JP6481282B2 - 気体流量制御装置および気体流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は気体流量制御装置および気体流量制御弁に関し、さらに詳細には、気体流路に接続配置されて、気体の質量流量を制御する気体流量制御技術に関する。

従来のこの種の気体流量制御装置として、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。
この装置は、大流量の気体流量制御に適したもので、図１０（ａ）に示すように、流量制御弁ａ、気体流量計ｂおよび制御部ｃから構成されてなり、気体の流れる配管ｄに介装配置される。

上記流量制御弁ａは、配管ｄ内を流れる気体の質量流量を調整するもので、油圧アクチュエータとしての油圧シリンダｅと、この油圧シリンダｅにより上記配管ｄの連通開度を開閉調整する弁体ｆとを備えてなり、上記油圧シリンダｅの油圧源である油圧ポンプｇが上記制御部ｃに電気的に接続されている。

上記弁体ｆは、図示のとおり配管ｄの軸線方向に対し垂直方向へ移動して配管ｄの連通開度を開閉調整する構造とされている。

上記気体流量計ｂは、配管ｄ内を流れる気体の流量を計測するもので、例えば図１０（ｂ）に示すような熱式流量計が適用される。

この熱式流量計は、配管ｄの一部に介装接続される配管接続体ｈと、この配管接続体ｈに連結されたセンサ部ｉとで構成されている。

配管接続体ｈは、上記配管ｄに接続連通されて、配管ｄを流れる気体が通過するようにされている。

一方、センサ部ｉは、バイパス管ｊが上記配管接続体ｈに連通されて配置されるとともに、このバイパス管ｊに２つの発熱抵抗体ｋ１、ｋ２が所定の間隔をもって配設されている。これら発熱抵抗体ｋ１、ｋ２は、図外の抵抗器と共にブリッジ回路を形成しており、このブリッジ回路に定電流源から電流が通電されて、発熱抵抗体ｋ１、ｋ２が発熱するようにされている。

そして、上記バイパス管ｊに配管接続体ｄを流れる気体の一部が引き込まれ、上記一対の発熱抵抗体ｋ１、ｋ２の抵抗値変化に基づいて気体の質量流量が計測される構成とされている。

すなわち、この気体の質量流量の計測原理は、配管接続体ｄさらにはバイパス管ｊに気体が流れていない場合には、上流側および下流側の発熱抵抗体ｋ１、ｋ２の熱は平衡状態に保たれており、一方、気体が上記配管接続体ｄに流れ、その一部がバイパス管ｊにも流れると、この気体の流れにより、上流側の発熱抵抗体ｋ１の熱が奪われて温度が低下するとともに、下流側の発熱抵抗体ｋ２の受ける温度が上昇して、この際の温度変化を上記ブリッジ回路で検出することにより、図外の増幅回路を通じて配管接続体ｊつまりは配管ｄを流れる気体の質量流量に応じた電気出力が得られ、この電気出力は計測信号として制御部ｃへ送られる（例えば特許文献２参照）。

しかして、このように構成された気体流量制御装置においては、上記制御部ｃが、上記気体流量計ｂの計測結果に応じて流量制御弁ａを駆動制御し、これにより配管ｄを流れる気体の流量が予め設定した設定流量となるように制御調整される。

特開平１１−３３８５４８号公報 特開平１０−３８６５２号公報

しかしながら、上記気体流量制御装置のような構成では、構造が複雑かつ大型で設置空間に制約があり、小流量あるいは微小流量の気体流量制御には適用できなかった。

すなわち、上記流量制御弁ａのアクチュエータは油圧駆動する油圧シリンダｅで、その油圧駆動回路が複雑かつ大型であるとともに、弁体ｆの移動方向が配管ｄに対して垂直方向で、これがため油圧シリンダｅの配置方向も上記配管ｄから横方向へ大きく張り出した構成とされている。

また、気体流量計ｂは、上述したように、発熱抵抗線からなる２つの発熱抵抗体ｋ１、ｋ２が細いバイパス管ｊ上にコイル状に巻回（巻線）されているところ、この巻線作業には比較的高い精度が要求されることから、専用の巻線機が用いられ、これがため製造コストの上昇を招いていた。

さらに、巻線機による発熱抵抗体ｋ１、ｋ２の巻線作業をするためと、巻線端を電極端子ｍ、ｍ、…に半田付け接続する作業のためとから、バイパス管ｊの高さｈと幅ｗは構造上必然的に大きくならざるを得ない。これがため、配管接続体ｈに一体に連結されるセンサ部ｉも自ずと大きくなり、気体流量計ｂの大型化を招き、その組付け空間にも制約を受けていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、装置の小型化および製造コストの低減化を図ることができ、微少流量から大流量の気体流量制御に適用可能な気体流量制御装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的とすることは、上記気体流量制御装置を構成する気体流量制御弁および気体流量計を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明の気体流量制御装置は、気体流路に介装配置されて、気体の質量流量を制御する装置であって、上記気体流路を流れる気体の質量流量を調整する気体流量調整手段と、上記気体流路を流れる気体の質量流量を計測する気体流量計測手段と、上記気体流量計測手段の計測結果に応じて上記気体流量調整手段を駆動制御する制御手段とを備えてなり、上記気体流量調整手段は、弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備える気体流量制御弁からなり、上記気体流量計測手段は、上記気体の流れを検知する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップを備えた気体流量計からなり、上記気体流量制御弁と気体流量計は、軸方向へ一体に連結組立てされて、装置本体を形成するとともに、上記気体流路に接続連通される連通路が上記装置本体の前後方向へ貫通して設けられ、前記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成され、前記気体流量制御弁は、弁体を構成するニードルが前記ねじ軸に同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが前記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されて、前記ニードルが前記気体流路を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされ、前記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップは、シリコン基台に一対のマイクロヒータ素子が薄膜形成されてなることを特徴とする。

好適な実施態様として、以下の構成が採用される。
（１）上記ニードルとオリフィスの軸線が上記気体流路の上流側部位の軸線と同軸状に設定されている。

（２）上記気体流量計の流量センサは、プリント基板材料からなるセンサベースに、上記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップが実装されるとともに、このフローセンサチップの上記一対のマイクロヒータ素子上を通過するバイパス通路が上記気体流路に連通接続される連通路に連通して設けられている。

（３）上記バイパス通路の内周面に金メッキが施されている。

（４）上記バイパス通路は上記一対のマイクロヒータ素子上を通過する計測部位が緩やかに蛇行した延長構造とされている。
（５）上記計測部位のうち上記一対のマイクロヒータ素子の直上部位は直線状とされている。

（６）上記気体流量計は、上記気体流路を流れる気体の圧力を検知する圧力センサを備えて、この圧力センサにより検知された圧力も加味した気体の質量流量を計測する。

本発明の気体流量制御弁は、上記気体流量制御装置における気体流量調整手段を好適に構成するものであって、弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備え、上記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成され、弁体を構成するニードルが上記ねじ軸に同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが上記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されて、上記ニードルが上記気体流路を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされていることを特徴とする。

好適な実施態様として、以下の構成が採用される。
（１）上記ニードルとオリフィスの軸線が上記気体流路の上流側部位の軸線と同軸状に設定されている。

本発明の気体流量制御装置によれば、気体流路に介装配置されて、気体の質量流量を制御する装置であって、上記気体流路を流れる気体の質量流量を調整する気体流量調整手段と、上記気体流路を流れる気体の質量流量を計測する気体流量計測手段と、上記気体流量計測手段の計測結果に応じて上記気体流量調整手段を駆動制御する制御手段とを備えてなり、上記気体流量調整手段は、弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備える気体流量制御弁からなり、上記気体流量計測手段は、上記気体の流れを検知する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップを備えた気体流量計からなり、上記気体流量制御弁と気体流量計は、軸方向へ一体に連結組立てされて、装置本体を形成するとともに、上記気体流路に接続連通される連通路が上記装置本体の前後方向へ貫通して設けられ、前記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成され、前記気体流量制御弁は、弁体を構成するニードルが前記ねじ軸に同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが前記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されて、前記ニードルが前記気体流路を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされ、前記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップは、シリコン基台に一対のマイクロヒータ素子が薄膜形成されてなるから、以下に列挙する特有の効果が得られ、装置の小型化および製造コストの低減化を図ることができ、微少流量から大流量の気体流量制御に適用可能な気体流量制御装置を提供することができる。

（１）上記気体流路を流れる気体の質量流量を調整する気体流量調整手段は、弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備える気体流量制御弁からなり、また、上記気体流路を流れる気体の質量流量を計測する気体流量計測手段は、上記気体の流れを検知する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップを備えた気体流量計からなるから、気体流量制御弁および気体流量計のそれぞれの構造が簡単かつ小型であり、したがって気体流量制御装置の装置構造も簡単かつ小型化できて、装置の設置空間に大きな制約を受けることがない。これにより、大流量はもちろん、小流量さらには微小流量の気体流量制御にも適用可能である。

（２）上記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成されていることにより、換言すれば、カップリングレスでボールねじが一体化されたステッピングモータを使用することにより、気体流量制御弁さらには気体流制御装置の軸方向寸法が小さく設定されて、装置の設置空間はさらに小さくできる。

（３）上記ねじ軸に、弁体を構成するニードルが同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが上記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されてなり、上記ニードルとオリフィスの軸線が上記気体流路の上流側部位の軸線と同軸状に設定されていることにより、ステッピングモータも上記気体流路と同軸状に配置される結果、上記気体流路から横方向へ張り出すことがなく、装置構成のさらなる小型化、省スペース化が可能となる。

（４）気体流量制御弁のアクチュエータがステッピングモータであることにより、デジタル流量制御で制御が簡単かつ高速で行える。

（５）上記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップは、シリコン基台に一対のマイクロヒータ素子が薄膜形成されてなる微小な構造（例えば、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．４５ｍ）であり、この熱式ＭＥＭＳフローセンサチップがセンサベースに実装されるとともに、気体流路に連通接続されるバイパス通路がこのフローセンサチップ上の一対のマイクロヒータ素子上を通過するように上記センサベースに設けられていることにより、上記バイパス通路を含めたセンサ部の高さと幅が非常に小さくて（例えば、高さ４．０ｍｍ×幅１２．０ｍｍ）、この点からも気体流量計のさらなる小型化を実現し、その組付け空間に大きな制約がない。

（６）上記センサベースがプリント基板材料から形成されていることにより、センサ部の製造コストさらには製品コストの低減化が可能である。

（７）上記バイパス通路の内周面に耐腐食性に優れる金メッキが施されていることにより、センサベースが計測対象となる気体の種類に影響を受けることがない。

（８）上記バイパス通路における上記一対のマイクロヒータ素子上を通過する部位が緩やかに蛇行した延長構造とされていることにより、気体流路からバイパス通路に分流する気体に生じる乱流を層流に変化させる層流作用を発揮する。

（９）上記気体流路を流れる気体の圧力を検知する圧力センサを備えて、この圧力センサにより検知された圧力も加味した気体の質量流量を計測することにより、気体圧力の変動にも対応した高精度な気体流量制御ができる。

本発明の一実施形態である気体流量制御装置の外観構成を示す斜視図である。 同気体流量制御装置の内部構成を示す正面断面図である。 同気体流量制御装置を構成する気体流量制御弁の開閉動作を説明するための拡大断面図である。 同気体流量制御装置を構成する気体流量計のセンサ部の構成を示す一部切開平面図である。 同じく同センサ部の構成を示す図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 同気体流量計の流量測定部を示す回路図である。 同気体流量計の計測原理を説明するための模式図である。 同じく同気体流量計の計測原理を説明するための温度分布特性を示す線図である。 同気体流量制御装置の制御構成を示すブロック図である。 従来の気体流量制御装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面全体にわたって同一の符号は同一の構成部材または要素を示している。

実施形態１
本発明に空気流量制御装置を図１〜図８に示し、この装置は、具体的には、各種気体流路を形成する配管５に介装配置されて、気体の質量流量を制御する装置である。

上記空気流量制御装置は、図１および図２に示すように、気体流量調整手段としての気体流量制御弁１、気体流量計測手段としての気体流量計２および制御部（制御手段）３を主要部として構成され、上記気体流量制御弁１と気体流量計２は、軸方向へ一体に連結組立てされて、図１に示すような略かまぼこ形の外観形状を呈する装置本体４を形成している。６は、装置本体４の底部四隅部に設けられたＤＩＮレールアタッチメントを示しており、本装置は、これらＤＩＮレールアタッチメント６、６、…を介して、上記配管５に沿って配置された設置用ＤＩＮレール（図示省略）に取付け固定される。

装置本体４の内部には、図２に示すように、配管５に接続連通される連通路１０が装置本体４の前後方向へ貫通して設けられている。この連通路１０は、気体流量計測手段２に設けられた流入側通路１０ａ、後述する上記気体流量調整手段１の弁室を構成する通路１０ｂおよび流出側通路１０ｃから構成されており、流入側および流出側通路１０ａ、１０ｃの端部、つまり装置本体４の前後両端の開口部には、それぞれ上流側配管５ａおよび下流側配管５ｂを接続するためのテーパ雌ねじ１１ａ、１１ｂが形成されている。

気体流量制御弁１は、上記配管５を流れる気体の質量流量を調整するもので、具体的には、図２に示すように、弁体１５を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータ１６が使用されて、小型簡素な構造を備えてなり、このステッピングモータ１６は、装置本体４に設けられたドライバ基板７０上のモータドライバ７１（図９）を介して上記制御部３に電気的に接続されている。

また、図示の気体流量制御弁１は、上記弁体１５がニードルで構成されたニードル弁の形態とされ、ニードル１５は上記配管５を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされて弁構造の小型化、省スペース化が図られている。

具体的には、弁ハウジング１７が、上記配管５の上流側部位５ａに同軸直線状に連通接続される流入側通路１０ａに対して同軸状に配置されるとともに、上記ニードル１５が弁ハウジング１７の軸心位置に同軸状に配置されている。

ニードル１５は、弁ハウジング１７内に嵌合固定された案内スリーブ１８に、回り止め機能を兼備する軸受１９により、弁ハウジング１７の軸心方向へ往復移動可能に軸支されて、その先端テーパ部１５ａが上記弁ハウジング１７の弁室１０ｂ内に臨んでいる。２０はＯリングを示している。

上記ニードル１５の配置構成に対応して、弁ハウジング１７の弁室１０ｂが上記流入側通路１０ａを介して上記配管５に連通接続されるとともに、この弁室１０ｂの入力端に、弁座を構成するオリフィス２１が一体形成されている。

換言すれば、上記ニードル１５とオリフィス２１の軸線が上記配管５の上流側部位５ａの軸線と同軸状に設定されている。

さらに、図示の実施形態においては、上記ニードル１５を開閉動作させる上記直動型ステッピングモータ１６は、ボールねじ２５が内蔵されてなる省スペースタイプのものが使用され、この内蔵型ボールねじのねじ軸２５ａがモータ１６の直動軸を構成している。

換言すれば、具体的には図示しないが、上記ステッピングモータ１６のロータ内に雌ねじ部が設けられるとともに、この雌ねじ部に上記ねじ軸２５ａが螺進退可能に軸支されて、上記直動軸を構成し、この直動軸２５ａに、上記ニードル１５が同軸上に一体接続されている。このような構成とされることにより、流量制御弁１は、上記配管５（５ａ、５ｂ）から横方向へ張り出すことがなく、装置構成の可及的な小型化、省スペース化が図られている。

そして、ステッピングモータ１６の駆動による直動軸２５ａの前後進退動作により、ニードル（弁体）１５の先端テーパ部１５ａがオリフィス（弁座）２１に密着して閉弁状態となり（３（ａ）参照）、離れれば開弁状態となり（３（ｂ）参照）、また、ニードル１５の先端テーパ部１５ａのオリフィス２１に対する軸方向位置により、オリフィス２１の開度が変化して、配管５を流れる気体の質量流量が調整される。

気体流量計２は、上記配管５を流れる気体の質量流量を計測するもので、具体的には、連通路１０の流入側通路１０ａ、センサ部３０、流量測定部３１を主要部として構成され、上記センサ部３０として、上記気体の流れを検知する熱式ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical-Systems：マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ）フローセンサチップ３５を備える流量センサが使用されている。

図示の実施形態の熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５は、ヒータによる熱の動きを利用する質量流量検出方式のもので、バイパス通路５０内の気体を加熱する発熱抵抗体としての機能と、バイパス通路５０の気体の温度変化を検知するセンサとしての機能を兼備するものである。この熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５は、図４に示すように、微細なシリコン基台３６（図示の実施形態においては、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．４５ｍ）に、一対のマイクロヒータ素子３７、３８が薄膜形成されてなる。

３９はパターン形成されたマイクロヒータ素子３７、３８の配線を示しており、この配線３９の端子部３９ａ、３９ｂ、３９ｃが、ワイヤ・ボンディング４０ａ、４０ｂ、４０ｃにより、後述するセンサベース４５の各電極４６ａ、４６ｂ、４６ｃに電気的に接続されている。

上記流量センサ３０は、図４および図５に示すように、プリント基板材料からなるセンサベース４５（図示の実施形態においては、アルミ基板またはガラスエポキシ基板が好適に採用される。）に、上記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５が実装されるとともに、このフローセンサチップ３５の上記一対のマイクロヒータ素子３７、３８上を平行に通過するバイパス通路５０が上記配管５に連通接続される連通路１０の流入側通路１０ａに連通して設けられている。

上記センサベース４５は、具体的には図５に二点鎖線で示すように、４枚の基板４５ａ、４５ｂ、４５ｃ，４５ｄが積層接着されてなる積層構造とされ、このような積層構造により、フローセンサチップ３５とバイパス通路５０の接触空間形成が実現している。

上記バイパス通路５０の内周面５０ａには金メッキが施されて、流れる気体によるセンサベース４５の腐食等の損傷が防止されている。

また、上記バイパス通路５０は、図４に示すように、上記一対のマイクロヒータ素子３７、３８上を通過して延びる計測部位５０Ｃが平面に見て緩やかに蛇行した延長構造とされて、流入側通路１０ａからバイパス通路５０に分流する気体に生じる乱流を層流に変化させる層流作用が発揮される構成とされている。なお、計測部位５０Ｃのうち上記マイクロヒータ素子３７、３８の直上部位は図示のごとく平面に見て直線状とされて、高くかつ均一な計測精度の確保が図られている。

流量センサ３０は、図２に示すように、装置本体４における上記流入側通路１０ａの上側部位４ａに設けられており、上記バイパス通路５０の両端５０Ａ、５０Ｂは、この上側部位４ａに設けられた接続通路５１ａ、５１ｂを介して上記流入側通路１０ａに連通されている。

これに関連して、流入側通路１０ａの内部には、層流素子５５がセンタリングカラー５６ａ、５６ｂを介して嵌装されている。この層流素子５５は、流入側通路１０ａを流れる気体を層流化する層流作用と、この気体を上記流量センサ３０のバイパス通路５０へ所定の分流比をもって分流する機能を有する。

また、層流素子５５の軸方向中央部位つまり上記接続通路３６ａ、３６ｂの間部位の外周面と、流入側通路１０ａの内周面との間にはＯリング５７が介装されて、このＯリングシール構造により、流入側通路１０ａから上流側の接続通路３６ａ、バイパス通路５０への気体の流入（上流側）と、バイパス通路５０、下流側の接続通路３６ｂから流入側通路１０ａへの気体の還流（下流側）を隔絶区分している。

流量測定部３１は、前述した流量センサ３０を構成する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５のマイクロヒータ素子３７、３８に給電するとともに、測温センサとしてのこれらマイクロヒータ素子３７、３８から入力される計測信号を演算して気体の質量流量を算出する部位で、具体的には、装置本体４に設けられたセンサ基板７２上に組み込まれている。

流量測定部３１の具体的な回路構成が図６に示されている。
すなわち、図示の実施形態の流量測定部３１において、一対のマイクロヒータ素子３７、３８に、抵抗器Ｒ１、Ｒ２がそれぞれ直列接続されるとともに、これら２つの直列回路が、抵抗器Ｒ１、Ｒ２側の端部同士とマイクロヒータ素子３７、３８側の端部同士とが接続されてブリッジ回路７３が構成されている。

そして、ブリッジ回路７３の一対の対角間（図示のものにおいては、接続点ｐ１、ｐ２間）に定電流源７４から通電されて、上記一対のマイクロヒータ素子３７、３８が発熱される。一方、ブリッジ回路７３の他の対角間（図示のものにおいては、２つの直列回路の抵抗器Ｒ１、Ｒ２とマイクロヒータ素子３７、３８の接続点ｐ３、ｐ４間）の電圧差が増幅回路７５で増幅され、気体流量に応じた計測信号として演算部７６へ送られる。

この演算部７６は、増幅回路７５からの計測信号をして流量を演算し、その演算結果を制御部３へ送るとともに、表示手段としての数字表示器等からなる表示部７７（図１参照）で表示する機能を有している。

この表示部７７は、４ケタ７セグメントＬＥＤ等の数字表示器等からなり、装置本体４において上記センサ基板７２の上側に設けられた表示基板７８上に組み込まれている。また、この表示基板７８には、上記表示部７７に隣接して、各種運転モード（流量モード、圧力モード、計測値の範囲、基準環境温度等）を設定する押しボタン式のモード設定部７９、および運転状態（電源Ｏｎ−Ｏｆｆ、運転モード等）を表示する運転表示ＬＥＤ８０が組み込まれている。

次に、以上のように構成された気体流量計２の計測原理について説明する。
すなわち、気体流量計２の定電流源７４から流量センサ３０のマイクロヒータ素子３７、３８に給電されて、これらのマイクロヒータ素子３７、３８が熱している運転状態において、配管５に気体が流れていない時には、流量センサ３０のバイパス通路５０にも気体が流れず、よって上流側および下流側のマイクロヒータ素子３７、３８の熱は平衡状態に保たれており（図７（ａ）および図８の実線で示される温度分布参照）、表示部７７に表示される気体流量の指示値もゼロである。

これに対して、配管５に気体が流れて、その一部（連通路１０の流入側通路１０ａの層流素子５５により規定され分流された気体）がバイパス通路５０にも流れると、この気体の流れにより、上流側のマイクロヒータ素子３７の熱が奪われて温度が低下するとともに、下流側のマイクロヒータ素子３８の受ける温度が上昇して、両者間の熱のバランスが崩れる（図７（ｂ）および図８の一点鎖線で示される温度分布参照）

そして、上述したように、上記両マイクロヒータ素子３７、３８の温度変化は、流量測定部３１のブリッジ回路７３で検出されて、増幅回路７５を通じて配管５を流れる気体の質量流量に応じた計測信号（電気出力）が得られ、この計測信号を基に演算部７６により配管５を流れる気体の質量流量が算出されて、その質量流量が表示部７７に気体流量として表示されるほか、その流量出力信号が制御部３へ出力される。

制御部３は、気体流量計２の計測結果に応じて上記気体流量制御弁１調整手段を駆動制御するもので、装置本体４に設けられたメイン基板８１上に組み込まれている。

この制御部３は、具体的には、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭおよびＩ／Ｏポートなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、上記気体流量計２の流量測定部３１からの計測結果に従って気体流量制御弁１の流量調整工程を実行させるためのプログラム等が組み込まれるとともに、気体流量制御弁１のアクチュエータであるステッピングモータ１６の駆動に必要な種々の情報などが、予めデータとしてまたはキーボード等により適宜選択的に入力設定されている。
例えば、外部設定入力手段である操作パネル等からなる流量設定部８５により対象となる配管５に流す気体流量が適宜入力設定される。

また、本装置の気体流量計２には、気体の圧力を検知する圧力センサ８６（図２参照）が選択的に設けられる。この圧力センサ８６は、図示されるように、配管５の上流側５ａを流れる気体の圧力を検知するもので、入力側通路１０ａ内に臨んで設けられている。

この圧力センサ８６の検知結果は圧力測定部８７（図９）から制御部３へ送られるとともに、上記表示部７７にも表示される。

そして、気体流量制御弁１は、制御部３により、計測された気体の質量流量に圧力も加味した高精度な気体の流量制御を行う。

なお、装置本体９の側部には、外部入出力用のシリアルＡＴＡコネクタ９０と、計測データ等をパソコンに送るためのＵＳＢコネクタ９１が設けられている。

しかして、以上のように構成された気体流量制御装置において、配管５を流れる気体の質量流量が気体流量計２により計測されて、その計測結果に従って制御部３が流量制御弁１のアクチュエータである直動型ステッピングモータ１６が弁体であるニードル１５をオリフィス２１に対して開閉動作させて、配管５を流れる気体の質量流量が予め設定された値となるように自動調整する。

以上詳述したように、本実施形態の気体流量制御装置によれば、以下に列挙する特有の効果が得られる。

（１）配管５を流れる気体の質量流量を調整する気体流量調整手段は、弁体１５を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータ１６を備える気体流量制御弁１からなり、また、上記配管５を流れる気体の質量流量を計測する気体流量計測手段が、上記配管５の流れを検知する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５を備えた気体流量計２からなるから、気体流量制御弁１および気体流量計２のそれぞれの構造が簡単かつ小型であり、したがってこれらを構成要素とする本気体流量制御装置の装置構造も簡単かつ小型化できて、装置の設置空間に大きな制約を受けることがない。これにより、大流量はもちろん、小流量さらには微小流量の気体流量制御にも適用可能である。

（２）上記直動型ステッピングモータ１６の直動軸が内蔵型ボールねじ２５のねじ軸２５ａで構成されていることにより、換言すれば、カップリングレスでボールねじ２５が一体化されたステッピングモータ１６を使用することにより、気体流量制御弁１さらには本気体流制御装置の軸方向寸法が小さく設定されて、装置の設置空間はさらに小さくできる。

（３）上記ねじ軸２５ａに、弁体１５を構成するニードルが同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィス２１が上記配管５に連通接続される弁ハウジング１７の入力端に一体形成されてなり、上記ニードル１５とオリフィス２１の軸線が上記配管５の上流側部位の軸線と同軸状に設定されていることにより、ステッピングモータ１６も上記配管５と同軸状に配置される結果、上記配管５から横方向へ張り出すことがなく、装置構成のさらなる小型化、省スペース化が可能となる。

（４）気体流量制御弁１のアクチュエータがステッピングモータ１６であることにより、デジタル流量制御で制御が簡単かつ高速で行える。

（５）上記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５は、シリコン基台３６に一対のマイクロヒータ素子３７、３８が薄膜形成されてなる微小な構造（図示の実施形態においては、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．４５ｍ）であり、この熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ３５がセンサベース４５に実装されるとともに、配管５に連通接続されるバイパス通路５０がこのフローセンサチップ３５上の一対のマイクロヒータ素子３７、３８上を通過するように上記センサベース４５に設けられていることにより、上記バイパス通路５０を含めた流量センサ３０の高さと幅が非常に小さくて（図示の実施形態においては、高さ４．０ｍｍ×幅１２．０ｍｍ）、この点からも気体流量計２のさらなる小型化を実現し、その組付け空間に大きな制約がない。

（６）上記センサベース４５がプリント基板材料から形成されていることにより、流量センサ３０の製造コストさらには製品コストの低減化が可能である。

（７）上記バイパス通路５０の内周面に耐腐食性に優れる金メッキが施されていることにより、センサベース４５が計測対象となる気体の種類に影響を受けることがない。

（８）上記バイパス通路５０における上記一対のマイクロヒータ素子３７、３８上を通過する部位が緩やかに蛇行した延長構造とされていることにより、配管５からバイパス通路５０に分流する気体に生じる乱流を層流に変化させる層流作用が有効に発揮される。

（９）上記配管５を流れる気体の圧力を検知する圧力センサ８６を備えて、この圧力センサ８６により検知された圧力も加味した気体の質量流量を計測することにより、気体圧力の変動にも対応した高精度な気体流量制御ができる。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その範囲内において種々設計変更可能である。

１ 気体流量制御弁（気体流量調整手段）
２ 気体流量計（気体流量計測手段）
３ 制御部（制御手段）
５ 配管
５ａ 配管の上流側部位
１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ） 連通路
１０ａ 連通路の流入側通路
１０ｂ 弁室
１０ｃ 連通路の流出側通路
１５ ニードル（弁体）
１６ 直動型ステッピングモータ
１７ 弁ハウジング
２１ オリフィス
２５ ボールねじ
２５ａ ボールねじのねじ軸
３０ 流量センサ（センサ部）
３１ 流量測定部
３５ 熱式ＭＥＭＳフローセンサチップ
３６ シリコン基台
３７、３８ マイクロヒータ素子
４５ センサベース
５０ バイパス通路
５０ａ バイパス通路の内周面
５０Ｃ バイパス通路の計測部位
５５ 層流素子
７０ ドライバ基板
７２ センサ基板
７７ 表示部
７８ 表示基板
８１ メイン基板
８６ 圧力センサ
８７ 圧力測定部

Claims (10)

1. 気体流路に介装配置されて、気体の質量流量を制御する装置であって、
   前記気体流路を流れる気体の質量流量を調整する気体流量調整手段と、
   前記気体流路を流れる気体の質量流量を計測する気体流量計測手段と、
   前記気体流量計測手段の計測結果に応じて前記気体流量調整手段を駆動制御する制御手段とを備えてなり、
   前記気体流量調整手段は、弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備える気体流量制御弁からなり、
   前記気体流量計測手段は、前記気体の流れを検知する熱式ＭＥＭＳフローセンサチップを備えた気体流量計からなり、
   前記気体流量制御弁と気体流量計は、軸方向へ一体に連結組立てされて、装置本体を形成するとともに、前記気体流路に接続連通される連通路が前記装置本体の前後方向へ貫通して設けられ、
   前記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成され、
   前記気体流量制御弁は、弁体を構成するニードルが前記ねじ軸に同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが前記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されて、前記ニードルが前記気体流路を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされ、
   前記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップは、シリコン基台に一対のマイクロヒータ素子が薄膜形成されてなる
   ことを特徴とする気体流量制御装置。
2. 前記ニードルとオリフィスの軸線が前記気体流路の上流側部位の軸線と同軸状に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量制御装置。
3. プリント基板材料からなるセンサ基板に、前記熱式ＭＥＭＳフローセンサチップが実装されるとともに、このフローセンサチップの前記一対のマイクロヒータ素子上を通過するバイパス通路が前記気体流路に連通接続される連通路に連通して設けられてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量制御装置。
4. 前記バイパス通路の内周面に金メッキが施されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の気体流量制御装置。
5. 前記バイパス通路は前記一対のマイクロヒータ素子上を通過する計測部位が緩やかに蛇行した延長構造とされている
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の気体流量制御装置。
6. 前記計測部位のうち前記一対のマイクロヒータ素子の直上部位は直線状とされている
   ことを特徴とする請求項５に記載の気体流量制御装置。
7. 前記気体流量計は、前記気体流路を流れる気体の圧力を検知する圧力センサを備えて、この圧力センサにより検知された圧力も加味した気体の質量流量を計測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の気体流量制御装置。
8. 気体流路を流れる気体の質量流量を調整するものであって、
   弁体を開閉動作させるアクチュエータとして直動型ステッピングモータを備え、
   前記直動型ステッピングモータの直動軸が内蔵型ボールねじのねじ軸で構成され、
   弁体を構成するニードルが前記ねじ軸に同軸上に一体接続されるとともに、弁座を構成するオリフィスが前記気体流路に連通接続される弁ハウジングの入力端に一体形成されて、前記ニードルが前記気体流路を流れる気体の流れ方向に開閉移動する方式とされている
   ことを特徴とする気体流量制御弁。
9. 前記ニードルとオリフィスの軸線が前記気体流路の上流側部位の軸線と同軸状に設定されている
   ことを特徴とする請求項８に記載の気体流量制御弁。
10. 請求項１に記載の気体流量制御装置における前記気体流量調整手段を構成する
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の気体流量制御弁。

Images