JP5079401B2 - 圧力センサ、差圧式流量計及び流量コントローラ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば化学工場、半導体製造、食品、バイオ等の各種産業分野における流体輸送配管中に用いられる圧力センサ、差圧式流量計及び流量コントローラに関する。

従来、流体の圧力を測定する圧力センサが広く用いられている。このような圧力センサには、たとえば半導体の製造プロセスのように、高純度の硝酸、塩酸、フッ化水素酸等の腐食性薬品を含む流体圧力を測定する場所に設置して使用されるものがある。具体例をあげると、半導体製造装置においては、半導体基板のエッチング処理に際し、フッ化水素酸等を含む薬液が使用されるので、この薬液を安定供給するため、薬液の循環回路中に圧力センサが組み込まれる。

このような圧力センサは、圧力測定を行う流体が流れる流体主流路から上方へＴ字状に分岐した圧力導入流路の端部に設けられている。
また、上述した圧力センサについては、流体主流路にオリフィスを介して一対設置されることにより、両圧力センサの差圧を流量に換算して算出する流量計として用いることができる。そして、この流量計による算出流量と、予め設定した設定流量との差をなくすように可変バルブの開度を制御すれば、流体主流路の流量を所望の値にフィードバック制御する流量コントローラとなる。（たとえば、特許文献１参照）
特開平４−２９８３５号公報（図１参照）

ところで、上述した圧力センサにおいては、特に液体の圧力を測定するような場合、圧力測定を行う流体を流体主流路から導入する圧力導入流路に空気やガス等の圧縮性流体が滞留すると、正確な圧力測定が困難になる。つまり、スラリー液の停滞はスラリー液の凝固を誘発するので、凝固の成長により最終的には圧力測定が不可能になる。また、たとえば半導体製造プロセスにおいては、凝固したスラリーが流れ出し、ウエハー上にスクラッチを発生させる原因となることもある。さらに、流体の停滞は薬液置換の性能を著しく悪化させ、薬液を流した後に純水を流すと、薬液がなかなか流れきれず、抵抗値が下がるまでに時間がかかるなど圧力測定の性能以外についても特性に影響を及ぼすことがある。さらにまた、従来の圧力センサを使用した差圧式流量計に関しては、薬液の停滞は温度変化による影響に素早く反応することができず、誤作動の原因となることがある。

すなわち、従来の圧力センサは、流体主流路から上方へＴ字状に分岐した圧力導入流路の上端部に圧力検出部が配置されているので、圧力導入流路内に圧縮性流体が入り込むと受圧面まで上昇する。このため、圧力導入部内へ入り込んだ圧縮性流体は流体主流路へ戻って流出することが困難になり、圧力測定を行う流体と受圧面との間に滞留して圧力測定や半導体プロセス上に様々な問題を生じることがあった。
このようにして、圧力センサの受圧面に圧縮性流体が滞留した状態では、流体主流路を流れる流体から動圧変動の影響を受けるなどして、圧力センサによる流体圧力の測定を正確に行うことは困難である。

このような背景から、流体主流路から分岐した圧力導入流路を備えている圧力センサにおいては、圧力センサによる正確な測定を可能にするため、圧力導入部内の圧力センサ受圧面付近に圧縮性流体が滞留しない構造が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮性流体が圧力導入部内の圧力センサ受圧面付近に滞留することを防止した構造の圧力センサを提供するとともに、この圧力センサを用いた差圧式流量計及び流量コントローラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係る圧力センサは、圧力測定を行う流体が流れる流体主流路から上方へＴ字状に分岐する圧力導入流路に圧力検出部を配置した圧力センサにおいて、前記圧力導入流路が、流体流れ方向下流側となる壁面に、前記流体の入口側開口面積を広げる方向の傾斜面を備え、前記圧力導入流路が前記流体の入口側開口面積を狭めたすり鉢形状とされ、該すり鉢形状の流体流れ方向下流側の壁面に前記傾斜面を設けたことを特徴とするものである。

このような圧力センサによれば、圧力導入流路が、流体流れ方向下流側となる壁面に、流体の入口側開口面積を広げる方向の傾斜面を備え、圧力導入流路が流体の入口側開口面積を狭めたすり鉢形状とされ、該すり鉢形状の流体流れ方向下流側の壁面に傾斜面を設けたので、流体中に空気等の圧縮性流体が含まれていても、圧力導入路内に滞留することなく下流側へ傾斜する傾斜面に沿って流出する。また、圧力導入流路の流体入口面積が小さくなるので、流体の動圧による測定誤差を低減することができ、しかも、傾斜面が圧縮性流体の滞留を防止するので、流体の圧力測定をより正確に実施することができる。

本発明の参考例である圧力センサは、圧力測定を行う液体の流体が流れる流体主流路から上方へＴ字状に分岐する圧力導入流路に圧力検出部を配置した圧力センサにおいて、前記圧力導入流路が、流体流れ方向下流側となる壁面に設けた傾斜面を備え、該傾斜面は、前記流体の入口側開口面積を広げる方向に傾斜して前記圧力導入流路内に入り込む圧縮性流体を流出させることを特徴とするものである。
このような圧力センサによれば、圧力導入流路が、流体流れ方向下流側となる壁面に設けた傾斜面を備え、該傾斜面は、前記流体の入口側開口面積を広げる方向に傾斜して前記圧力導入流路内に入り込む圧縮性流体を流出させるので、流体中に空気等の圧縮性流体が含まれていても、圧力導入路内に滞留することなく下流側へ傾斜する傾斜面に沿って流出する。

本発明の差圧式流量計は、前記流体主流路にオリフィスを介して請求項１に記載の圧力センサを一対直列に配置し、両センサで検出した圧力値の信号入力を受ける制御部が差圧を流量に換算して流量測定を行うことを特徴とするものである。

このような差圧式流量計によれば、流体中に空気等の圧縮性流体が含まれていても、圧力センサの圧力導入路内に滞留することはないので、両圧力センサにより差圧を正確に検出することができる。また、両方の圧力センサ内に流体が停滞することはなく、すぐに温度変化に対応できるので、流体の温度変化による圧力値の温度ドリフトに起因する誤差をなくすことができる。従って、両圧力センサを用いて流量測定を行う差圧式流量計は、その流量測定精度が向上する。

本発明の流量コントローラは、請求項１に記載の圧力センサを一対前記流体主流路にオリフィスを介して直列に配置し、両センサで検出した圧力値の信号入力を制御部に受けて差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、を具備して構成したものである。

このような流量コントローラによれば、圧力センサで差圧を正確に検出できるようになるため、差圧式流量計の流量測定精度が向上する。従って、この流量測定値を用いて開度制御する流量制御弁を備える流量コントローラも、その流量コントロール精度を向上させることができる。

上述した本発明によれば、流体中に含まれる空気等の圧縮性流体が圧力検出部周辺に滞留することを防止できるので、圧力センサの検出値が正確になる。また、スラリー凝固による測定不能やウエハー上のスクラッチ発生などを防止することができ、さらに、差圧式流量計を構成した場合には、温度変化に対しても誤作動を生じることなく検出できる。
従って、この圧力センサを構成要素とする差圧式流量計により測定される流量精度が向上し、さらに、差圧式流量計で測定した流量測定値を用いて流量制御弁の開度制御を行う流量コントローラについても、その流量コントロール精度が向上するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る圧力センサ、差圧式流量計及び流量コントローラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図３に示す第１の実施形態において、図１は流量コントローラ１０の正面図、図２は図１の平面図、図３は図１の縦断面図である。この流量コントローラ１０は、後述する流体主流路１２と連通する配管１１に組み込まれ、同流路内を流れる液体（薬液等）の流体流量を一定に保つ流量制御装置であり、実際の流体流量を測定するための差圧式流量計２０と、弁体の開度制御が可能な流量調整弁６０とを具備して構成される。なお、差圧式流量計２０は、流体主流路１２内を流れる流体の流れ方向において、流量調整弁６０の上流側に配置されている。

差圧式流量計２０は、一対の圧力センサ２１Ａ，２１Ｂがオリフィスユニット４０を介して直列に配置された構成とされる。すなわち、差圧式流量計２０では、オリフィスユニット４０を通過することで圧力差を生じた流体圧力が両圧力センサ２１Ａ，２１Ｂによって各々検出され、これら二つの圧力値は各々電気信号に変換されて制御部５０に入力される。こうして圧力値の信号入力を受けた制御部５０は、二つの圧力値から得られる差圧を流量に換算することにより、流体主流路を流れる流体の流量測定を行うことができる。以下の説明では、必要に応じてオリフィスユニット４０より上流側に配置した圧力センサ２１Ａを第１センサと呼び、下流側に配置した圧力センサ２１Ｂを第２センサと呼んで区別する。
なお、圧力センサ２１Ａ，２１Ｂの構成は、後述する本体及び圧力導入流路形状を除いて基本的に同じであるから、以下では上流側の第１センサ２１Ａについて説明する。

第１センサ２１Ａは、たとえば図３に示すように、圧力測定を行う流体が流れる流体主流路１２から上方へＴ字状に分岐する圧力導入流路２２に配置されたセンサ本体（圧力検出部）２３を備えている。図示の構成では、ボディ２４を貫通して形成された流体流路１２と略直交するようにして、上方のセンサ収納空間２５へ連通する圧力導入路２２が設けられている。センサ本体２３は、流体圧力を検出できれば特に限定されることはないが、たとえばピエゾ式圧力センサや静電容量式圧力センサ、ひずみゲージ式圧力センサが好ましい。なお、本実施形態では、センサ本体２３として、ひずみゲージ式圧力センサを用いている。
ボディ２４の上部には、センサ本体２３及び制御基板等の関連部品を覆うようにしてカバー２６が取り付けられている。なお、図中の符号２７は、センサ本体２３で検出した圧力値の電気信号を制御部５０へ入力するケーブルである。

一方、第２センサ２１Ｂは、後述する６０と一体のボディ２４Ａに流体主流路１２が形成されること、そして、圧力導入流路２２Ａの形状が上述した第１センサ２１Ａと異なっている。すなわち、第２センサ２１Ｂの圧力導入流路２２Ａは、流体流れ方向下流側となる壁面に、流体の入口側開口面積を広げる方向の傾斜面２８を備えている。この傾斜面２８は、圧力導入流路２２Ａの下流側半分を略円錐台形状にして側壁面に傾斜を設けたものであり、圧力導入流路２２Ａは、流体主流路１２に連通して流体入口側となる下方の流路断面積がセンサ収納空間２５に連通する流体出口側より大きくなっている。なお、他の構成については、上述した第１センサ２１Ａと同じである。
ところで、上述した構成例では、第２センサ２１Ｂにのみ傾斜面２８を設けているが、この傾斜面２８は、第１センサ２１Ａ及び第２センサ２１Ｂの両方に設けることが好ましいことはいうまでもない。

オリフィスユニット４０は、第１センサ２１Ａと第２センサ２１Ｂとの間に設置される筒状部材のオリフィス本体４１を備えている。このオリフィス本体４１には、第１センサ２１Ａ及び第２センサ２１Ｂのボディ２４，２４Ａに形成された流体主流路１２Ａ，１２Ｂを同じ流路断面積で連結する流体主流路１２Ｃが設けられている。また、流体主流路１２Ｃの適所には、流体主流路１２Ｃより流路断面積を絞ったオリフィス流路４２が形成されている。図示の例では、流体主流路１２Ｃから最小径のオリフィス流路４２まで、段階的に流路断面積が狭められている。
オリフィス本体４１は、流体主流路１２Ａ，１２Ｂと同じ流路断面積を有する上流側の一端が第１センサ２１Ａのボディ２４内に挿入され、オリフィス孔４２を形成した下流側の他端が第２センサ２１Ｂの流体主流路１２Ｂ内に挿入されている。なお、オリフィス本体４１の両端は、袋ナット４３を用いた継手構造によりボディ２４，２４Ａに固定されている。

圧力センサ２１Ｂの下流側となる流体主流路１２には、圧力センサ２１Ｂと共通のボディ２４Ａに流量調整弁６０が設置されている。この流量調整弁６０は、差圧式流量計２０の流量測定値と予め定めた設定流量との差が所定の範囲内に入るよう開度制御を行うものである。
図示の流量調整弁６０は、ステッピングモータ等のモータ６１を備えた駆動機構によりニードル（弁体）６２を上下方向に移動させ、弁座６３に対してニードル６２が所望の開度位置となるように開閉動作させる構成を採用している。しかし、流量調整弁６０については、ニードル６２の開度調整が可能なものであれば、その駆動機構や弁体構造など特に限定されることはない。なお、図中の符号６４はモータ６１等を覆うカバー、６５はモータ６１に接続されたケーブル、１２Ｄは流体の出口となる流体主流路である。

上述した第１センサ２１Ａは、ボディ２４がベース部材１３上に固定支持されている。同様に、上述した第２センサ２１Ｂ及び流量調整弁６０は、共通のボディ２４Ａがベース部材１４上に固定支持されている。そして、ボディ２４，２４Ａ間をオリフィスユニット４０で連結するとともに、ベース部材１３，１４を連結して一体化することで、差圧式流量計２０と流量調整弁６０とを備えた流量コントローラ１０が構成される。
なお、図中の符号１５は、配管１１をボディ２４，２４Ａに連結して固定する継手構造の袋ナットである。

このように構成された流量コントローラ１０は、運転開始前において、制御部５０に対し一定に保ちたい所望の流体流量（以下、「設定流量」と呼ぶ）Ｑｒを入力して記憶させる。制御部１０は、入力された設定流量Ｑｒに対応する弁開度となるように、流量調整弁６０のニードル６２を動作させて初期開度を設定する。そして、流量コントローラ１０に流体を流すと、差圧式流量計２０が実際に流れる流体流量（以下、「測定流量」と呼ぶ）Ｑｆを測定して制御部５へ入力するので、制御部５０の内部では、測定流量Ｑｆと設定流量Ｑｒとの流量差ΔＱ（ΔＱ＝Ｑｒ−Ｑｆ）を求めて比較する。

上述した流量差ΔＱは、予め設定された許容範囲ｑと比較される。そして、流量差ΔＱの絶対値が許容範囲ｑより小さい（ΔＱ＜ｑ）場合には、所望の設定流量Ｑｒが流れていると判断して流量調整弁６０を初期開度のまま維持する。
一方、上述した流量差ΔＱが正の値（Ｑｒ＞Ｑｆ）となり、かつ、流量差ΔＱの絶対値が許容範囲ｑ以上に大きい（ΔＱ≧ｑ）場合には、測定流量Ｑｆが所望の設定流量Ｑｒを満足しない少量側の状態と判断できる。そこで、流量調整弁６０のニードル６２は、測定流量Ｑｆを増加させるため、初期開度より開度が大きくなる方向へ動作させる。

さらに、上述した流量差ΔＱが負の値（Ｑｒ＜Ｑｆ）となり、かつ、流量差ΔＱの絶対値が許容範囲ｑ以上に大きい（ΔＱ≧ｑ）場合には、測定流量Ｑｆが所望の設定流量Ｑｒを満足しない多量側の状態と判断できる。そこで、流量調整弁６０のニードル６２は、測定流量Ｑｆを減少させるため、初期開度より開度が小さくなる方向へ動作させる。
このようにして、流体コントローラ１０は、差圧式流量計２０から入力される測定流量Ｑｆに基づいて、設定流量Ｑｒとの比較により得られる流量差ΔＱの絶対値が所定の許容範囲ｑを満足するようにフィードバック制御を行って、流体主流路１２を流れる流体流量を一定に保つことができる。

さて、上述した差圧式流量計２０の構成要素である第２センサ２１Ｂは、圧力導入流路２２Ａを形成する壁面が傾斜面２８を備えている。この傾斜面２８は、流体流れ方向下流側となる壁面が流体入口側の開口面積を下流側へ広げるように傾斜したものであるから、流体主流路１２Ｂを流れる流体に空気のような圧縮性流体が含まれていても、圧力導入流路２２Ａ内に滞留することなく下流側へ流出する。すなわち、流体主流路１２Ｂを流れる流体に含まれている圧縮性流体が圧力導入流路２２Ａ内に入り込んでも、この圧縮性流体は、流れに引かれるように流体流れ方向下流側の入口開口面積を広げる傾斜面２８に沿って容易に流出するので、流体主流路１２ＢからＴ字状に上方へ分岐した圧力導入流路２２Ａ内において、センサ本体２３と流体との間に滞留することを防止または抑制できる。

このため、圧縮性流体は、センサ本体２３の受圧面が存在するセンサ収納空間２５内へ入り込みにくくなり、センサ本体２３の受圧面と液体との間に圧縮性流体が滞留し、流体主流路１２Ｂを流れる流体から動圧変動の影響を受けるなどして、圧力測定が不安定になることを防止できるようになる。すなわち、センサ本体２３の受圧面は、流体主流路１２Ｂを流れる流体圧力（静圧）を直接受けることができるので、正確で安定した圧力測定を行うことができる。

そして、差圧流量計２０を構成する第２圧力センサ２１Ｂの圧力測定が安定することにより、一対の圧力センサにより得られる差圧も正確で安定したものとなるので、差圧の換算により得られる流量測定値の精度や信頼性が向上する。なお、差圧流量計２０を構成する第１圧力センサ２１Ａ及び第２圧力センサ２１Ｂについては、両方が傾斜面２８を備えていればその流量測定値（測定流量Ｑｆ）の精度や信頼性はより一層向上する。
さらに、上述した差圧流量計２０の測定値を用いて流量調整弁６０の開度制御を行う流量コントローラ１０は、流量測定値（測定流量Ｑｆ）の精度や安定性が向上することにより、流体主流路１２を流れる測定流量Ｑｆの流体流量コントロール精度が向上する。

次に、図４及び図５に基づいて、本発明に係る第２の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、上述した第１の実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態においては、差圧流量計２０を構成する一対の圧力センサ２１Ａ，２１Ｂが、いずれも圧力導入流路２２Ｂに傾斜面２８Ａを備えている。この場合の圧力導入流路２２Ｂは、流体主流路１２からＴ字状に分岐した流体が導入される入口側開口面積を狭めたすり鉢形状とされ、この圧力導入流路２２Ｂにおいて流体流れ方向下流側となる壁面に傾斜面２８Ａが設けられている。この傾斜面２８Ａは、たとえば図５に示すように、流体流れ方向下流側となる圧力導入流路２２Ｂの壁面に対し、センサ収納空間２５側から流体主流路１２へ向けて、穿設工具等を用いて流体流れ方向下流側へ斜めに壁面を除去するような加工を施して形成される。

すなわち、この実施形態の圧力導入流路２２Ｂは、流体主流路１２側の入口開口面積がセンサ収納空間２５側の出口開口面積より狭くなっているので、流体主流路１２を流れる流体中の圧縮性流体が圧力導入流路２２Ｂ及びセンサ収納空間２５内へ流入しにくい形状となっている。
さらに、上述した圧力導入流路２２Ｂは、流体流れ方向下流側の壁面に形成された傾斜面２８Ａを備えているので、開口面積の狭い入口開口から入り込んだ圧縮性流体は、傾斜面２８Ａに導かれて圧力導入流路２２Ｂ内に滞留することなく下流側へ流出する。

従って、流体主流路１２を流れる流体に含まれている圧縮性流体が圧力導入流路２２Ｂ内に入り込んでも、この圧縮性流体は流体流れ方向下流側の入口開口面積を広げる傾斜面２８Ａに沿って容易に流出するので、流体主流路１２からＴ字状に上方へ分岐した圧力導入流路２２Ｂ内において、センサ本体２３と流体との間に滞留することを防止または抑制できる。このため、圧縮性流体は、センサ本体２３の受圧面が存在するセンサ収納空間２５内へ入り込みにくくなるので、センサ本体２３の受圧面と液体との間に圧縮性流体が滞留し、流体主流路１２を流れる流体から動圧変動の影響を受けるなどして、圧力測定が不安定になることを防止できるようになる。すなわち、センサ本体２３の受圧面は、流体主流路１２Ｂを流れる流体圧力（静圧）を直接受けることができるので、正確で安定した圧力測定を行うことができる。

上述した第２の実施形態の構成を採用しても、差圧流量計２０を構成する第１圧力センサ２１Ａ及び第２圧力センサ２１Ｂの圧力測定が安定することにより、両圧力センサ２１Ａ，２１Ｂにより得られる差圧も正確で安定したものとなるので、差圧の換算により得られる測定流量Ｑｆの精度や信頼性が向上する。
さらに、上述した差圧流量計２０の測定値を用いて流量調整弁６０の開度制御を行う流量コントローラ１０は、測定流量Ｑｆの精度や安定性が向上することにより、流体主流路１２を流れる測定流量Ｑｆの流体流量コントロール精度が向上する。

このように、上述した本発明によれば、流体中に含まれる空気等の圧縮性流体が圧力検出部であるセンサ本体２３の周辺に滞留することを防止できるので、圧力センサ２１Ａ，２１Ｂの検出値が正確になる。従って、この圧力センサ２１Ａ，２１Ｂを構成要素とする差圧式流量計２０で測定される流量精度が向上し、さらに、差圧式流量計２０で測定した流量測定値（測定流量Ｑｆ）を用いて流量制御弁６０の開度制御を行う流量コントローラ１０も、その流量コントロール精度が向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明の第１の実施形態に係る図で、流量コントローラの全体構成例を示す正面図である。 図１の平面図である。 図１の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る図で、流量コントローラの内部構造例を示す縦断面図である。 図４の圧力導入流路及び傾斜面を示す図で、（ａ）は上方のセンサ空間側から見た平面図、（ｂ）は斜視図である。

符号の説明

１０ 流量コントローラ
１２，１２Ａ〜１２Ｃ 流体主流路
２０ 差圧式流量計
２１Ａ 圧力センサ（第１センサ）
２１Ｂ 圧力センサ（第２センサ）
２２，２２Ａ，２２Ｂ 圧力導入流路
２３ センサ本体
２４，２４Ａ ボディ
２５ センサ収納空間
２８，２８Ａ 傾斜面
４０ オリフィスユニット
５０ 制御部
６０ 流量調整弁

Claims (3)

1. 圧力測定を行う流体が流れる流体主流路から上方へＴ字状に分岐する圧力導入流路に圧力検出部を配置した圧力センサにおいて、
   前記圧力導入流路が、流体流れ方向下流側となる壁面に、前記流体の入口側開口面積を広げる方向の傾斜面を備え、
   前記圧力導入流路が前記流体の入口側開口面積を狭めたすり鉢形状とされ、該すり鉢形状の流体流れ方向下流側の壁面に前記傾斜面を設けたことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記流体主流路にオリフィスを介して請求項１に記載の圧力センサを一対直列に配置し、両センサで検出した圧力値の信号入力を受ける制御部が差圧を流量に換算して流量測定を行うことを特徴とする差圧式流量計。
3. 請求項１に記載の圧力センサを一対前記流体主流路にオリフィスを介して直列に配置し、両センサで検出した圧力値の信号入力を制御部に受けて差圧を流量に換算して流量測定を行う差圧式流量計と、
   前記流体主流路に設けられ、前記差圧式流量計の流量測定値と予め定めた設定流量値との差が所定の範囲内に入るよう開度制御される流量調整弁と、
   を具備して構成したことを特徴とする流量コントローラ。

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