JP2008008706A - ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フッ素樹脂の使用により耐腐食性を有すると共に、超音波流量計の超音波伝搬流路内に設置するのに適したダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計およびその製造方法を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、フッ素樹脂製の薬液供給配管（５１）に供給される薬液の圧力を計測するダイヤフラム圧力センサ（４２）を備え、それによって計測された圧力の制御のもとで、薬液供給配管の一部を構成する超音波伝搬流路（５１Ａ）の両端に設けられた超音波発振／受信部（５２Ａ、５２Ｂ）により薬液の流量を計測する。ダイヤフラム圧力センサは、薬液に接して圧力感知部を形成するために、超音波伝搬流路を構成する薬液供給配管の管壁の一部を薄く削って形成されたダイヤフラム（）４３と、ダイヤフラムに対して形成された補強部材（４４）と、補給部材に対して形成された圧力／電気変換素子とを含む
【選択図】図４

Description

本発明は、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計およびその製造方法に関し、特に、例えば半導体製造装置において使用されるフッ素樹脂製の薬液供給配管に取り付けられ、この薬液供給配管に供給される薬液の流量を計測する、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計およびその製造方法に関するものである。

図１は、筒型フッ素樹脂管に流体を流すことによって流量を計測する流量計の原理を示している。
超音波流量計１０は、薬液供給配管１１の一部を構成する超音波伝搬流路１１Ａの両端に、薬液供給配管１１内を流れる流体の流速を計測するために、圧電素子ＰＺＴによって形成される超音波発振／受信部１２Ａおよび超音波発振／受信部１２Ｂを有している。流体が薬液供給配管１１の一端ＩＮから他端ＯＵＴに抜けていくとすると、超音波発振／受信部１２Ａから発振された超音波振動は、超音波伝搬流路１１Ａ内の流体を伝搬して超音波発振／受信部１２Ｂに到達し、同時に超音波発振／受信部１２Ｂから発振された超音波振動は、流れに逆らって超音波伝搬流路１１Ａに到達する。超音波伝搬流路１１Ａと超音波発振／受信部１２Ｂとの間隔をＬとし、超音波が超音波伝搬流路１１Ａから超音波発振／受信部１２Ｂに到達する時間をＴＤとし、逆に超音波が超音波伝搬流路１１Ｂから超音波発振／受信部１２Ａに到達する時間をＴＵとすると、ＴＤおよびＴＵは次式で与えられる。

但し、Ｃは流体の音速とする。
従って、流速Ｖは次式で与えられる。

このように、薬液供給配管１１内を流れる流体の流速が得られると、薬液供給配管１１の直径が予め決定されていれば、単位時間当たりの流量が計測される。

図２は、図１に示された超音波流量計１０を使用する、具体的な超音波流量計量装置２０を示しており、超音波流量計量装置２０は、特に半導体製造装置において、流体を一定の流量で且つ安定して吐出し又は滴下することが要求される半導体製造に関わる薬液の流量を計測するのに適している。

超音波流量計量装置２０は、圧力センサ２１、圧力調節計２２、圧力調節弁２３、流量計測調節計２４、流量調節弁２５を備えている。
入力端ＩＮから流入された薬液は圧力センサ２１によって検知され、検知された圧力は、圧力調節計２２および圧力調節弁２３を介して、予め設定された任意の圧力値になるように制御される。この圧力調整により、超音波流量計１０は、脈動圧の少ない安定した薬液の流量を計測することができる。超音波流量計１０によって計測された薬液の流量は、流量計測調節計２４および流量調節弁２５を介して、予め設定された任意の流量値になるように制御される。

このような超音波流量計量装置は、例えば半導体製造装置において使用されると、半導体製造に関わる薬液に対して配管系での圧力損失或いは液溜まりのない構造が求められ、同時に配管系を可能な限り短くして小型且つコンタミネーションの発生しない構造が求められ、さらに流量を正確に計測するために圧力変動の少ない一定圧力下での計測が求められる。

従来のこのような超音波流量計量装置において、通常、圧力センサとして、フッ素樹脂、例えばＰＦＡ(登録商標：Tetrafluoroehylene Perflouroalkoxy vinyl ether copolymer)製の圧力センサが使用されている。

図３は、薬液供給配管における液圧を検出する典型的なＰＦＡダイヤフラム圧力センサ３０の構造を示している。このような圧力センサは、圧力感知部として円形のフッ素樹脂ダイヤフラムを更にセラミック板で補強したセラミックダイヤフラム３１を備え、そのセラミック板に歪み抵抗素子をホイーストンブリッジ回路として貼着し、加えられた圧力（矢印方向）によるフッ素樹脂ダイヤフラムの歪みをセラミックダイヤフラム３１に伝達し、この歪みを圧力／電気変換素子として機能する歪み抵抗素子の抵抗値変化として電気信号に変換し、これにより圧力を検出するように構成されている。具体的に、圧力感知部は、ダイヤフラムの面積を大きくし且つその歪みを効率よく検出するように、圧力（薬液）導入口３２とセラミックダイヤフラム３１との間に液溜まり３３を備えている。

このようなＰＦＡダイヤフラム圧力センサは、単に流体圧力を測定するには、構造上なんら問題はないが、超音波流量計量装置において、圧力の計測と流量の計測とを効率よく且つ正確に行うために、超音波流量計の超音波伝搬流路内に圧力センサを設置する場合には、特に液溜まりのような凹凸のある構造では通過する超音波が乱反射してしまい、正確な計測は望めない。

本発明の課題は、フッ素樹脂の使用により、強酸性、強アルカリ性の液体に対して優れた耐腐食性を有すると共に、超音波流量計の超音波伝搬流路内に設置するのに適したダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計およびその製造方法を提供することである。

本発明において、超音波流量計は、フッ素樹脂製の薬液供給配管に供給される薬液の圧力を計測するダイヤフラム圧力センサを備え、ダイヤフラム圧力センサによって計測された圧力の制御のもとで、薬液供給配管の一部を構成する超音波伝搬流路の両端に設けられた超音波発振／受信部により薬液の流量を計測する。ダイヤフラム圧力センサは、薬液に接して圧力感知部を形成するために、超音波伝搬流路を構成する薬液供給配管の管壁の一部を薄く削って形成されたダイヤフラムと、ダイヤフラムに対して形成された補強部材と、補強部材に対して形成された圧力／電気変換素子とを含む。

また、本発明において、フッ素樹脂製の薬液供給配管に供給される薬液の圧力を計測するダイヤフラム圧力センサを備え、ダイヤフラム圧力センサによって計測された圧力の制御のもとで、薬液供給配管の一部を構成する超音波伝搬流路の両端に設けられた超音波発振／受信部により薬液の流量を計測する、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計の製造方法は、薬液に接して圧力感知部を形成するために、超音波伝搬流路を構成する薬液供給配管の管壁の一部を薄く削ってダイヤフラムを形成する工程と、ダイヤフラムに対して補強部材を形成する工程と、補強部材に対して圧力／電気変換素子を形成する工程とを含む。ダイヤフラムと補強部材と圧力／電気変換素子とによって、ダイヤフラム圧力センサが構成される。

本発明によれば、ＰＦＡのようなフッ素樹脂で製造されている超音波流量計の超音波伝搬流路の一部に、供給される薬液の流路を妨げることなく、また液溜まりを生じることなくダイヤフラム圧力センサを組み込み、超音波伝搬流路と一体化構造としている。これにより、超音波流量計の外部に圧力センサを取り付ける必要がないために、超音波流量計の配管スペースを小さくすることができる。

また、本願発明によれば、圧力センサを超音波伝搬流路と一体化構造としているために、超音波伝搬流路内の圧力脈動を極力抑えることができるので、正確な圧力測定ができる。

また、本発明によれば、圧力センサを超音波伝搬流路と一体化構造としているために、超音波信号の伝搬を妨げることがないので、正確な流量測定ができる。

図４は、ＰＦＡのようなフッ素樹脂で製造されている超音波流量計において、フッ素樹脂の薬液供給配管４１の一部を構成する超音波伝搬流路に一体化構造として組み込まれたダイヤフラム圧力センサ４２を示している。図４Ａは、ダイヤフラム圧力センサ４２が組み込まれた薬液供給配管４１の一部断面図であり、図４Ｂは、ダイヤフラム圧力センサ４２が組み込まれた薬液供給配管４１の一部側面図である。

図４Ａおよび図４Ｂに示されたように、ダイヤフラム圧力センサ４２の圧力感知部を形成するために、超音波伝搬流路であるフッ素樹脂の薬液供給配管４１の中央部における管壁の一部を薄く削り、ダイヤフラム４３とする。圧力感知部として機能するダイヤフラム４３には、補強のために、例えばセラミック板４４を設け、セラミック板４４には歪み抵抗素子をホイーストンブリッジ回路（図示せず）として貼着し、薬液供給配管４１を流れる薬液により加えられた圧力は、ダイヤフラム４３の歪みを介してセラミック板４４に伝達される。このセラミック板４４の歪みは、歪み抵抗素子の抵抗値変化として電気信号に変換され、これにより圧力が検出される。薬液供給配管４１の管壁の一部を薄く削って構成されるダイヤフラム４３は、セラミック板４４と共に、薬液供給配管４１を流れる薬液の圧力に対して、十分な機械的強度が保証されている。

薬液供給配管４１の超音波伝搬流路に一体化構造として薬液接液部のダイヤフラム４３を形成するために、即ち、薬液供給配管４１の超音波伝搬流路の中央部における管壁の一部を薄く削って平面平滑なダイヤフラム４３を形成するために、薬液供給配管４１の圧力センサ４２の取り付け部における断面方向の対向位置に、予めダイヤフラム４３の平面加工用の空孔４５を切開し、空孔４５から加工用バイトを挿入して、ダイヤフラム４３として機能する部分を薄く削る。この加工により所定の厚さが得られたのち、空孔４５は、溶接機により溶接され、薬液の漏れが内容に完全に埋められる。

図５は、本発明によるダイヤフラム圧力センサ４２を備えた超音波流量計５０を示している。
超音波流量計５０は、薬液供給配管５１の一部を構成する超音波伝搬流路５１Ａの両端に、薬液供給配管１１内を流れる流体の流速を計測するために、圧電素子ＰＺＴによって形成される超音波発振／受信部５２Ａおよび超音波発振／受信部５２Ｂを有している。流体が薬液供給配管５１の一端ＩＮから他端ＯＵＴに抜けていくとすると、超音波発振／受信部５２Ａから発振された超音波振動は、超音波伝搬流路５１Ａ内の流体を伝搬して超音波発振／受信部５２Ｂに到達し、同時に超音波発振／受信部５２Ｂから発振された超音波振動は、流れに逆らって超音波伝搬流路５１Ａに到達する。これにより、図１に関して説明したように、薬液供給配管５１内を流れる流体の流速が得られ、単位時間当たりの流量が計測される。図４Ａおよび図４Ｂに示された圧力センサ４２は、保護用のユニットケース５３の収納される。

図６は、図５に示された超音波流量計５０を使用する、具体的な超音波流量計量装置６０を示しており、超音波流量計量装置６０は、特に半導体製造装置において、流体を一定の流量で且つ安定して吐出し又は滴下することが要求される半導体製造に関わる薬液の流量を計測するのに適している。

超音波流量計量装置６０は、圧力センサ４２（図４、図５）、圧力調節計６２、圧力調節弁６３、流量計測調節計６４、流量調節弁６５を備えている。
入力端ＩＮから流入された薬液は圧力センサ４２によって検知され、検知された圧力は、圧力調節計６２および圧力調節弁６３を介して、予め設定された任意の圧力値になるように制御される。この圧力調整により、超音波流量計５０は、従来装置に比べて更に脈動圧の少ない安定した薬液の流量を計測することができる。超音波流量計５０によって計測された薬液の流量は、流量計測調節計６４および流量調節弁６５を介して、予め設定された任意の流量値になるように制御される。

筒型フッ素樹脂管に流体を流すことによって流量を計測する流量計の原理を示す。 図１に示された超音波流量計を使用する、具体的な超音波流量計量装置を示す。 薬液供給配管における液圧を検出する、従来の典型的なＰＦＡダイヤフラム圧力センサの構造を示している。 図４Ａは、本発明によるダイヤフラム圧力センサが組み込まれた薬液供給配管の一部断面図であり、図４Ｂは、本発明によるダイヤフラム圧力センサが組み込まれた薬液供給配管の一部側面図である。 図５は、図４に示されたダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計を示す。 図６は、図５に示された超音波流量計を使用する、具体的な超音波流量計量装置を示す。

符号の説明

１０、５０ 超音波流量計
１１、４１、５１ 薬液供給配管
１１Ａ、５１Ａ 超音波伝搬流路
１２Ａ、１２Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ 超音波発振／受信部および超音波発振／受信部
２０、６０ 超音波流量計量装置
２２、６２ 圧力調節計
２３、６３ 圧力調節弁
２４、６４ 流量計測調節計
２５、６５ 流量調節弁
３０、４２ ダイヤフラム圧力センサ
３１ セラミックダイヤフラム
３２ 圧力（薬液）導入口
３３ 液溜まり
４３ ダイヤフラム
４４ セラミック板
４５ 空孔
５３ ユニットケース

Claims (3)

1. フッ素樹脂製の薬液供給配管に供給される薬液の圧力を計測するダイヤフラム圧力センサを備え、前記ダイヤフラム圧力センサによって計測された圧力の制御のもとで、前記薬液供給配管の一部を構成する超音波伝搬流路の両端に設けられた超音波発振／受信部により前記薬液の流量を計測する、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計において、前記ダイヤフラム圧力センサが、
   前記薬液に接して圧力感知部を形成するために、前記超音波伝搬流路を構成する前記薬液供給配管の管壁の一部を薄く削って形成されたダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムに対して形成された補強部材と、
   前記補給部材に対して形成された圧力／電気変換素子と、
   を含むことを特徴とする、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計。
2. フッ素樹脂製の薬液供給配管に供給される薬液の圧力を計測するダイヤフラム圧力センサを備え、前記ダイヤフラム圧力センサによって計測された圧力の制御のもとで、前記薬液供給配管の一部を構成する超音波伝搬流路の両端に設けられた超音波発振／受信部により前記薬液の流量を計測する、ダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計の製造方法において、
   前記薬液に接して圧力感知部を形成するために、前記超音波伝搬流路を構成する前記薬液供給配管の管壁の一部を薄く削ってダイヤフラムを形成する工程と、
   前記ダイヤフラムに対して、補強部材を形成する工程と、
   前記補強部材に対して、圧力／電気変換素子を形成する工程と、
   を含み、前記ダイヤフラムと前記補強部材と前記圧力／電気変換素子とによってダイヤフラム圧力センサが構成されることを特徴とするダイヤフラム圧力センサを備えた超音波流量計の製造方法。
3. ダイヤフラムを形成する工程が、
   前記薬液供給配管の断面方向における前記ダイヤフラムの対向位置に空孔を切開する工程と、
   前記ダイヤフラムを形成するために、前記空孔から加工用バイトを挿入して、前記薬液供給配管の管壁の一部を、所定の厚さになるまで薄く削る工程と、
   前記所定の厚さが得られたのち、前記空孔を埋める工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。

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