(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体ブロックに形成された流体入口と流体出口との間に、流体をバイパスさせるバイパス部と、流体の流量測定を行うためのセンサ部とを並列的に設けた質量流量制御装置において、前記センサ部と本体ブロックとの間に、上端が前記センサ部に保持されたセンサ管の上流側の開口と連なり、下端が本体ブロック側の上流側開口と連なる鉛直方向の直線的流路と、センサ部におけるセンサ素子が設けられた流路と平行となる流路を含み、上端がセンサ部の下流側と連なり下端が本体ブロック側の下流側と連なる屈曲流路を設けるとともに、前記平行流路を前記センサ部における発熱量と同程度に加熱するためのヒータを設け、さらに、前記センサ素子が設けられた流路と前記平行流路は、センサ部で温められることにより発生したガス流をヒータ加熱によって発生したガス流により打ち消すように配置され、かつ、直線的流路と平行流路とヒータとを一つのブロック体に形成し、このブロック体を本体ブロックとセンサ部との間に着脱自在に介装してなることを特徴とする質量流量制御装置。
【請求項２】
平行流路を管で形成し、この管の外周にヒータを設けてなる請求項１に記載の質量流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体流量を制御するマスフローコントローラや流体の流量を測定するマスフローメータなどの質量流量制御装置に関し、特に、自己発熱抵抗体などのセンサ素子を用いてサーマル方式によって質量流量を計測する質量流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記マスフローコントローラなどの質量流量制御装置は、半導体製造装置などに各種の分野で広く用いられている。図６は、従来のマスフローコントローラを概略的に示すもので、この図において、１は本体ブロック、２，３は本体ブロック１の両端に連設される流体導入用継手、流体導出用継手である。４は流体入口２ａと流体出口３ａとの間に形成される流体流路で、流体流量を測定するためのセンサ部５と流量を制御するための制御弁部６とが設けられている。
【０００３】
前記センサ部５は、流体流路４に臨むように開設された測定流路入口７と測定流路出口８との間を、本体ブロック１の上面にシール機構９を介して設けられるセンサブロック１０を挿通するように逆Ｕ字状に形成された例えば薄肉毛細管（キャピラリ）よりなるセンサ管１１の上部の平坦なセンサ流路部分１１ａに２つの熱式質量流量センサ素子としての自己発熱抵抗体（以下、単にセンサ素子という）１２，１３を巻回してなるもので、センサ素子１２，１３はブリッジ回路（図示してない）に接続されている。なお、１４はセンサ管１１およびセンサ素子１２，１３を覆う断熱性のカバーである。
【０００４】
そして、１５はセンサ部５に対して並列的に流体流路４に形成されるバイパス部で、定分流比特性を有する層流素子１６が設けられている。
【０００５】
前記制御弁部６は、次のように構成されている。すなわち、バイパス部１５よりも下流側の流体流路４に、弁口１７とこの弁口１７を開閉する弁体１８とこれの下端部周囲に設けられるダイヤフラム１９を備えた弁ブロック２０が設けられている。この弁ブロック２０の上方には、弁体１８を下方に押圧駆動する弁アクチュエータとしてのピエゾスタック２１が、弁ブロック２０上に立設された筒状のバルブケース２２内に収容された状態で設けられている。２３はピエゾスタック２１の出力を弁体１８に伝えるための金属製の真球である。
【０００６】
上記構成のマスフローコントローラにおいては、例えば流体入口２ａから流入したガスＧは、センサ部５とバイパス部１５に分流される。センサ部５においてガスＧの質量流量に比例した温度変化を捉えてブリッジ回路で電気信号に変換され、この信号は増幅回路（図示してない）や補正回路（図示してない）を経て流量出力信号として比例制御回路（図示してない）に入力される。この比例制御回路には外部から流量設定信号が入力されており、流量出力信号と流量設定信号とを比較してその差信号をバルブ駆動回路（図示してない）に送り、このバルブ駆動回路からの制御信号によって制御弁部６が前記差信号がゼロになるように動作し、常に設定された流量に制御するのである。
【０００７】
ところで、上記構成のマスフローコントローラは、半導体製造装置の小型化や、配管系統の構成上または設置スペースなどの関係で、図７に示すように、２つのセンサ素子１２，１３が巻設されたセンサ流路部分１１ａ（バイパス部１５と平行な部分）が垂直となるように、センサ部５を垂直姿勢の状態となるようにして設置しなければならないことがある。マスフローコントローラをこのように設置することをＺ方向設置という。
【０００８】
そして、
（１）マスフローコントローラを上記Ｚ方向に設置する。
（２）分子量の大きいガスを流す。
（３）ガスの一次側圧力が高い。
というような条件が重なると、マスフローコントローラのゼロ点が変動する。この現象は一般にサーマルサイフォン現象と呼ばれている。
【０００９】
上記サーマルサイフォン現象が発生する原因について、図７を参照しながら説明すると、センサ素子１２，１３で温められたガスＧがセンサ管１１のセンサ流路部分１１ａを矢印Ａ方向に上昇し、次いで、バイパス部１５で冷却されて矢印Ｂ方向に降下し、再びセンサ素子１２，１３方向に戻るといったガスの循環流が生じる。したがって、マスフローコントローラのガス導入口２ａが下方になるようにマスフローコントローラが取り付けられている場合は、センサ管１１内をガスＧが順方向に流れてプラスの出力が発生し、逆に、ガス導入口２ａが上方になっている場合は、マイナスの出力が発生する。
【００１０】
なお、上記サーマルサイフォン現象は、マスフローコントローラをＺ方向設置したときにおいてのみ生じ、マスフローコントローラをこれ以外の状態（姿勢）で設置した場合には生じないものである。
【００１１】
上述のようなサーマルサイフォン現象を回避する手法として、
ａ．センサ管１１の内径を小さくする。
ｂ．センサ部５における流路を変える。
などが試みられている。
【００１２】
しかしながら、上記手法ａによっても、サーマルサイフォン現象を完全に防止することはできず、センサ管１１を細くすることにより詰まりが生じやすくなるといった問題がある。また、上記手法ｂによるときは、センサ素子１２，１３そのもののを改造する必要があるとともに、コンバージョンファクタ（Ｃ．Ｆ．）などの流量特性に変化が生じ、そのため、多大の費用が嵩むとともに、時間が必要になる。
【００１３】
なお、上述の課題は、マスフローコントローラの構成から制御弁部６を除去して構成したマスフローメータにおいても同様に生じているところである。
【００１４】
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、取付け姿勢に起因して生ずるサーマルサイフォン現象を生じないようにし、取付け姿勢の如何に拘りなく流体の質量流量を精度よく検出できる質量流量制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、本体ブロックに形成された流体入口と流体出口との間に、流体をバイパスさせるバイパス部と、流体の流量測定を行うためのセンサ部とを並列的に設けた質量流量制御装置において、前記センサ部と本体ブロックとの間に、上端が前記センサ部に保持されたセンサ管の上流側の開口と連なり、下端が本体ブロック側の上流側開口と連なる鉛直方向の直線的流路と、センサ部におけるセンサ素子が設けられた流路と平行となる流路を含み、上端がセンサ部の下流側と連なり下端が本体ブロック側の下流側と連なる屈曲流路を設けるとともに、前記平行流路を前記センサ部における発熱量と同程度に加熱するためのヒータを設け、さらに、前記センサ素子が設けられた流路と前記平行流路は、センサ部で温められることにより発生したガス流をヒータ加熱によって発生したガス流により打ち消すように配置され、かつ、直線的流路と平行流路とヒータとを一つのブロック体に形成し、このブロック体を本体ブロックとセンサ部との間に着脱自在に介装してなる。
【００１６】
上記構成の質量流量制御装置においては、取付け姿勢の如何に拘りなくサーマルサイフォン現象の発生を防止することができ、したがって、サーマルサイフォン現象によるゼロ点の変動を生じることがないので、その取付け姿勢の如何に拘わりなく、質量流量を精度よく検出することができる。
【００１７】
そして、上記質量流量制御装置においては、センサ部自体の構成を何ら変更したり改造する必要がなく、従来からのセンサ部をそのまま使用できるといった利点がある。
【００１８】
また、サーマルサイフォン現象を打ち消すための機構を、質量流量制御装置に対して着脱自在とできるので、質量流量制御装置が前記Ｚ方向姿勢で取り付けられる場合のみ、前記機構を取り付けるだけでよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。以下の図において、図６および図７に示した符号と同一のものは同一物である。
【００２０】
図１〜図３は、この発明の一つの実施の形態を示すものである。図１および図２において、２４は本体ブロック１とセンサブロック１０との間にサンドイッチ状態に着脱自在に介装されるブロック体（以下、流路ブロックという）で、この流路ブロック２４は、例えば本体ブロック１と同様にステンレス鋼よりなる。
【００２１】
前記流路ブロック２４は、図２に示すように、その内部に、上端がセンサブロック１０に保持されたセンサ管１１の上流側の開口１１ｂと連なり、下端が本体ブロック１側の上流側開口７と連なる鉛直方向の直線的流路２５と、上端がセンサ管１１の下流側の開口１１ｃと連なり、下端が本体ブロック１側の下流側開口８と連なる屈曲流路２６とが形成されるとともに、ヒータ２７が設けられている。
【００２２】
前記屈曲流路２６は、図３にも示すように、前記開口１１ｃと連なり、直線的流路２５と平行な流路２６ａと、この流路２６ａの下流側を直線的流路２５側に９０°屈曲し、センサ管１１のセンサ素子１２，１３を設けたセンサ流路部分１１ａと平行になるように形成された流路２６ｂと、この流路２６ｂの下流側を下方に９０°屈曲して直線的流路２５と平行になるように形成された流路２６ｃと、この流路２６ｃの下流側を直線的流路２５から遠ざかる方向に９０°屈曲し、流路２６ｂと平行になるように形成された流路２６ｄと、この流路２６ｄの下流側を下方に９０°屈曲して直線的流路２５と平行、かつ前記開口８に連なる流路２６ｅとからなる。
【００２３】
前記ヒータ２７は、屈曲流路２６のセンサ流路部分１１ａに近い平行流路２６ｂに沿うようにして設けられた穴２８内に例えばねじ込まれるようにして設けられている。このヒータ２７は、センサ素子１２，１３によって生ずる熱量と同程度に平行流路２６ｂを加熱するように、図示してない制御装置によりオンオフされ、発熱量を調整できるように構成されている。
【００２４】
そして、上記流路ブロック２４は、本体ブロック１およびセンサブロック１０とにサンドインチされた状態で設けられ、それら１，１０と間にはシール部材２９，３０が介装されている。
【００２５】
上記構成のマスフローコントローラを、Ｚ方向姿勢で設置する場合、すなわち、センサ管１１のセンサ流路部分１１ａが垂直となるように、センサ部５を垂直姿勢の状態となるように設置する場合、前記ヒータ２７を発熱させる。このヒータ２７の発熱により、図３において仮想線Ｃで示すような上昇ガス流Ｃが発生する。このため、センサ素子１２，１３で温められることにより発生した上昇ガス流Ａは、前記ヒータ加熱によって発生した上昇ガス流Ｃによって打ち消され、バイパス部１５まで至らず、ガスの循環が生じることがない。つまり、ヒータ２７としては、上昇ガス流Ａをキャンセルさせるに必要な上昇ガス流Ｃを発生させる程度に発熱させればよい。
【００２６】
したがって、前記条件（１）〜（３）が重なっても、サーマルサイフォン現象が生ずるといったことがなくなり、マスフローコントローラのゼロ点が変動するといったことがなくなり、ガスの質量流量を精度よく検出することができる。
【００２７】
そして、この実施の形態においては、前記サーマルサイフォン現象を打ち消すための機構を、本体ブロック１やセンサブロック１０に対して着脱自在な流路ブロック２４内に設けているので、マスフローコントローラを前記Ｚ方向姿勢で設置する場合のみ、流路ブロック２４を本体ブロック１とセンサブロック１０との間に取り付けるだけでよい。
【００２８】
そして、前記流路ブロック２４の取付けに際しては、センサ部５の構成、特に、センサ素子１２，１３としては従来のこの種のマスフローコントローラに設けられていたセンサ素子をそのまま使用することができ、コンバージョンファクタなどの流量特性に変化が生ずることがないとともに、改造のために余分なコストが生じるといったことがなく、ユーザにとってもきわめて望ましい。
【００２９】
この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができ、例えば、平行流路２６ｂを加熱するヒータとしては、図４に示すように、プレート状のヒータ３１を流路ブロック２４の所定の箇所に設けるようにしてもよい。
【００３０】
また、上記の各実施の形態においては、直線的流路２５および屈曲流路２６を流路ブロック２４内に形成していたが、これに代えて、図５に示すように、本体ブロック１およびセンサブロック１０にそれぞれ対応する当接面３２ａ，３２ｂを有するコ字状のステンレス鋼製のブロック体３２に、流路２５，２６をステンレス鋼製の管によって形成し、管２６’の平行流路２６’ｂの外周にヒータ３０を巻設してもよい。なお、この図５において、’を付した番号は、付してない番号２５，２６に対応する部材を示している。
【００３１】
前記図４および図５にそれぞれ示される実施の形態における作用効果は、図１〜図３に示した実施の形態のそれと同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
この発明は、上記マスフローコントローラにのみに限られるものではなく、マスフローコントローラの構成から制御弁部６を除去して構成したマスフローメータにおいても同様に適用できることはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
この発明の質量流量制御装置によれば、その取付け姿勢などに起因するサーマルサイフォン現象を確実に防止することができ、サーマルサイフォン現象に起因して生ずるゼロ点シフトがなくすることができる。したがって、質量流量制御装置の姿勢の如何に拘りなく流体、特にガス質量流量を精度よく検出できる。
【００３４】
そして、この発明によれば、センサ素子などセンサ部の構成をなんら変更する必要がなく、従来の質量流量制御装置に若干の改良を加えるだけでよいので、ユーザサイドに余分な負担を与えたりすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一つの実施の形態における質量流量制御装置を示す縦断面図である。
【図２】  前記質量流量制御装置に組み込まれる流路ブロック近傍の構成を示す分解斜視図である。
【図３】  前記流路ブロック近傍を拡大して示す図である。
【図４】  他の実施の形態における流路ブロック近傍の構成を示す分解斜視図である。
【図５】  さらに、他の実施の形態における流路ブロックの構成を示す斜視図である。
【図６】  従来の質量流量制御装置を示す縦断面図である。
【図７】  発明の解決すべき課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…本体ブロック、２ａ…流体入口、３ａ…流体出口、５…センサ部、１１ａ…センサ流路部分、１２，１３…センサ素子、１５…バイパス部、２４，３２…ブロック体、２６ｂ…平行流路、２６’…管、２７，３１，３３…ヒータ。
【図１】
0004027470.tif 000002
【図２】
0004027470.tif 000003
【図３】
0004027470.tif 000004
【図４】
0004027470.tif 000005
【図５】
0004027470.tif 000006
【図６】
0004027470.tif 000007
【図７】
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