JP2022011292A - 熱式流量センサ、その製造方法、及びマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、かつボディとの接続部のシール性向上が可能な熱式流量センサ、及び該熱式流量センサを用いたマスフローコントローラの提供。【解決手段】略逆Ｕ字型を有し流体を流すセンサチューブ２２と、センサチューブの途中に設けられた一対の発熱抵抗体２３ａ，２３ｂと、センサチューブの両側の下端部にそれぞれ挿通され、外周側にねじ部を有する略円筒状の中空ボルト２４Ａと、センサチューブの両側の下端部にそれぞれ外嵌されて接合され、中空ボルトと係合する略円筒状のフランジ部材２４Ｂと、を有し、中空ボルトは、センサ流入路１３ａ及びセンサ流出路１３ｂの各流路口に設けられた拡径部１５の内周側のねじ部に螺合して、フランジ部材を拡径部内に固定するとともに、センサチューブの各端部をセンサ流入路及びセンサ流出路にそれぞれ接続する。【選択図】図５

Description

本発明は、熱式流量センサ、その製造方法、及びマスフローコントローラに関する。

従来、半導体製造プロセスに用いられるプロセスガス等の質量流量制御装置として、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）が用いられており、特に精密な流量測定のために熱式ＭＦＣが多く用いられている。
この熱式ＭＦＣは、熱式流量センサで測定した流量に基づいて調整弁をフィードバック制御し、一次側から供給された流体（ガス等）を、指示された流量だけ二次側へ送出する装置である。

熱式流量センサは、流量測定のためにＭＦＣの流体流路を通過する流体の一部を流すセンサ流路を有し、その途中の上流側と下流側に設けた発熱抵抗体で通電加熱しつつ、両発熱抵抗体の抵抗値差として検出される温度差から、センサ流路を流れる流体の質量流量を測定する。
センサ流路は、他の大部分の流体を流すバイパス流路と並列に接続され、センサ流路とバイパス流路との流量の比率は既知で圧力によらずほぼ一定であるため、センサの検出流量から、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が算出できる（たとえば特許文献１）。

従来の熱式流量センサのＭＦＣボディへの取り付け構造の一例を図６に示す。
図６に示すように、一対の発熱抵抗体（図示省略）が巻回された逆Ｕ字型のセンサチューブ２２の両側の直線部分は、センサベース１１のそれぞれの貫通孔を通過し、センサチューブ１２２の両端部分に溶接された各センサフランジ２４は、前記貫通孔の拡径部分に嵌まるようになっている。センサベース２１をボディ１０に４つのボルトＢＴで固定することにより、熱式流量センサはボディ１０に対して固定され、センサチューブ２２の両端が、シール部材２６を介してＭＦＣボディ１０内部のセンサ流入路１０ｃとセンサ流出路１０ｄにそれぞれ接続されている。
尚、センサカバー２５は、下側が開いた箱状をなし、センサベース２１に連結されてセンサチューブ２２および発熱抵抗体を収容する（特許文献１）。

特許６５３４８３０号

このような従来の熱式流量センサの構造では、４点での固定箇所を有する寸法の大きいセンサベースを用いるため、省スペース化が難しいという問題があった。
また、ボルトによりセンサベースの４隅を締め付け、面圧によりシールを行っているが、現在では従来以上に流量の精密制御が求められているため、シール性の向上も求められている。

本発明の目的は、上記問題を解決し、小型化が可能で、かつボディとの接続部のシール性向上が可能な熱式流量センサ、及び該熱式流量センサを用いたマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を提供することにある。

本発明の熱式流量センサは、
略逆Ｕ字型を有し流体を流すセンサチューブと、
前記センサチューブの途中に設けられた一対の発熱抵抗体と、
前記センサチューブの両側の下端部にそれぞれ挿通され、外周側にねじ部を有する略円筒状の中空ボルトと、
前記センサチューブの両側の下端部にそれぞれ接合され、前記中空ボルトと係合する略円筒状のフランジ部材と、を有し、
前記中空ボルトは、マスフローコントローラのセンサ流入路及びセンサ流出路の各流路口に設けられた拡径部の内周側のねじ部に螺合して、前記フランジ部材を前記拡径部内に固定するとともに、前記センサチューブの各端部を前記センサ流入路及びセンサ流出路にそれぞれ接続するように構成されたことを特徴とする。

上記センサにおいて、前記フランジ部材は、外周側に、下端側の大径部分と上端側の小径部分を有し、前記中空ボルトは、前記小径部分に挿通されて前記大径部分との段差部に係合し、
両方の前記フランジ部材の前記小径部分の上端部に固定されて前記センサチューブを収容するセンサカバーをさらに有する構成を好ましく採用できる。

上記センサにおいて、前記中空ボルトと前記フランジ部材の前記段差部との間にスラストワッシャを設けた構成が好ましく採用できる。

上記センサにおいて、前記センサカバーは、箱型を有し、該箱型の下面を構成する下板には、２本の平行なスリットが開口し、
前記フランジ部材の前記小径部分の途中の外周側には、二面取り部が凹設され、該二面取り部が前記スリットに嵌合することにより、前記センサカバーが前記両方のフランジ部材に固定されている構成が好ましく採用できる。

上記センサにおいて、前記フランジ部材の軸方向における前記二面取り部の幅が、前記センサカバーの前記下板の厚さ以上である構成が好ましく採用できる。

本発明のマスフローコントローラは、
流体が通過する流体流路及び該流体流路からそれぞれ分岐して上面に流路口を有するセンサ流入路及びセンサ流出路が内部に形成されたボディと、
流体を前記センサ流入路から取り入れて前記センサ流出路へ還流し、通過する流体の質量流量を測定する熱式流量センサと、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整する調整バルブと、
前記流量センサで測定された流体の質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する制御部と、
を有する、マスフローコントローラであって、
前記熱式流量センサとして、上記いずれかの熱式流量センサを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、従来のセンサベースを廃止し、センサチューブの両端部のフランジ部材に係合した中空ボルトが、ボディの流路口のねじ部に螺合することにより、熱式流量センサを固定する構造としたので、小型化され、かつボディとの接続部のシール性が向上した熱式流量センサと、該熱式流量センサを含むマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を提供することができる。

本発明の実施形態に係るＭＦＣを概念的に示す縦断面図。 流量センサのブリッジ回路を示す説明図。 図１のＭＦＣの熱式流量センサを示す概略縦断面図。 図２の流量センサのＡ－Ａ線断面図。 図２の流量センサのＭＦＣボディへの取付け状態を示す概略縦断面図。 従来のの流量センサの取付け部分の一例を示す概略縦概略図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
尚、明細書や特許請求の範囲において、要素間の位置関係を説明する際、「上面」「下面」「上端側」「下端側」など、上下方向の位置関係を示す用語を用いる場合があるが、これは記載の便宜上、図面に示された上下関係で説明するものであり、実際の製品使用時には、各要素が必ずしもその上下方向位置関係になるわけではない。

（ＭＦＣの全体構成）
図１は、本実施形態の熱式流量センサを含むＭＦＣを概念的に示す縦断面図である。
ＭＦＣ１は、ボディ１０と、流量センサ２０と、制御部３０と、流量調整バルブ４０とを主に備える。

ボディ１０は、ステンレス等の鋼材により構成され、本実施形態では上流側ブロック１０Ａとボディ（本体ブロック）１０とがボルトで締結されて構成されている。ボディ１０には、流入路（図示省略）と、センサ流入路１３ａと、バイパス流路１２と、センサ流出路１３ｂと、弁室（図示省略）と、流出路（図示省略）とが形成されている。これらの各流路を総称して「流体流路」という。

バイパス流路１２へは、流入路（図示省略）を通過した流体が流入する。センサ流入路１３ａは、バイパス流路１２の上流から分岐し、流量センサ２０へ流体を流す。センサ流出路１３ｂは、流量センサ２０を通過した流体を流出させ、バイパス流路１２の下流で合流する。

バイパス流路１２およびセンサ流入路１３ａは、所定の流量比（例えば、１：２～１：１０００）で流体が流れるように構成されている。バイパス流路１２内には、複数枚のバイパスシートが設けられている。弁室（図示省略）内には、流量調整バルブ４０のバルブ本体が配置されている。

流量センサ２０は、熱式流量センサであり、例えば図２に示すように、細管からなるセンサチューブ（センサ流路）２２と、該センサチューブ２２の途中の上流側及び下流側に巻き付けられた発熱コイルからなる一対の発熱抵抗体２３ａ，２３ｂを含む。この流量センサ２０の機械的構造については、後で詳述する。

図２に示すように、前記発熱抵抗体２３ａ，２３ｂは、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２とをこの順にダイヤモンド状に接続され、ブリッジ回路２８を形成する。このブリッジ回路２８の接続点Ｐ１～Ｐ２間に入力電圧を加え、接続点Ｐ３～Ｐ４間から出力電圧を得るようになっている。なお、ブリッジ回路２８は、物理的には、制御部３０のボードに設けられているが、機能的には流量センサ２０の出力部と捉えられる。

制御部３０は、図１において、流量センサ２０からの信号に基づいて流体の流量を算出し、バイパス流路１２を流れる流体が所定の流量となるように流量調整バルブ４０へ制御信号を出力するフィードバック制御を行う。制御部３０は、増幅器，ＡＤ変換器、マイコン、ＤＡ変換器、外部との通信インターフェース等（いずれも図示省略）を含む。

流量調整バルブ４０は、制御部３０からの制御信号に基づいて流体の流路を開閉するバルブであり、バルブ本体と駆動アクチュエータとからなる。

（流量センサ）
本実施形態の流量センサ２０の詳細を図３に示す。流量センサ２０は、前記したように、細管からなるセンサチューブ２２と、該センサチューブ２２の中央部分２２ｃの上流側及び下流側に巻き付けられた一対の発熱抵抗体２３ａ，２３ｂと、フレキシブル支持部材２２ｄと、中空ボルト２４Ａと、フランジ部材２４Ｂと、センサカバー２５と、を主に備える。

センサチューブ２２は、通常ステンレス合金製で、直線状の中央部分２２ｃとその上流側及び下流側から直角方向に屈曲又は湾曲して伸びる直線状の両側部分２２ａ，２２ｂと、からなる略逆Ｕ字型を有し、中央部分２２ｃに発熱抵抗体２３ａ，２３ｂが巻き付けられている。発熱抵抗体２３ａ，２３ｂは、前記した通りである。

フレキシブル支持部材２２ｄは、センサチューブ２２等をセンサカバー２５の内壁に接触しないように保護するとともに、発熱抵抗体２３ａ，２３ｂからのリード配線を所定ルートで引き回すための樹脂製の支持部材で、逆Ｕ字型のセンサチューブ２２の内側に嵌められている。このフレキシブル支持部材２２ｄは必須ではないが、上記目的ために、取り付けることが好ましい。

中空ボルト２４Ａは、センサチューブ２２の両側の下端部（両側部分２２ａ，２２ｂ）にそれぞれ挿通され、外周側にねじ部２４Ａａを有する略円筒状の部材で、ＭＦＣ１のセンサ流入路１３ａ及びセンサ流出路１３ｂの各流路口に設けられた拡径部１５（図５参照）の内周側のねじ部１５ａ（図５参照）に螺合するようになっている。中空ボルト２４Ａの外周の上端部側には、二面幅加工により工具係合部分２４Ａｂが設けられ、スパナ等の工具によりこの部分を掴んで中空ボルト２４Ａを回転できるようになっている。

フランジ部材２４Ｂは、センサチューブ２２の両側部分２２ａ，２２ｂのそれぞれの端部に外嵌され、溶接により接合されている。この嵌合・溶接は、内周側の最下端部２４Ｂｃのみに施され、それ以外の箇所ではセンサチューブ２２の外周とフランジ部材２４Ｂの内周との間は隙間がある。このフランジ部材２４Ｂは、外周側に、下端側の大径部分２４Ｂａと上端側の小径部分２４Ｂｂを有し、前記中空ボルト２４Ａは、前記小径部分２４Ｂｂに挿通されて前記大径部分２４Ｂａとの段差部２４Ｂｄに係合している。

尚、前記中空ボルト２４Ａとフランジ部材２４Ｂの前記段差部２４Ｂｄとの間にスラストワッシャ２４Ｃを設けてもよい。このスラストワッシャ２４Ｃは、中空ボルト２４Ａと段差部２４Ｂｄとの間の摩擦抵抗を低減する。前記スラストワッシャは複数（好適には２枚）設けられる。
この構成により、中空ボルト２４Ａを流路口の拡径部１５（図５参照）のねじ部１５ａ（図５参照）に螺合又はその解除をする際に、フランジ部材２４Ｂが供回りするのを防ぐことができる。

センサカバー２５は、フランジ部材２４Ｂの小径部分２４Ｂｂの上端部に固定されて前記センサチューブ２２を収容するものである。このセンサカバー２５は必須ではないが、センサチューブの温度を安定させて、測定精度を維持するとともに、センサチューブ２２や発熱抵抗体２３ａ，２３ｂを保護するために、取り付けることが非常に好ましい。
図３及び図４に示すように、センサカバー２５は、箱型を有し、該箱型の下面を構成する下板２５ｃには、２本の平行なスリット２５ｄが開口し、前記フランジ部材２４Ｂの前記小径部分２４Ｂｂの途中の外周側には、二面取り部２４Ｂｅが凹設され、該二面取り部２４Ｂｅが前記スリット２５ｄに嵌合することにより、前記センサカバー２５が前記両方のフランジ部材２５ｄに固定されている。
具体的には、センサカバー２５は、側面が開いた箱型を有するセンサカバー本体２５ａと、側面を覆う側面カバー２５ｂとからなり、前記センサカバー本体２５ａの下面を構成する下板２５ｃには、前記側面側から対抗する側面側に向かって２本の平行なスリット２５ｄが開口している。
一方、フランジ部材２４Ｂの前記小径部分２４Ｂｂの途中の外周側には、二面取り部２４Ｂｅが凹設されているので、２つのフランジ部材２４Ｂの二面取り部２４Ｂｅを、センサカバー本体２５ａの側面側からそれぞれのスリット２５ｄに嵌合させる。それにより、前記センサカバー本体２５ａが前記両方のフランジ部材２４Ｂに固定されるとともに、センサチューブ２２と発熱抵抗体２３ａ，２３ｂが、センサカバー本体２５ａに収容される。
また、二面取り部２４Ｂｅとスリット２５ｄとの嵌合により、各フランジ部材２４Ｂの回転が規制されるので、流量センサ２０全体をＭＦＣ１のボディに取り付ける際に、フランジ部材２４Ｂが中空ボルト２４Ａと供回りするのを防ぐことができる。
その後、側面カバー２５ｂを取り付ける。この側面カバー２５ｂの下端部には、切り欠き部が設けられているので、それを通して発熱抵抗体２３ａ，２３ｂのリード線を外部へ引き出すことができる。

図５は、このように組み立てられた本実施形態の流量センサ２０を、ＭＦＣ１のボディ１０に取りつけた状態を示す。
すなわち、中空ボルト２４ＡをＭＦＣ１のセンサ流入路１３ａ及びセンサ流出路１３ｂの各流路口に設けられた拡径部１５の内周側のねじ部１５ａに螺合する。これにより、前記フランジ部材２４Ｂが前記拡径部１５の底部に配置された環状のメタルガスケットからなるシール部材２６に当接し、流量センサ２０全体が固定されるとともに、センサチューブ２２の各端部が前記センサ流入路１３ａ及びセンサ流出路１３ｂにそれぞれ接続される。
中空ボルト２４Ａを締め込むことにより、シール部材２６はフランジ部材２４Ｂと拡径部１５の底部との間で挟まれて変形し、センサチューブ２２の各端部と前記センサ流入路１３ａ及びセンサ流出路１３ｂとの接続部がシールされる

尚、前記フランジ部材２４Ｂの軸方向における前記二面取り部２４Ｂｅの幅が、前記センサカバー２５の前記下板２５ｃの厚さ以上である構成が好ましく採用できる。
この構成により、流量センサ２０をＭＦＣのボディ１０へ取付ける際、２箇所の流路口において、中空ボルト２４Ａの締め込み量に差が生じて、フランジ部材２４Ｂの前記二面取り部２４Ｂｅ又は高さに差が出ても、上記構成により センサカバーの歪み等の悪影響を防止できる。

（ＭＦＣの動作）
次に、このように構成された流量センサ２０とこの流量センサ２０を含む本実施形態のＭＦＣ１の動作について、図１及び図２を参照して説明する。
流量センサ２０において、ブリッジ回路２８の接続点Ｐ１～Ｐ２間に電圧Ｖ_ｉｎ（図３ではＶ０と略等しい）を加え、上流側と下流側の発熱抵抗体２３ａ、２３ｂに通電して発熱させるとともに、これらの発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂ（温度に比例する）を検出する。センサチューブ２２内に流体が流れると、上流側の発熱抵抗体２３ａは、流れてくる流体で冷やされて温度の上昇が抑えられ、下流側の発熱抵抗体２３ｂは、上流側の発熱抵抗体２３ａで加熱された流体が流れてくるので、温度の上昇が大きく、その結果、両発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの間で温度差が生ずる。この温度差は、ある流量の範囲では流体の質量流量に比例すると見なせる。ブリッジ回路２８は、この温度差の指標となる発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの抵抗値差Ｒａ－Ｒｂを、接続点Ｐ３～Ｐ４間の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに変換して出力している。
（基準抵抗Ｒ１とＲ２が等しい場合、Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｉｎ×（Ｒｂ－Ｒａ）／（Ｒａ＋Ｒｂ）となり、Ｖ_ｏｕｔはＲｂ－Ｒａにほぼ比例する。）

流量センサ２０のブリッジ回路２８からの出力信号は、制御部３０の増幅器（図示省略）に入力され、ＡＤ変換器（図示省略）でデジタル化される。マイコン（図示省略）は、デジタル化された信号を処理して流量値を算出する。マイコン（図示省略）は、この流量値と外部のコントローラ（図示省略）から入力された流量設定値とを比較し、制御信号を出力する。この制御信号は、算出された流量値と流量設定値との単なる差分信号でもよいが、差分とその積分と微分に基づくＰＩＤ制御信号であることが好ましい。
この制御信号は、ＤＡ変換器（図示省略）でアナログ電圧に変換され、さらに増幅器（図示省略）で増幅されて、流量調整バルブ４０を駆動する。
このような、フィードバック制御を行うことにより、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が所定値になるように調整する。

本発明によれば、従来のセンサベースを廃止し、センサチューブの両端部のフランジ部材に係合した中空ボルトが、ボディの流路口のねじ部に螺合することにより、熱式流量センサを固定する構造としたので、小型化され、かつボディとの接続部のシール性が向上した熱式流量センサと、該熱式流量センサを含むマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１ ：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１０ ：ボディ
１０Ａ ：上流側ブロック
１２ ：バイパス流路
１３ａ ：センサ流入路
１３ｂ ：センサ流出路
１５ ：拡径部
１５ａ ：ねじ部
２０ ：流量センサ（熱式流量センサ）
２１ ：センサベース
２２ ：センサチューブ（センサ流路）
２２ａ，２２ｂ：両側部分
２２ｃ ：中央部分
２３ａ，２３ｂ：発熱抵抗体（発熱コイル）
２４Ａ ：中空ボルト
２４Ａａ ：ねじ部
２４Ａｂ ：工具係合部分
２４Ｂ ：フランジ部材
２４Ｂａ ：大径部分
２４Ｂｂ ：小径部分
２４Ｂｃ ：溶接部分
２４Ｂｄ ：段差部
２４Ｂｅ ：二面取り部分
２４Ｃ ：スラストワッシャ
２５ ：センサカバー
２５ａ ：センサカバー本体
２５ｂ ：側面カバー
２５ｃ ：下板
２５ｄ ：スリット
２６ ：シール部材
２８ ：ブリッジ回路
３０ ：制御部
４０ ：流量調整バルブ
ＢＴ ：ボルト
Ｐ１～Ｐ４：接続点

Claims (6)

1. 略逆Ｕ字型を有し流体を流すセンサチューブと、
   前記センサチューブの途中に設けられた一対の発熱抵抗体と、
   前記センサチューブの両側の下端部にそれぞれ挿通され、外周側にねじ部を有する略円筒状の中空ボルトと、
   前記センサチューブの両側の下端部にそれぞれ接合され、前記中空ボルトと係合する略円筒状のフランジ部材と、を有し、
   前記中空ボルトは、マスフローコントローラのセンサ流入路及びセンサ流出路の各流路口に設けられた拡径部の内周側のねじ部に螺合して、前記フランジ部材を前記拡径部内に固定するとともに、前記センサチューブの各端部を前記センサ流入路及びセンサ流出路にそれぞれ接続するように構成されたことを特徴とする、熱式流量センサ。
2. 前記フランジ部材は、外周側に、下端側の大径部分と上端側の小径部分を有し、
   前記中空ボルトは、前記フランジ部の前記小径部分に挿通されて前記大径部分との段差部に係合し、
   両方の前記フランジ部材の前記小径部分の上端部に固定されて前記センサチューブを収容するセンサカバーをさらに有する、請求項１に記載の熱式流量センサ。
3. 前記中空ボルトと前記フランジ部材の前記段差部との間にスラストワッシャを設けた、請求項１又は２に記載の熱式流量センサ。
4. 前記センサカバーは、箱型を有し、該箱型の下面を構成する下板には、２本の平行なスリットが開口し、
   前記フランジ部材の前記小径部分の途中の外周側には、二面取り部が凹設され、該二面取り部が前記スリットに係合することにより、前記センサカバーが前記両方のフランジ部材に固定されている、請求項２に記載の熱式流量センサ。
5. 前記フランジ部材の軸方向における前記二面取り部の幅が、前記センサカバーの前記下板の厚さ以上である、請求項４に記載の熱式流量センサ。
6. 流体が通過する流体流路及び該流体流路からそれぞれ分岐して上面に流路口を有するセンサ流入路及びセンサ流出路が内部に形成されたボディと、
   流体を前記センサ流入路から取り入れて前記センサ流出路へ還流し、通過する流体の質量流量を測定する熱式流量センサと、
   前記流体流路を通過する流体の流量を調整する調整バルブと、
   前記流量センサで測定された流体の質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する制御部と、
   を有する、マスフローコントローラであって、
   前記熱式流量センサとして、請求項１～５のいずれかに記載の熱式流量センサを用いたことを特徴とする、マスフローコントローラ。
   

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