(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ円筒形状のホルダを挿入可能な孔およびこの孔内の離れた２点に連通する２つのガス流通孔を備えたブロックと、これら２つのガス流通孔にわたって設けられたセンサ流路管と、前記ホルダ内に挿入される抵抗物とからなり、前記ホルダの両端の外周部にそれぞれ前記２つのガス流通孔に連通連結される溝部が形成され、孔内に流入したガスが一方の溝部、ガス流通孔を介してセンサ流通管に流入し、他方のガス流通孔、溝部を介して流出するセンサ流路と、ホルダ内部の抵抗物により形成されるバイパス流路とに分かれて流通し、
さらに、前記流入したガスがその流動方向をほとんど変えることなくその一部のガスが上流側溝部に流入し該上流側溝部によって層流を形成し、前記センサ流路を流通したガスが下流側溝部によって層流を形成し、前記センサ流路と前記バイパス流路を流通した各ガスの合流部分においても前記各ガスの流れはほぼ平行になっていることを特徴とするマスフローメータの流量検出機構。
【請求項２】
前記ガス流通孔がセンサ流路管に比べてやや太く形成していることを特徴とする請求項１に記載のマスフローメータの流量検出機構。。
【請求項３】
前記溝部がホルダの外径を小さくして形成した環状の外径縮小部分であることを特徴とする請求項１または２に記載のマスフローメータの流量検出機構。
【請求項４】
前記ホルダの両端に設けた溝部の形状が同形状である請求項１〜３の何れかに記載のマスフローメータの流量検出機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスフローメータの流量検出機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりマスフローメータの流量検出機構においては、ガス流路に層流を得るように構成されており、その構成としてはエッチングプレートを用いるかあるいは特公昭５９−４１１２６号公報記載のように、バイパス部に複数本の毛細管を用いるものがある。
【０００３】
また、図７に示すように、特公平６−７８９２６号公報記載の流量検出機構は、ガスの流量を検出するにあたって、先ず流路１Ｐよりガスを導入し、流量絞り弁２Ｐとハウジング３Ｐに形成された孔のテーパ状内周面４Ｐとの間にガスを流すことで、ガスの流れを層流としていた。そして、層流をなしているテーパ状内周面４Ｐの部分に設けた流入口ポート５Ｐからガスの一部を分流してセンサ流路Ｐ1 に導入し、流出口ポート６Ｐより流出させて、流入口ポート５Ｐより下流側の前記周面４Ｐ、流路７Ｐを介し流量制御部へと流通させていた。
【０００４】
つまり、テーパ状内周面４Ｐと流量絞り弁２Ｐとの間がセンサ入口部分までの助走区間となって層流部分を得ていた。一方、ガスの残部については、前記内周面４Ｐと流量絞り弁２Ｐとの間と、流路７Ｐを介して流量制御部へと流通させていた。なお、前記内周面４Ｐと流量絞り弁２Ｐとの間に形成される層流部分のうち、両矢印Ｐ2 に示す前記流入口ポート５Ｐから流出口ポート６Ｐまでの間は前記センサ流路に対するバイパス流路である。
【０００５】
また、米国特許第５，０９９，８８１号に記載のマスフローコントローラの流量検出機構は、図８に示すように、流路１Ｐ’より導入されたガスを、プラグ２Ｐ’とホルダ３Ｐ’とで一部がテーパ状に形成された環状の通路４Ｐ’に流すことにより、ガスの流れを層流としている。そして、環状の通路４Ｐ’の途中に設けた貫通孔５Ｐ’からガスの一部を分流させ、これを注入口６Ｐ’からセンサ部７Ｐ’へ導入するセンサ流路Ｐ1 を形成している。つまり、センサ流路Ｐ1 を流れるガスの流量をセンサ部７Ｐ’により測定し、注出口８Ｐ’から前記通路４Ｐ’の下流側に注出して流路９Ｐ’を介し流量制御部へと流通させていた。なお、ガスの残部については、両矢印Ｐ2 に示す部分の環状の通路４Ｐ’（バイパス流路Ｐ2 ），流路９Ｐ’を介して流量制御部へと流通させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の流量検出機構は何れも、流量絞り弁２Ｐやプラグ２Ｐ’によって、テーパ状内周面４Ｐや環状の通路４Ｐ’に安定した層流を形成して圧力分布を一定にし、この安定した層流が形成されている部分から流量測定用の流路を分流することが、測定値を安定させるために極めて重要な要素となっており、それだけ流量検出機構の製造に高精度を要求するものとなっていた。
【０００７】
例えば、図７に示した例においては、流量絞り弁２Ｐの中心軸と、流路１Ｐの中心軸とを正確に合わせて安定した層流を得るために、流量絞り弁２Ｐをネジ８Ｐに螺合していた。ところが、この構成は部品点数が多くなり、それだけ加工にコストがかかる欠点を有するだけでなく、流量絞り弁２Ｐを回動する際にネジ８Ｐとの摩擦により金属粉が生じる等の不都合があった。これは、特に半導体製造過程に用いるガスのように、純度が要求されるガスを流通するような場合のガス流量測定には不適切であった。
【０００８】
図８に示した例においては、プラグ２Ｐ’の中心軸と流路１Ｐ’の中心軸とを合わせるために、まずプラグ２Ｐ’の基本形状を旋盤で切削した後に、極めて煩雑な製作工程によりプラグ２Ｐ’を流路１Ｐ’に固定する必要があった。すなわち、上述した各従来の技術には、流量検出機構の製造に手間と費用がかかるという問題があった。
【０００９】
また、前記図７，８に示したいずれの場合にも、センサ流路Ｐ1 とバイパス流路Ｐ2 が分流するときや合流するときに、拡大図に示すように両流路Ｐ1 ，Ｐ2 を流れるガスＧ1 ，Ｇ2 が互いに垂直方向になるように屈曲して流れるので、この部分のガスの流れに乱れを生じさせる原因となり、測定値がこの圧力変動の影響を受けやすくなることは避けられなかった。
【００１０】
そして、上述した例のように分流により流量測定を行う場合、バイパス流路Ｐ2 を流れるガスの流れを安定させるために、バイパス流路Ｐ2 を長くすることが、より安定した直線性のよい測定を行うために重要であるが、上述した構造ではバイパス流路Ｐ2 の全長が流入口ポート５Ｐと流出口ポート６Ｐの間隔および注入口６Ｐ’と抽出口８Ｐ’の間隔に完全に依存していた。つまり、バイパス流路Ｐ2 の全長はセンサ流路Ｐ1 の形状によって一定の長さ内に限定されていた。
【００１１】
このような点から、上記各例は何れも、約２５ｍｍ程度の長さの流量絞り弁２Ｐ，プラグ２Ｐ’を用いることしか行えずバイパス流路Ｐ2 を長くすることもできなかった。すなわち、ガスの流れを安定させた状態で流量測定できる流量は低く制限されており、実質的に２０Ｌ／ｓ程度の流量を精度良く流すことが限界であった。これより大流量のガスを精度良く流すためには、流量検出機構の全体形状を大きくする必要があり、それだけ製造コストを引き上げる原因となると共に、マスフローコントローラの全体的な大きさを規格外の大きさにする必要が生じていた。
【００１２】
さらに、上述の構成では、センサ流路Ｐ1 に流れるガスＧ1 と、バイパス流路Ｐ2 を流れるガスＧ2 を分流するための極めて重要な役割を流量絞り弁２Ｐやプラグ２Ｐ’が果たすので、この流量絞り弁２Ｐやプラグ２Ｐ’の形状が正確な測定を行なう上で肝要であった。したがって、これらの部材２Ｐ，２Ｐ’の形や大きさをガスの分流比を変えるとともに直線性を保つことができるような部材２Ｐ，２Ｐ’を形成することが極めて困難であった。
【００１３】
加えて、図８に示すようなチャンバー１２Ｐ’は、そのようなその容積で圧力変動を吸収するものであるから、流路中にガス溜まり部分１４Ｐ’を生じさせており、ガスを切り換えた時のガスの置換特性を悪くする原因となっていた。
【００１４】
本発明は、上述した点を考慮に入れてなされたものであって、センサ部の入口側の圧力が変化しても安定した層流が得られ、かつ、ガスの置換特性の大幅な向上ができ、コンパクトで直線性に優れたマスフローメータの流量検出機構を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のマスフローメータの流量検出機構は、ほぼ円筒形状のホルダを挿入可能な孔およびこの孔内の離れた２点に連通する２つのガス流通孔を備えたブロックと、これら２つのガス流通孔にわたって設けられたセンサ流路管と、前記ホルダ内に挿入される抵抗物とからなり、前記ホルダの両端の外周部にそれぞれ前記２つのガス流通孔に連通連結される溝部が形成され、孔内に流入したガスが一方の溝部、ガス流通孔を介してセンサ流通管に流入し、他方のガス流通孔、溝部を介して流出するセンサ流路と、ホルダ内部の抵抗物により形成されるバイパス流路とに分かれて流通し、
さらに、前記流入したガスがその流動方向をほとんど変えることなくその一部のガスが上流側溝部に流入し該上流側溝部によって層流を形成し、前記センサ流路を流通したガスが下流側溝部によって層流を形成し、前記センサ流路と前記バイパス流路を流通した各ガスの合流部分においても前記各ガスの流れはほぼ平行になっていることを特徴としている。
【００１６】
したがって、本発明によればホルダによってガス流通孔を設けた部分に溝部を形成しているので、この溝部によりガスの層流を形成してガスの助走区間を得て、圧力分布を緩和させることができる。そして、溝部を流れるガスが、バイパス流路を流れるガスと平行するように流れるので、分流時にも合流時にもガスの流れに乱れを生じさせることがなくスムーズに流れる。すなわち、それだけ直線性を良くすることができる。
【００１７】
また、ガス流通孔に流れるガスの流量は、抵抗物の上流側と下流側の差圧に基づいて流量を測定できる。したがって、抵抗物によって制限されるバイパス流路のガスの流れが層流になる必要がなく、少々の乱れが生じても測定結果に悪影響を及ぼすことがなくなるので、バイパス流路に大きな乱流を生じさせないものであれば、抵抗物の形状を自由に変更可能である。つまり、常に安定した測定を行うことができるマスフローメータの流量検出機構を安価にて提供できる。
【００１８】
さらに、抵抗物の構造を簡素化することにより、マスフローメータの流量検出機構の清掃などのメンテナンスを容易にすると共に、凹凸を少なくすることにより接触面積を少なくし、ガスの溜まりを少なくして置換特性を向上することが可能となり、かつ、流通ガスに金属粉のような不純物を混入させる心配もなくなる。また、センサ流路側のガス置換特性についても、ホルダ自身がガス流路となっているので、ガスが停滞する場所がなく良好である。
【００１９】
また、前記ガス流通孔がセンサ流路管に比べてやや太く形成しており、この部分において圧力変動をより確実に吸収できる。
また、前記溝部がホルダの外径を小さくして形成した環状の外径縮小部分である場合には、溝部の形成を容易に行うことができるとともに、溝部を環状にすることにより助走距離を長くすることが可能となる。すなわち、測定結果の直線性をさらに向上することができる。
【００２０】
前記ホルダの両端に設けた溝部の形状が同形状であるときは、マスフローメータの流量検出機構を流れるガスの流れが双方向であっても、より正確にその流量を測定することができる。なお、溝部の形状がホルダの両端で同形状でなくても、本発明のマスフローメータの流量検出機構は従来の構成に比べると逆方向に流れるガスの流れを精度良く測定できる。
【００２１】
前記バイパス流路の全長を２つのガス流通孔の間隔よりも長くした場合には、センサ流路管の間隔を変えることなく、バイパス流路を長くすることができ、大流量でもより安定した測定を行うことができる。また、センサ流路管の間隔が短くてよいので、コンパクトでありながら精度のよいマスフローメータを形成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はマスフローメータの流量検出機構１の断面図であり、図２は前記流量検出機構１の分解斜視図である。
【００２３】
図１，２に示すように、本発明のマスフローメータの流量検出機構１は、流量検出機構の本体を形成するブロック２と、このブロック２に形成された孔Ｈに送入されるホルダ３と、前記孔Ｈ内の離れた２点に連通するように開設しているガス流通孔２ａ，２ｂにわたって設けられたセンサ流路管４と、前記ホルダ３内に挿入される抵抗物５とからなる。
【００２４】
前記ガス流通孔２ａ，２ｂは既存のセンサ流路管４の幅Ｗに合わせて、例えば孔Ｈに対して垂直に切削して形成されている。すなわち、ブロック２の構造を簡単にすることで、製造コストを削減することができる。なお、ガス流通孔２ａ，２ｂを図示末広がりに切削して、ガス流通孔２ａ，２ｂの孔Ｈに連通する開孔間隔を調節することも可能である。
【００２５】
前記ホルダ３はほぼ円筒形状であり、その両端部の外周には外形縮小部分を設けることにより、ホルダ３と孔Ｈとの間に環状の溝部３ａ，３ｂを形成している。また、前記センサ流路管４上には例えば熱式センサ４ｓを形成しており、センサ流路管４を流れるガスの流量を測定することができる。
【００２６】
前記抵抗物５はその形状を限定するものではないが、例えばホルダ３の全長にわたって設けられたものであり、多数のキャピラリ管ｃを束ねてなる整流素子である。すなわち、本例では抵抗物５によって小さな抵抗を与えるように構成している。なお、抵抗物５による抵抗を変更するためには、抵抗物５およびホルダ３の内周面の形状を任意に変更可能である。このとき、抵抗物５はその上流側と下流側に圧力差を生じさせるものであればよく、その形状はガスの流れに大きな乱れを生じさせるようなものでない限り、どのような形状であってもよい。
【００２７】
前記構成のマスフローメータの流量検出機構１は孔Ｈ内に流入したガスＧ0 を二つの流路に分けて流通させる。すなわち、一部のガスＧ1 は前記ホルダ３の一端側に設けた（一方の）溝部３ａおよびこれに連通連結されるガス流通孔２ａを介してセンサ流路管４に流入し、他方のガス流通孔２ｂ、溝部３ｂを介して流出するセンサ流路Ｐ1 を流通する。また残りのガスＧ2 はホルダ３内の抵抗物５によって形成されたバイパス流路Ｐ2 を流通して下流側に流れる。
【００２８】
すなわち、前記孔Ｈ内に流入したガスＧ0 は、その流動方向をほとんど変えることなく、その一部のガスＧ1 がスムーズに溝部３ａに流入し、溝部３ａによって層流を形成する。したがって、ガスＧ1 ，Ｇ2 の分流部分においてガスの流れに乱れを生じさせることがないので、測定値を安定させることができると共に、ホルダ３の上流部分にすでに圧力分布がある場合にも、溝部３ａによって得られる層流で圧力変動を吸収することができる。
【００２９】
同様に、ガスＧ1 ，Ｇ2 の合流部分においても各ガスＧ1 ，Ｇ2 の流れはほぼ平行しており、スムーズに合流するので、この部分に乱れを生じさせることがないと共に、少々の圧力分布は溝部３ｂによって形成される層流で吸収することができる。すなわち、それだけ直線性を良くすることができる。また、ガス流通孔２ａ，２ｂはセンサ流路管４に比べてやや太く形成しており、この部分において圧力変動をより確実に吸収できるようにしている。
【００３０】
また、溝部３ａ，３ｂによって十分の効果を得ることができる場合には、ガス流通孔２ａ，２ｂを細くすることによりガス置換特性を向上させることも可能である。さらに、本発明におけるガス流通孔２ａ，２ｂを省略する変形も容易に考えられる。
【００３１】
また、前記溝部３ａ，３ｂによる緩衝はバッファの容積によって行われるものではなく、層流が生み出すガスの助走区間Ｒによって行われるので、図８に示した従来例のように、溜まり部分１４Ｐ’を形成することがない。つまり、ガスＧの置換特性が良くなる。
【００３２】
一方、バイパス流路Ｐ2 を流れるガスＧ2 は、その流動方向を変えることなく抵抗物５内に流入し下流側に流通する。そして、バイパス流路Ｐ2 の上流側の圧力Ｐａは、下流側の圧力Ｐｂに比べて、バイパス流路Ｐ2 の抵抗と流量に比例する分だけ高くなる。従って、前記センサ流路Ｐ1 に前記圧力Ｐａ，Ｐｂの差に比例する流量のガスＧ1 を正確に流すことが可能となり、測定値が主流の流速による圧力変動の影響を受けない。言い換えるなら、センサ流路Ｐ1 とバイパス流路Ｐ2 に流れるガス流量の比を、一次側圧力、流量に関わらず一定にすることができる。
【００３３】
また、このバイパス流路Ｐ2 の全長Ｌは、ホルダ３および抵抗物５の長さを変えることにより、センサ流路管４の幅Ｗに関係なく自在に変更可能であり、バイパス流路Ｐ2 を流れるガスＧ2 の流れに大幅な乱れを生じさせない程度の長さにすることが可能である。
【００３４】
すなわち、上記構成のマスフローメータの流量検出機構１を用いることにより、センサ流路管４の幅Ｗに関係なくバイパス流路Ｐの長さＬを長くすることができるので、大流量でも安定した流量比でガスＧ1 ，Ｇ2 を分流することができ、測定値の直線性を飛躍的に向上することができる。
【００３５】
また、センサ流路管４の幅Ｗを変える必要がないので既存のセンサ４ｓを用いて精度のよいマスフローメータの流量検出機構１を形成することが可能となる。そして、マスフローメータの流量検出機構１の全体の大きさを変えることなく大流量測定を行うことができるので、装置の小型化にも寄与する。
【００３６】
さらに、前記溝部３ａ，３ｂの形状はその大きさ（外径）が若干異なっても、互いに対象となる同形状であるので、ガスＧの流れを一方向に限定する必要がない。つまり、上記構成のマスフローメータの流量検出機構１はたとえガスが逆流することがあったとしても、センサ流路Ｐ1 とバイパス流路Ｐ2 を流れるガスＧ1 ，Ｇ2 の比率を一定に保つことができる。すなわち、たとえ逆流が生じてもその流量を正確に図ることが可能となり、流れ方向の指定の必要のないマスフローメータの流量検出機構１を形成することができる。
【００３７】
図３は本発明のマスフローメータの流量検出機構１の変形例を示す図である。図３において、図１，２と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるので、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
図３において、３ｃ，３ｄはホルダ３の両端の外周部を、ホルダ３の長手方向に切削してなる溝部である。これらの溝部３ｃ，３ｄはホルダ３を孔Ｈに挿入した状態で前記ガス流通孔２ａ，２ｂに連通する位置に切削している。そして、この溝部３ｃ，３ｄによってセンサ流路Ｐ1 の上流端と下流端にガスＧ1 の助走区間Ｒを形成している。
【００３９】
すなわち、本発明はホルダ３の両端に設ける溝部の形状を環状にすることに限定するものではなく、センサ流路Ｐ1 の上流端と下流端にガスＧ1 の助走区間Ｒを形成できるものであれば、その形状を問うものではない。なお、本例の場合も溝部３ｃ，３ｄの形状が同一形状であるので、ガスＧ1 の流れる方向に全く関係なく、同じ比率でガスＧ1 ，Ｇ2 を分流することが可能となる。
【００４０】
なお、上記各例においては、抵抗物５の形状の例としてキャピラリ管ｃを示しているが、本発明はこれに限られるものでないことは言うまでもない。図４〜６は本発明のマスフローメータの流量検出機構１に用いることができる抵抗物５の例として幾つかの実施例を簡単に示す。
【００４１】
図４に示す抵抗物５は、テーパ面６ａを有するピン６と、このテーパ面６ａに平行に形成されたホルダ３の内周面３ｅとからなる。また、前記ピン６はその外周部分に設けた断面ほゞＣ字状のスプリング留め具６ｂによってホルダ３内に固定されている。
【００４２】
したがって、本例の抵抗物５はピン６の位置を変えることにより、バイパス流路Ｐ2 の抵抗を変えることが可能となるので、複数の抵抗物５を用意することなく流量の測定範囲を変更することが可能となる。また、抵抗物５はこれによって形成されるバイパス流路Ｐ2 によって大幅な乱流が生じることがない程度のものであればよいので、従来のようにピン６の中心位置を正確に合わせる必要はなく、それだけ、製作コストを引き下げることができる。
【００４３】
また、抵抗物５の構成をシンプルにすることにより、抵抗物５の形状が簡素であればある程抵抗物５によるガス溜まりや金属粉の発生を避けることができるとともに、洗浄などのメンテナンス作業をより容易に行うことができるようになる。
【００４４】
図５に示す抵抗物７は多数の孔７ａをエッチングしてなるエッチングプレートによって形成している。本例のように構成することにより、バイパス流路Ｐ2 の抵抗を正確に設定することが可能となる。
【００４５】
図６に示す抵抗物８は断面ほゞＤ字状に切削された切断面８ａを有するピンである。本例のように構成することにより、バイパス流路Ｐ2 を流れる流量がごく微量であるときにも正確に分流して流量測定を行うことができるマスフローメータの流量検出機構１を構成することが可能となる。
【００４６】
以上に例示したように本発明は抵抗物の形状を限定するものではなく、種々に変更可能であり、大幅な乱れを生じさせるものでなければ、どのような形状のものであってもよいので、抵抗物５の構造に伴ったそれぞれの機能に極めて容易に組み合わせることができる。
【００４７】
そして、上述した各実施例に示す構成により、バイパス流路Ｐ2 の全長が長くすると共に、ガスＧ1 ，Ｇ2 の流れに乱れがなく、ガスＧ0 の置換特性がよいマスフローメータの流量検出機構１をコンパクトに形成することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマスフローメータの流量検出機構によれば、溝部によりガスの層流を形成してガスの助走区間を得るので、圧力分布を緩和させることができる。そして、溝部を流れるガスが、バイパス流路を流れるガスと平行するように流れるので、分流時にも合流時にもガスの流れに乱れを生じさせることがなくスムーズに流れ、それだけ測定値の直線性を良くすることができる。
【００４９】
また、ホルダに挿入される抵抗物の形状を自由に変更可能である。つまり、常に安定した測定を行うことができるマスフローメータの流量検出機構を安価にて提供すると共に、清掃などのメンテナンスを容易にすると共に、凹凸を少なくすることにより接触面積を少なくし、ガスの溜まりを少なくして置換特性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のマスフローメータの流量検出機構の一例を示す断面図である。
【図２】  前記マスフローメータの流量検出機構の要部を透視した斜視図である。
【図３】  前記マスフローメータの流量検出機構の別の例を示す図である。
【図４】  前記抵抗物の変形例を示す断面図である。
【図５】  前記抵抗物の別の変形例を示す断面図である。
【図６】  前記抵抗物のさらに異なる変形例を示す断面図である。
【図７】  従来のマスフローメータの流量検出機構の構成を示す一部断面図である。
【図８】  別の従来のマスフローコントローラの流量検出機構の断面図である。
【符号の説明】
１…マスフローメータの流量検出機構、２…ブロック、２ａ，２ｂ…ガス流通孔、３…ホルダ、３ａ，３ｂ…溝部、４…センサ流路管、５，６，７，８…抵抗物、Ｈ…孔、Ｌ…バイパス流路の全長、Ｐ1 …センサ流路、Ｐ2 …バイパス流路、Ｗ…ガス流通孔の間隔。
【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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