(57)【要約】【課題】各種流体のフローセンサに関し、測定対象の種類を問わず、流体に物理的・化学的な影響を与えることなく、正確な微少流量の測定を可能とするフローセンサや流量測定装置を提供することにある。【解決手段】流体流量を測定するセンサであって、曲面を有する流路と、該流路を二分するように設けられた可動膜と、可動膜と対をなし、曲面を流体が通過する時に発生する圧力により生じる可動膜の変位を検出する検出端を設けたことを特徴とする。特に、流路、可動膜および検出端が一体に構成され、検出端により検出した可動膜の変位を流量の変化に換算する演算手段を備えていることが好適である。また、流路中または流路近傍に温度測定手段または圧力測定手段を設けられていることが好適である。【選択図】    図１
2004191170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流量を測定するセンサであって、曲面を有する流路と、該流路を二分するように設けられた可動膜と、該可動膜と対をなし、前記曲面を流体が通過する時に発生する圧力により生じる可動膜の変位を検出する検出端を設けたことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記流路、可動膜および検出端が一体に構成され、前記検出端により検出した前記可動膜の変位を流量の変化に換算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記流路中または流路近傍に温度測定手段または圧力測定手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のフローセンサ。
【請求項４】
流体に対し、所定の周期で前記二分された流路のいずれかに流路を切換えるための切換手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種流体のフローセンサに関するもので、特に定濃度発生装置など該流体の流通経路に挿入可能なフローセンサまたは流量測定装置に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種製造プロセスや計測装置、例えば半導体製造装置や排気ガス測定装置などには多くのフローセンサが使用されており、その用途も多岐に渡っている。従って、その種類も大型から超小型のセンサまで多種多様であるとともに、各プロセスの制御に関し中心的機能を果たすものも多く、測定精度など要求仕様も様々であることから多くの測定原理を利用したフローセンサや流量測定装置が実用化されている。具体的には、例えば、熱線式マスフローセンサやコリオリ式フローセンサなどが挙げられ、前者は非常に簡単な構成で直線性にも優れた特性を有するといった利点があり、後者は流体の種類を問わず直接測定が可能であるといった利点がある、といったようにそれぞれの特性に見合った適用がされている。特に、昨今半導体製造装置等では、腐食性が強く、かつ化学的・物理的に不安定ない物質を定流量で供給することが多く、そのモニターとしては、耐食性とともに流体に対し圧力損失や温度変化等影響を与えることのないフローセンサが要求されている。
【０００３】
こうした要求に合致したフローセンサの１つとして、従来から流体の曲面通過時に発生する圧力から該流体流量を測定するセンサが提案され、実用化されている。例えば、環状ループの内側半径区域と外側半径区域の圧力差測定手段を有する多相流体流量計が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、同様に、円弧状に湾曲した測定用流路を備え、その大径側と小径側に設けられた一対の検出孔を介して設けられた半導体トランスデューサによって圧力差を検出する流量検出器が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５３−１１６８６６号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１６１４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で述べたフローセンサや流量測定装置では、以下のような課題が生じることがある。
【０００６】
例えば、上記の熱線式マスフローセンサでは、一般にバイパスラインを追加してセンサを設ける構造が多く採られるが、バイパスが細管で障害が生じやすく、流体がセンサ加熱部に接することなり流体自体の変質のおそれや流体との高温下での反応によるセンサの劣化のおそれがある。また、コリオリ式フローセンサでも、バイパスを用いることが多く同様の問題を抱えるとともに、大掛かりで高価な装置になりがちである。
【０００７】
また、上記の流体の曲面通過時に発生する圧力から該流体流量を測定するセンサにあっても、測定対象が気体の場合などでは、圧力差は非常に微圧となり、通常のトランスデューサなどでは検出感度が低く測定精度が悪く、十分な管理制御ができないことが多い。
【０００８】
さらには、上記のいずれについても、流体が高温の場合にはセンサの構造上使用することができない場合も多く、特に腐食性の流体では、そのシールは非常に難しくなる。また、バイパスラインや圧力差検出のための配管引出し部においては、流体が滞留する構造となることが多く、センサの応答だけではなくプロセス自体の応答に悪影響を及ぼすこととなる。また、差圧計を含めた局部的な堆積物の発生も無視できなくなる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、測定対象の種類を問わず、流体に物理的・化学的な影響を与えることなく、正確な微少流量の測定を可能とするフローセンサや流量測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すフローセンサまたは流量測定装置により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
本発明は、流体流量を測定するセンサであって、曲面を有する流路と、該流路を二分するように設けられた可動膜と、該可動膜と対をなし、前記曲面を流体が通過する時に発生する圧力により生じる可動膜の変位を検出する検出端を設けたことを特徴とする。こうしたフローセンサによって、非常に簡単な構造ではあるが微少な圧力変化を取り出すことができ、気体を対象とするような場合であっても十分な検出感度の流量測定が可能となるともに、流体の滞留箇所がなくなり応答遅れや堆積物の発生を防止することができる。
【００１２】
特に、前記流路、可動膜および検出端が一体に構成され、前記検出端により検出した前記可動膜の変位を流量の変化に換算する演算手段を備えていることが好適である。こうした構成によって、プロセス上で実際に測定を必要とする部位に、簡便にフローセンサを設けて流量測定信号を得ることができ、プロセスの制御を的確かつ迅速に行うことができる。
【００１３】
また、前記流路中または流路近傍に温度測定手段または圧力測定手段を設けるが好適である。流体温度を知ることで、一般に高温を維持される流体であって立ち上がりや制御の切換時に生じる流体温度の変化を、正確に管理・制御することができると同時に、フローセンサが受ける温度影響を的確に補正することができる。また、流体の圧力を知ることで、流体の密度を算出することから正確な質量流量を求めることができる。
【００１４】
また、流体に対し、所定の周期で前記二分された流路のいずれかに流路を切換えるための切換手段を設けることが好適である。こうした構造を有するセンサ部を用いることで、可動膜の位置に関係なく、可動膜に対する圧力、つまり、流量そのものを交流信号として取り出すことができ、いわゆるオフセットのない安定な検出信号を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
本発明は、流体流量を測定するセンサであって、曲面を有する流路と、該流路を二分するように設けられた可動膜と、該可動膜と対をなし、前記曲面を流体が通過する時に発生する圧力により生じる可動膜の変位を検出する検出端を設けたことを特徴とする。流体が曲面を通過する時に発生する遠心圧力を可能膜に受け、膜の変動分を検出端で測定し、圧力変化を流量変化に換算することで流体の流量を測定することができる。
【００１７】
一般的に、流体が曲管を通過する時、流体は壁に沿って流れる向きが変えるが、その際、壁面には遠心圧力を生じる。つまり、曲管の外周面には遠心圧力が加わるとともに、内周面には負の遠心圧力が働くこととなるため、管路の壁面に沿って配置した可動膜には差動的に遠心圧力のみが加わり変位することになる。このとき、可動膜の変位は流体の曲管部における遠心圧力のみに比例することになる。ここで、遠心圧力をＰとすると、以下の式１が成り立つ。
Ｐ＝ｋ＊ρ＊ｖ２／ｒ      …（式１）
ここで、ρは流体密度、ｖは流体速度、ｒは曲管部の曲率半径、ｋは比例定数を示す。
従って、曲管の内径を２ｄとして、流体の流量Ｑを求めると、以下の式２となる。
Ｑ＝２πｄ２＊ｖ＝２πｄ２√（Ｐ＊ｒ／ｋ＊ρ）      …（式２）
【００１８】
また、式１から判るように、流量測定に際しては、遠心圧力が大きいほど検出感度が高くなるため、検出感度を上げるには、構造的に（１）流体速度を上げること、つまり、曲管の内径（２ｄとする）を小さくすること、（２）曲率半径を小さくすること、が考えられる。
【００１９】
このとき、流路、可動膜および検出端が一体に構成され、検出端により検出した可動膜の変位を流量の変化に換算する演算手段を備えていることが好適である。つまり、こうした構成によって、プロセス上の任意の測定点にフローセンサを設けることができとともに、上記式２に基づいて演算手段に入力されたセンサ出力を換算し、非常に精度の高い流量測定信号を得ることができる。なお、流体の密度を流体の圧力・流体温度等から演算し、流量と乗算することで質量流量の算出が可能となり、半導体プロセス等において要求される処理物質の質量制御を正確に行うことができることとなる。
【００２０】
図１は、本発明の第１の構成例を示す。具体的には、構成部材としてのセンサブロック１に設けられた流路入口２から導入された試料流体が可動膜３によって二分された流路（外周流路５と内周流路６とから成る）を経由して流路出口７から導出される。図では流路を四半円弧とし、その中央部に検出端４、温度測定器９および圧力測定器１０を設けた場合を例示しているが、むろんこれに限定されるものではなく半円弧形状または円弧形状の流路を形成する場合、または、Ｕ字形状、略Ｖ字形状あるいはこれらに近い形状であっても適用可能である。
【００２１】
ここで、上記センサブロック１に、プロセス上の流体の流通経路の一部に挿入可能な取合い部が設けられているが好適である。つまり、センサブロック１は、製造プロセス等の配管系の中で実際に測定を必要とする部位に挿入され、その際、流路入口２および流路出口７は、プロセスの配管との接合が可能となるように継ぎ手取合やフランジ取合などとすることが好ましい。また、こうした取合部材の取り付け・交換が可能なように、嵌め合いやネジによる結合が可能な構造を設けることも好適である。センサブロック１は、図１（Ａ）のように、流路を四半円弧とした場合として、２つにわけたブロックで可動膜３を挟み込むように結合する構造を例示している。むろん、こうした構造に限定されるものではなく、可動膜３を固定した別体をセンサブロック１に組み入れる等多種の構造が可能であることはいうまでもない。また、材質に関しては、特に限定されるものではないが、一般に腐食性流体に対してはステンレススチール（以下「ＳＵＳ」という。）などの耐食性金属やセラミックスあるいは合成樹脂が用いられるが、流路表面部に耐蝕処理を行うことも好適である。具体的には、金や銀等の耐食性金属をメッキやコーティングしたり、表面酸化や窒化処理を施すことが挙げられる。
【００２２】
図１では、センサブロック１内の流路のほぼ全領域を二分するように可動膜３を配した構成を例示している。可動膜３の配置方法はこれに限定されるものではなく、後述のようにいくつもの構成が考えられるが、センサブロック１内の流路断面のほぼ全体を二分することが必要である。また、可動膜３は必ずしも流路に対して開放あることは必要とされず、その検出端４側について、可動膜３の端部で流路入口２または流路出口７のいずれか、または両方が、密閉状態あるいは部分的開放状態である場合についても本発明に含まれる。可動膜３は、軽量かつ所定の張力および弾性を有する導電性の薄膜であることが好ましく、通常、１〜１００μｍ程度のＳＵＳ、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などの金属箔または樹脂製薄膜にＳＵＳやＡｌをコーティングしたものが用いられることが多い。なお、腐食性流体に対してはＳＵＳなどの耐食性金属や合成樹脂が用いられるが、可動膜３の表面に既述のセンサブロックと同様の耐蝕処理を行うことも好適である。
【００２３】
検出端４については、可動膜３との距離の変化を検出信号として取り出せるものであれば、原理や構造は問わない。例えば、検出端４が電極を形成し、可動膜３との間に電圧を印加して、遠心圧力による可動膜の静電容量の変化を信号とする方法が挙げられる。このとき、電極部はセンサブロック１と絶縁するとともに、流体との接触面については、上記と同様の耐蝕材料または耐蝕処理がされた状態にする。また、検出端４を磁場発生部と検出部とから構成し、近接する可動膜３の金属薄層表面に生じる渦電流の変化に伴うインダクタンスの変化を信号とする方法が挙げられる。このときの検出端４の流体との接触面については、上記と同様の耐蝕材料または耐蝕処理がされた状態にする。また、センサブロック１の検出端４取り付け位置を調整できるようにすることで、可動膜３との極間距離を最適にすることができ、測定精度を高めることができる。
【００２４】
また、センサブロック１に温度測定器または圧力測定器が設けられていることが好適である。流体特に気体は温度によって密度の変化が大きく、密度が変化すると、式１に示すように、可動膜３に対する遠心圧力が変化し、測定値が変化する。従って、一般には、
（１）センサブロック１内の流体の温度を測定し、上記変化分を補正する方法や、
（２）流体の温度を測定し、センサブロック１全体を一定温度に調整する方法
を採ることが多い。このようにして、高温を維持される流体であって立ち上がりや制御の切換時に生じる流体温度の変化を、正確に管理・制御する。また、半導体製造装置等では、添加物質の正確な質量流量を管理・制御する必要があり、流体の質量の算出には、流体の圧力情報を必要とすることからセンサブロック１に圧力測定器を設けることは非常に有用である。こうした検出端および各測定器からの出力は、信号取出部８から演算表示部（図示せず）に導入され、上記流体の流量や質量流量の算出を行い、半導体製造装置等での添加物質の制御・管理に寄与することとなる。
【００２５】
上記構成例についての作製方法の一例を以下に示す。むろんこうした方法に限定されるものではなく、本発明は、構成する各部の機能を満たすものを含むことはいうまでもない。
【００２６】
（１）２つの部材に分かれたセンサブロック（例えば、流路を境界とし流路に相当する凹部を両ブロックあるいは一方のブロックに有する構造が挙げられる）、可動膜、検出端、温度測定器、圧力測定器を準備し、
（２）両ブロックの流路の周囲にシール材（一般に、硬度が低い金属または樹脂の使用が可能。耐蝕性があれば、より好ましい）を設置し、
（３）可動膜を両ブロックの間に挟み込み、境界部を密着させてシールし（さらに、両ブロックを溶接することも好適である）、
（４）ブロックに、検出端、温度測定器、圧力測定器を取り付け、
（５）各部に通電して最適極間距離や最適位置になるように配置を調整し（例えば、静電容量式測定では容量から最適極間距離を求めることができる）、
（６）流路入口および流路出口を取り付け、フローセンサを完成する。
【００２７】
図２に、本発明の第２の構成例を示す。図１のようにセンサブロック１内の流路のほぼ全体に可動膜３を配した構成ではなく、検出端４に相対する範囲にのみ可動膜３を配している点に特徴がある。遠心圧力を有効に最小範囲の可動膜部分に受ける構造としつつ、可動膜３を検出端４および信号取出部８とをと一体に構成することで、各部を含む構成部分を最小化することができるという効果がある。また、可動膜３と検出端４との極間距離を精度よく一定にすることができるという効果もある。従って、この構成部をユニット化して、センサブロック１に取り付けることで、フローセンサの製造、保守等の面での優位性は高いものとなる。
【００２８】
図３は、本発明の第３の構成例を示す。第２の構成例同様検出端４に相対する範囲にのみ可動膜３を配している点に加え、可動膜３を支え、流路を二分する部材として弾性体１１を設けている点に特徴がある。遠心圧力を有効に最小範囲の可動膜部分に受ける構造としつつ、流路を二分する部材を剛体とすることでセンサブロック１の組み立てを容易かつバラツキの少ない構造とすることができる。さらには、弾性体１１の弾性を生かし、可動膜３の変位量を増幅することができるという効果も優位である。
【００２９】
また、流体に対し、所定の周期で前記二分された流路のいずれかに流路を切換えるための切換手段を設けることが好適である。
図４は、本発明の第４の構成例を示す。流路を二分する可動膜３の流路入口２側の端部に、流路切換弁１２を設け、一定周期で流路を切換え可動膜３に働く遠心圧力を一定周期で発生するようにすることで、可動膜３の変位を交流化することができる点に特徴がある。長期の使用等によって、無負荷の状態であっても可動膜３の位置は少しずれることがあり、特に微圧測定の場合には、こうした変化は無視することができず、いわゆるオフセットの影響を受けることがある。検出信号を交流化することで、こうしたオフセットの影響は無視することができるとともに、後段の信号処理における外乱の排除処理や増幅によって、精度の高い測定値をえることができる。
【００３０】
図５は、本発明の第５の構成例を示す。上記の構成例では、検出端４が１つの場合を例示したが、可動膜３に対し反対側にさらに１つの検出端４’を設けた点に特徴がある。可動膜３の移動を逆相の信号として入手し、両者を加算することで、実質的な外乱を１／√２とすることができるため、微圧測定において特に優位性が高い。なお、図５では、２つの検出端４、４’を設けた構成例を示したが、さらに数量を増すことは可能であり、一般にｎ個の検出端を設けた場合には、ノイズを１／√ｎに低減することができる。
【００３１】
以上は、主として半導体製造装置等に用いられるフローセンサについて述べたが、本発明の技術はこうした適用範囲に限定されるものではなく、例えば、原子力関連設備等材質や保守に関して特殊な条件が課される流量測定装置などを含む広い範囲においても応用が可能であり、広い汎用性を有する技術であるといえる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明を適用したフローセンサは、検出端の種類を問わず、非常に簡単な構造ではあるが微少な圧力変化を取り出すことができ、気体を対象とするような場合であっても十分な検出感度の流量測定が可能となるともに、流体の滞留箇所がなくなり応答遅れや堆積物の発生を防止することができる。
【００３３】
特に、流路、可動膜および検出端が一体に構成され、検出端により検出した可動膜の変位を流量の変化に換算する演算手段を備えている場合には、プロセス上で実際に測定を必要とする部位に、簡便にフローセンサを設けて流量測定信号を得ることができ、プロセスの制御を的確かつ迅速に行うことができる。
【００３４】
また、併せて、流路中または流路近傍に温度測定手段または圧力測定手段を設けられていると、一般に高温を維持される流体であって立ち上がりや制御の切換時に生じる流体温度の変化を、正確に管理・制御することができると同時に、フローセンサが受ける温度影響を的確に補正することができる。また、流体の圧力を知ることで、流体の密度を算出することから正確な質量流量を求めることができる。
【００３５】
また、流体に対し、所定の周期で前記二分された流路のいずれかに流路を切換えるための切換手段を設けることで、可動膜の位置に関係なく、可動膜に対する圧力、つまり、流量そのものを交流信号として取り出すことができ、いわゆるオフセットのない安定な検出信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフローセンサの第１の構成例を示す説明図である。
【図２】本発明に係るフローセンサの第２の構成例を示す説明図である。
【図３】本発明に係るフローセンサの第３の構成例を示す説明図である。
【図４】本発明に係るフローセンサの第４の構成例を示す説明図である。
【図５】本発明に係るフローセンサの第５の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１    センサブロック
２    流路入口
３    可動膜
４、４’  検出端
５    外周流路
６    内周流路
７    流路出口
８    信号取出し
【図１】
2004191170.tif 000003
【図２】
2004191170.tif 000004
【図３】
2004191170.tif 000005
【図４】
2004191170.tif 000006
【図５】
2004191170.tif 000007