーマル式の流量センサを用いた場合に比して、応答速度が数ミリ秒という非常に早い高速応答を実現でき、また、流体の温度や粘性等の物性値変化に影響を受けにくく、より精度の高い測定が可能となり、ひいては、より精度の高い流量制御が可能となる。
【００１３】
さらに、前記層流素子が、テーパ面を外面に有するテーパブロックと、このテーパブロックの外側に配置され、テーパ面を内面に有する筒状ブロックとで構成され、前記テーパブロックの位置を上流側および下流側に移動可能に構成したとしてもよい（請求項３）。この場合には、前記流路内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となる。
【００１４】
また、前記圧力制御弁が、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブまたはピエゾバルブであるとしてもよい（請求項４）。すなわち、前記圧力制御弁としてシャットオフできないバルブを用いた場合には、弁のシャットオフが完全にはできないため、微少流量域での制御時には、前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間における流体の圧力が上昇し、同じく前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間に配置された圧力検出手段からの出力に基づいた圧力補正をかけたとしても、前記流量制御弁により制御される流量の精度が狂ってしまうという問題が生じる。これに対して、前記シャットオフを簡単に行えるソレノイドバルブまたはピエゾバルブを用いた場合には、微少流量域での制御時にも、前記流路の圧力制御弁と流量制御弁との間における流体の圧力の上昇を抑えることができ、前記流量制御弁により制御される流量の精度の維持が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を、図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るマスフローコントローラＤの構成を概略的に示す説明図である。
マスフローコントローラＤは、流路１が内部に形成される流路ブロックＢと、前記流路１内を流れる流体（例えば、ガス）の流量を制御するための流量制御弁２と、前記流体の流量を検出するための流量検出手段３と、前記流量制御弁２の上流側に配置される圧力制御弁４と、この圧力制御弁４と前記流量制御弁２との間に配置される圧力検出手段５と、前記流体の温度を測定するための温度測定手段Ｔと、前記流量制御弁２および圧力制御弁４を制御するための制御部Ｃとを備えている。
【００１６】
前記流路ブロックＢ内には、一端側（図１では左端側）から他端側（図１では右端側）に向けて、前記流路１の上流部分１ａと、中間部分１ｂと、下流部分１ｃとが隔てて設けられている。
【００１７】
前記上流部分１ａは、断面がほぼＬ字形状をしており、その上流端は、流路ブロックＢの一端側（左端側）に露出しており、下流端は、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出している。
【００１８】
前記中間部分１ｂは、断面がほぼコの字形状をしており、その上流端および下流端がともに、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出している。
【００１９】
前記下流部分１ｃは、断面がほぼＬ字形状をしており、その上流端は、流路ブロックＢの一側面（図１では上面）に露出しており、下流端は、流路ブロックＢの他端側（右端側）に露出している。
【００２０】
前記流量制御弁２は、例えば、ピエゾバルブを用いて構成されている。詳しくは、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた中間部分１ｂの下流端が弁座６として形成されており、前記流量制御弁２は、前記弁座６に対して近接・離間自在に当接するダイアフラム２ａと、そのアクチュエータ２ｂとを備えている。さらに、流量制御弁２は、前記ダイアフラム２ａが前記弁座６から離間した状態では、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた中間部分１ｂの下流端（弁座６）およびこの中間部分１ｂの下流端の近傍に配置された下流部分１ｃの上流端を、互いに連通させ、かつ両者を外部から隔離する状態で閉塞するように構成されている。
【００２１】
そして、前記流量制御弁２では、上流側からの流体を下流側へと導出する開口が形成された前記中間部分１ｂの下流端（弁座６）に対して、前記ダイアフラム２ａが近接・離間することにより、前記中間部分１ｂの下流端から下流側へ導出される流体の流量が制御されることとなる。
【００２２】
前記流量検出手段３は、前記流路１内を流れる流体における差圧を検出するように構成されており、詳しくは、前記流路１（本実施例では流路１の中間部分１ｂ）中に配置される層流素子７と、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ連通流路８，９を介して連通する差圧式センサ１０とを備えている。
【００２３】
前記層流素子７は、前記流路１を絞る流路絞り手段ともなるものでもあり、一端側ほど細くなる（例えば、下流側ほど細くなる）テーパ面を外面に有するテーパブロック７ａと、このテーパブロック７ａの外側に配置され、一端側ほど細くなる（例えば、下流側ほど細くなる）テーパ面を内面に有する筒状ブロック７ｂとで構成されている。そして、流路１内にその上流側から導入され、流路１内を経て、さらにその下流側へと導出される流体が、前記層流素子７におけるテーパブロック７ａと筒状ブロック７ｂとの間を必ず通るように構成されている。
【００２４】
また、前記テーパブロック７ａは、その位置を上流側および下流側に移動可能に構成してあり、これにより、流路１内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となっている。
【００２５】
図２は、前記差圧式センサ１０の構成を概略的に示す説明図である。
前記差圧式センサ１０は、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側および下流側の位置に前記連通流路８，９を介して連通する空間１１を形成するブロック体１２と、このブロック体１２内に配置されるとともに、前記空間１１を２つの空間１３，１４に隔て、一方の空間１３を、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側の位置に前記連通流路８を介して連通する上流側空間１３とし、他方の空間１４を、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも下流側の位置に前記連通流路９を介して連通する下流側空間１４とするダイアフラム１５と、このダイアフラム１５から適宜の間隔をあけて前記下流側空間１４内に配置される固定電極１６と、この固定電極１６を保持するための保持体１７と、前記固定電極１６に一端が固定され、他端に電圧が加えられる導電線１８とを備えている。
【００２６】
前記ダイアフラム１５は、例えば、ステンレスなどの金属薄膜からなり、１０μｍ程度の厚みを有している。
【００２７】
前記固定電極１６は、例えば、セラミックからなる薄板体の表面にスパッタリングなどによりＡｕの膜を形成してなるものである。
【００２８】
前記保持体１７には、この保持体１７を貫く方向における流体の移動を許容するための貫通孔１７ａが複数設けられている。
【００２９】
前記導電線１８は、例えば、ステンレスからなり、他端には１００Ｖの電圧が印加される。
【００３０】
上記の構成からなる差圧式センサ１０では、前記流路１（中間部分１ｂ）内の流体において、層流素子７よりも上流側および下流側の位置における圧の差が、前記ダイアフラム１５の弾性変形となって現れることとなる。そして、ダイアフラム１５の弾性変形（図２中の破線参照）により、ダイアフラム１５−固定電極１６間における静電容量が変化するのであり、この変化量は、前記流路１（中間部分１ｂ）内における層流素子７よりも上流側および下流側の位置における圧の差に対応するものとなっている。また、このとき、前記静電容量の変化量は、差圧信号Ｓａとして前記制御部Ｃに入力されることとなる。
【００３１】
前記圧力制御弁４は、例えば、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブを用いて構成されている。詳しくは、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた上流部分１ａの下流端が弁座１９として形成されており、前記圧力制御弁４は、前記弁座１９に対して近接・離間自在に当接するバルブ基体４ａと、そのアクチュエータ４ｂとを備えている。さらに、圧力制御弁４は、前記バルブ基体４ａが前記弁座１９から離間した状態では、前記流路ブロックＢの一側面（上面）に設けられた上流部分１ａの下流端（弁座１９）およびこの上流部分１ａの下流端の近傍に配置された中間部分１ｂの上流端を、互いに連通させ、かつ両者を外部から隔離する状態で閉塞するように構成されている。
【００３２】
そして、前記圧力制御弁４では、上流側からの流体を下流側へと導出する開口が形成された前記上流部分１ａの下流端（弁座１９）に対して、前記バルブ基体４ａが近接・離間することにより、前記上流部分１ａの下流端から下流側へ導出される流体の流量が制御されることとなる。
【００３３】
前記圧力検出手段５は、例えば、絶対圧力計であり、前記圧力制御弁４と流量検出手段３との間における流体の絶対圧力を検出するように構成してある。なお、本実施例では、前記圧力検出手段５は、前記流路１の中間部分１ｂの上流部を形成する壁面に埋設されている。そして、前記圧力検出手段５により検出した絶対圧力は、圧力信号Ｓｂとして前記制御部Ｃに入力されることとなる。
【００３４】
前記温度測定手段Ｔは、前記流路１の中間部分１ｂの前記層流素子７の上流側および下流側の位置にそれぞれ配置された温度センサＴａおよびＴｂを備えており、前記流路１の中間部分１ｂの前記層流素子７の上流側および下流側の位置における流体の温度を検出し、その温度を温度信号（図示せず）として前記制御部Ｃに入力するように構成されている。
【００３５】
前記制御部Ｃは、前記流量制御信号Ｓｆを出力して前記流量制御弁２をフィードバック制御する流量制御部Ｃｆと、前記流量制御信号Ｓｐを出力して前記圧力制御弁４をフィードバック制御する圧力制御部Ｃｐと、制御しようとする流体１の流量および圧力の設定値や、前記流量検出手段３，圧力検出手段５，温度測定手段Ｔにより検出・測定されたそれぞれの値を表示する表示部（図示せず）と、外部とのインターフェースＩとを備えている。
【００３６】
前記流量制御部Ｃｆは、前記流量検出手段３からの差圧信号Ｓａと、前記圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂと、前記温度測定手段Ｔからの温度信号と、予め入力されている流量の設定値とに基づいて流量制御信号Ｓｆを形成し、これを前記流量制御弁２に出力するように構成されている。
【００３７】
なお、本実施例では、前記温度測定手段Ｔから制御部Ｃ（流量制御部Ｃｆ）に入力される温度信号は、２つの温度センサＴａ，Ｔｂからの温度信号であり、２つの温度信号を平均化することにより用いるようにしている。
【００３８】
前記圧力制御部Ｃｐは、前記圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂと、予め入力されている圧力の設定値とに基づいて圧力制御信号Ｓｐを形成し、これを前記圧力制御弁４に出力するように構成されている。
【００３９】
前記インターフェースＩは、前記流量検出手段３，圧力検出手段５，温度測定手段Ｔにより検出・測定されたそれぞれの値を外部に出力可能としている。
【００４０】
そして、前記流量制御部Ｃｆからの流量制御信号Ｓｆにより、前記弁座６に対する前記流量制御弁２のダイアフラム２ａの距離が調整され、これにより、前記弁座６が形成されている流路１の中間部分１ｂの下流端からその下流側へと導出される流体の流量が設定流量となるように制御されることとなる。
【００４１】
また、前記圧力制御部Ｃｐからの圧力制御信号Ｓｐにより、前記弁座１９に対する前記圧力制御弁４のバルブ基体４ａの距離が調整され、これにより、前記弁座１９が形成されている流路１の上流部分１ａの下流端からその下流側へと導出される流体の流量が調整され、前記流路１の圧力制御弁４と流量制御弁２との間における流体の圧力が設定圧力となるように制御されることとなる。
【００４２】
上記の構成からなるマスフローコントローラＤでは、圧力制御弁４の下流側における圧力が設定した圧力となるように、圧力制御部Ｃｐにより圧力制御弁４をフィードバック制御するように構成してあるので、たとえマスフローコントローラＤの入口側（上流側）の圧力が何らかの影響によって変動することがあっても、マスフローコントローラＤは安定した制御を行うことができる。また、流量制御弁２の下流側における流量が設定した流量となるように、流量制御部Ｃｆにより流量制御弁２をフィードバック制御するように構成してあるので、マスフローコントローラＤの出口側（下流側）の圧力が変動してもその影響を受けることがない。従って、上記の構成からなるマスフローコントローラＤでは、その前段に従来のような調圧器を設ける必要がなくなることとなる。
【００４３】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記圧力制御弁４よりも下流側における流体の圧力を所定の圧力に保つようにしてあり、これにより、圧力制御弁４の下流側にある流量検出手段３による流量の検出をより正確に行えることが可能となっている。
【００４４】
さらに、圧力制御弁４と流量検出手段３とを並べて配置し、その間に位置する流路１の中間部分１ｂをできるだけ短くし、これにより、圧力制御弁４と圧力検出手段５との距離ができるだけ短くなるように構成しているので、圧力制御弁４に出力される圧力制御信号Ｓｐに対する圧力制御弁４の下流側における圧力の調整の時間的な遅れが可及的に小さくなり、ひいては、前記流量検出手段３における圧力の変動を可及的に小さくすることができる。
【００４５】
また、前記圧力検出手段５を、流路１中の圧力制御弁４と流量検出手段３との間において（流路１の中間部分１ｂにおいて）、できるだけ流量検出手段３に近い位置に配置することにより、乱流などの影響の少ない圧力を前記圧力検出手段５により検出させることができ、それだけ、マスフローコントローラＤによる流量の制御精度および安定性を向上させることが可能となっている。
【００４６】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記流量検出手段５として差圧式センサ１０を用いていることから、サーマル式の流量センサを用いた場合に比して、応答速度が数ミリ秒という非常に早い高速応答を実現でき、また、流体の温度や粘性等の物性値変化に影響を受けにくく、より精度の高い測定が可能となり、ひいては、より精度の高い流量制御が可能となる。
【００４７】
また、前記マスフローコントローラＤでは、前記圧力制御弁４としてシャットオフ機能をもつソレノイドバルブを用いていることから、以下のような効果が得られる。すなわち、シャットオフできないバルブを用いた場合には、弁のシャットオフが完全にはできないため、微少流量域での制御時には、前記流量制御弁２の上流側（中間部分１ｂ内）における流体の圧力が上昇し、中間部分１ｂ内に配置された圧力検出手段５からの圧力信号Ｓｂに基づいた圧力補正をかけたとしても、前記流量制御弁２により制御される流量の精度が狂ってしまうという問題が生じる。これに対して、前記シャットオフを簡単に行えるソレノイドバルブを用いた場合には、微少流量域での制御時にも、前記流量制御弁２の上流側（中間部分１ｂ内）における流体の圧力の上昇を抑えることができ、前記流量制御弁２により制御される流量の精度の維持が可能となる。なお、前記圧力制御弁４として、シャットオフ機能をもつソレノイドバルブに代えて、シャットオフ機能をもつピエゾバルブを用いてもよい。
【００４８】
また、前記マスフローコントローラＤでは、層流素子７としてテーパブロック７ａを用い、このテーパブロック７ａを上流側および下流側に移動させて自在に位置決めできるように構成してあることから、流路１内を流れる流体の流量範囲を容易に変えることが可能となっている。
【００４９】
【発明の効果】
上記の構成からなる本発明によれば、上流側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても安定した流量制御を行え、また、バイパスによる分流比に影響されない制御方式である圧力式を採用することで、より高精度な流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るマスフローコントローラの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】上記実施例における差圧式センサの構成を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…流路、２…流量制御弁、３…流量検出手段、４…圧力制御弁、５…圧力検出手段、Ｄ…マスフローコントローラ、Ｓａ…差圧信号、Ｓｂ…圧力信号。
【図１】
2004157719.tif 000003
【図２】
2004157719.tif 000004