JP2019144146A

JP2019144146A - 流体素子

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Publication number: JP2019144146A
Application number: JP2018029341A
Authority: JP
Inventors: 小野　弘文; Hirofumi Ono; 弘文小野; 龍彦古門; Tatsuhiko Kokado
Original assignee: Lintec Corp
Current assignee: Lintec Corp
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-29

Abstract

【課題】高度な加工精度が要求されず、しかも大容量の流体の流体原料の通流を可能にしたディスク方式の流体素子を提供する。【解決手段】質量流量計又は質量流量制御器の主流路Ｒｍに挿入されて使用される流体素子Ａである。流体素子Ａは、複数の平板状の流路ディスク６０と、流路ディスク６０の間にて流路ディスク６０の周縁全周に気密的又は液密的に接合されたスペーサ７０の積層体Ｃｎで構成される。スペーサ７０の内側にて、流路ディスク６０の中央に中央通流孔６１が穿設され、流路ディスク６０の周縁に周縁通流孔６５が穿設される。積層体Ｃｎの流路ディスク６０とスペーサ７０とは、拡散接合にて接合される。【選択図】図１

Description

本発明の主たる部分は、質量流量計（マスフローメータ）又は質量流量制御器（マスフローコントローラ）の一部品である流体素子に関する。更に詳しくは、熱式質量流量計（サーマルマスフローメータ）、及び熱式質量流量制御器（サーマルマスフローコントローラ）における「バイパス素子」や、差圧式質量流量計（ディファレンシャルプレッシャマスフローメータ）、及び差圧式質量流量制御器（ディファレンシャルプレッシャフローコントローラ）における「差圧発生素子」に係る。
本発明では、前記「バイパス素子」「差圧発生素子」としては同一物を使用する。しかしながら、熱式質量流量計、及び熱式質量流量制御器では、測定用の金属毛細管に流体原料の一部が流れ、「バイパス素子」に残りの大部分の流体原料が流れるが、差圧式質量流量計、及び差圧式質量流量制御器では、流体原料の全量が「差圧発生素子」に流れる。そこで、本発明では、前記「バイパス素子」「差圧発生素子」の上位概念として「流体素子」を用いることとする。

従来の一般的な熱的質量流量計（同制御器、以下、両者を含めて「熱的質量流量計等」という。）は、多数の毛細管を束ねたバイパス素子によるバイパス流路を内部に形成した本体ブロックに対して別途センサケースを設け、このセンサケース内に測定流路としての金属毛細管（内径が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ）を設け、この細管に一対のセンサコイルが巻設されている（特許文献１）。
このような熱的質量流量計等において、測定流路として金属毛細管を用いる理由は、金属毛細管の入口と出口の間の圧力差（差圧）が測定されるべき流体の質量流量と良好な直線性を示す必要があるからである。この金属毛細管を流れる流体の量は、数ミリリットル／分と極めて少流量である。そして残りの流体は、上記「流体素子」の１つである、多数の毛細管を束ねた「バイパス素子」を流れる。このバイパス素子に用いられる毛細管は、測定流路としての金属毛細管と差圧対流量の特性がほぼ類似するものが用いられ、ハンドリングのために太い円管内に隙間なく詰め込まれる。このバイパス素子の毛細管は、測定されるべき流体の流量によって最適の本数や形状が選ばれる。

しかしながら、このバイパス素子は、以下のような問題点を有する。
１）バイパス用の毛細管の流量精度を確保するためには、後述するが、バイパス素子を構成する毛細管の内周の半径の精度が極めて重要になる。そのためには求める半径となるように該毛細管の内半径を精密に作成し、且つ両端のばりを除去する必要がある。この「内面研磨」は毛細管の内周の正確な半径を得る上で非常に重要であって必然的に製作コストが掛かる。その結果、大流量素子になればそのコストは急激に高くなる。
２）その他の問題点として、円管内に詰め込まれたバイパス用の毛細管が抜けないようにするために、例えば、円管の両端をかしめる、或いは円管の中心に丸棒を挿入し、外側の太い円管と丸棒とでバイパス用の毛細管を挟み込み、抵抗を増やして抜けにくくするようにしている。このような方策を採ったとしても、バイパス用の毛細管の抜け止めを安全に防ぐことは出来なかったし、測定されるべき流体の流量が大流量になるとバイパス素子そのものを大きくしなければならないし、大きくするとバイパス用の毛細管が抜けやすくなる。
３）バイパス用の毛細管の円管への組み込みは、手作業による細心の注意が要求され、生産性が低い。

これに対して特許文献２に示すような、ディスク方式のバイパス素子がある。即ち、円板の中心にドリルで貫通孔を形成し、ハーフエッチングにて貫通孔から外周に至る溝を形成し、この円板を積層することで前記溝をバイパス流路として使用するのである。この場合、単に円板の積層数を増減させることで、バイパス素子を通流する流体の流量の増減が可能となる。

しかしながら、このディスク方式のバイパス素子には以下のような問題点がある。
１）この場合は、円板を積層し、円板の片面にハーフエッチングされた「溝」をバイパス用の毛細管として使用することになる。バイパス素子の正確なバイパス流量を確保するためには、流体原料の通流路を正確な円管状とし、且つ正確な半径を確保することが重要であるが、ハーフエッチングではこれを得難い。
即ち、ハーフエッチングの場合、円板に薄い金属板を用いるが、ハーフエッチング技術では極めて細くて浅い、断面が半円又は矩形の溝しかできず、従って積層した時に正確な寸法の円管を形成できない。換言すれば、ハーフエッチ円板積層型バイパス素子のバイパス流量は精度が悪い。仮に精度を高めようとすれば、ハーフエッチの精度を高めなければならず、著しいコスト増に見舞われることになるし、加工精度に限界がある。
２）加えて、他の問題点として、円板の一方の面に貫通孔が伸びた放射状の溝を形成する場合、「溝」の数は自ずと限定される。その結果、この方式では、１枚の円板に設けられる「毛細管」として使用する「溝」の本数が限られてしまい、大流量のバイパス流量に対応するには多数枚の円板が必要となり、大容量の流体には適用が困難であった。要するに、従来のバイパス素子は、コスト高であるにも拘わらずバイパス流量の精度が悪く、しかも大流量に対応できないという技術的問題点があった。上記の場合は、「差圧発生素子」として使用する場合でも言えることである。

特許第３０４７１８４号公報特公昭５４−３７４３号公報

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、従来例ほどの寸法精度も要求されず、しかも同一サイズであれば従来例に比較して大容量の流体原料の通流を可能にした、そして安価なディスク方式の流体素子を提供することをその主たる課題とする。

請求項１に記載の発明（流体素子Ａ：図３（ａ））は、
質量流量計又は質量流量制御器に流入し、バイパスした流体原料Ｇが通流する主流路Ｒｍに挿入されて使用され、又は全量の流体原料Ｇが通流する主流路Ｒｍに挿入されて両端に圧力差を生じさせる流体素子Ａであって、
前記流体素子Ａは、複数の平板状の流路ディスク６０と、前記流路ディスク６０の間にて前記流路ディスク６０の周縁全周に気密的又は液密的に接合されたスペーサ７０の積層体Ｃｎとで構成され、
前記スペーサ７０の内側にて、流路ディスク６０の中央に中央通流孔６１が穿設され、流路ディスク６０の周縁に周縁通流孔６５が穿設されことを特徴とする。

請求項２に記載の発明（流体素子Ａ：図３（ｂ）（ｃ））は、
請求項１に記載の積層体Ｃｎと、
前記積層体Ｃｎの両面のそれぞれに気密的又は液密的に接合された一方の蓋部材８０と、他方の蓋部材８５とで構成され、
前記一方の蓋部材８０の中央には中央貫通孔８１が穿設され、
前記他方の蓋部材８５の周縁に周縁貫通孔８６が穿設されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明（流体素子Ａ：図７）は、
質量流量計又は質量流量制御器に流入し、バイパスした流体原料Ｇが通流する主流路Ｒｍに挿入されて使用され、又は全量の流体原料Ｇが通流する主流路Ｒｍに挿入されて両端に圧力差を生じさせる流体素子Ａであって、
隣接して配置された平板状の流路ディスク９０と、互いの間隔を設けて前記流路ディスク９０の間に配置された複数のスペーサ１００とで構成された積層体Ｃｎと、
前記積層体Ｃｎの両面にそれぞれ配設された一方の蓋部材９３、及び他方の蓋部材９６と、
いずれか一方の蓋部材９３（９６）から他方の蓋部材９６（９３）に挿通され、前記一方の蓋部材９３（９６）、前記積層体Ｃｎ、及び他方の蓋部材９６（９３）を一体化する締結部材９８とで構成され、
いずれか一方の蓋部材９３（９６）の中央に中央貫通孔９４が穿設され、
前記流路ディスク９０の中央に中央通流孔９１が穿設され、
前記積層体Ｃｎの外周面には、前記スペーサ７０の間に、前記流路ディスク９０間に形成される流体原料Ｇの流路Ｒに繋がる開口が設けられていることを特徴とする。

上記流体素子Ａには流体原料Ｇが、流路ディスク６０・９０の間を層流状態で流れる。この時、層流状態で流れる流体原料Ｇの流量Ｑは後述する式で表されるが、その流量Ｑは流路ディスク６０・９０間の流路幅ｈ（スペーサ７０・１００の厚みＴ）の３乗に比例することになり、従来のバイパス用の毛細管（流量Ｑ内半径の４乗に比例）に比べて加工精度を１桁落とすことが出来る。これにより従来例に比べて流体素子Ａを安価に製造できるようになる。

これに加えて、本発明の流体素子Ａは、流路ディスク６０・９０間の隙間全体を流路Ｒとして使用できるため、同一サイズであれば、従来例に比べて大量の流体原料Ｇを流すことが出来る。
なお、上記「主流路Ｒｍ」とは、熱式質量流量計（同制御器）にあっては、流入した大半の流体原料Ｇが通流する「バイパス流路Ｒｂ」であり、差圧式質量流量計（同制御器）にあっては、流入した全量の流体原料Ｇが通流する「差圧発生流路Ｒｈ」である。「主流路Ｒｍ」は「バイパス流路Ｒｂ」と「差圧発生流路Ｒｈ」の上位概念である。

請求項４は、請求項１又は２に記載の発明（流体素子Ａ）において、
積層体Ｃｎの流路ディスク６０とスペーサ７０とは、拡散接合にて接合されていることを特徴とする。

本発明の流体素子Ａによれば、従来例に比べて安価に製造することが出来るだけでなく、同一サイズであれば、従来例に比べて大流量の流体原料を流すことが出来る。

本発明の流体素子を使用した熱式質量流量制御器の断面図である。図１の他の実施例の部分断面図である。（ａ）本発明の第１実施例の流体素子の縦断面図、（ｂ）本発明の流体素子の第２実施例の縦断面図、（ｃ）本発明の流体素子の第２実施例を逆にして使用した場合の縦断面図である。本発明の図３（ａ）に示す流体素子の左側面図である。本発明の流路ディスクの左側面図である。本発明のスペーサの左側面図である。図１の他の例の部分断面図である。図７で使用する流体素子の流路ディスクの左側面図である。図７で使用する流体素子のスペーサの左側面図である。本発明の流体素子を使用した差圧式質量流量制御器の部分断面図である。

以下、本発明を図面に従って説明する。本発明の流体素子Ａが適用される装置には、図１に示す熱式質量流量制御器と、図１０で必要部分のみを示した差圧式質量流量制御器、或いは、流量原料Ｇの質量流量を制御する質量流量制御部５０を持たない質量流量計があり、本発明の流体素子Ａはそれらのいずれにも適用される。
本発明では熱式質量流量制御器（第１実施例：図１）を代表例として説明し、差圧式質量流量制御器（第２実施例：図１０）においてはその必要部分のみを説明する。質量流量計に付いては、上記のように質量流量制御器から質量流量制御部５０を除いた部分ということになるので、説明の簡略のために質量流量制御器の説明を援用する。

そしてこの熱式質量流量制御器（及び質量流量計）において、質量流量制御の対象となる原料は半導体ガスであり、差圧式質量流量制御器（及び質量流量計）では、例えば、ＴＥＯＳＳのような液体原料である。ここでは、気体も液体も共に流体原料Ｇとする。

第１実施例の質量流量制御器は、図１の通りで、図示しない原料供給源から供給される流体原料Ｇの質量流量を測定すると共に、所定の質量流量の流体原料Ｇを図示しない成膜装置などの製造装置へ供給するためのものであり、質量流量測定部１０、及び質量流量制御部５０、これらが取り付けられた本体ブロックＨ及び入口フランジ２０、出口フランジ２２から構成されている。そして質量流量測定部１０は、測定回路とバイパス回路に分かれている。

質量流量制御器の本体部分は、角柱状のブロックで構成され、内部に種々の部材が内蔵される本体ブロックＨと、本体ブロックＨの入口側端面に装着された入口フランジ２０、出口側端部に装着された出口フランジ２２とで構成されている。
入口フランジ２０には原料供給源から供給された流体原料Ｇを本体ブロックＨ内に取り込む流体原料入口２１が設けられ、出口フランジ２２には製造装置へ流体原料Ｇを送り出す流体原料出口２３が設けられている。
そして本体ブロックＨの内部には、流体原料入口２１に連通し、流体原料Ｇを測定回路とバイパス回路に分流すると共にバイパス素子Ａが収納される第１空間１、測定回路とバイパス回路に分流した流体原料Ｇが合流し、後述する質量流量制御部５０の弁室５４に至る第２空間２、及び合流した前記流体原料Ｇが質量流量制御されて流体原料出口２３に向かって送り出される第３空間３が設けられている。

第１空間１、第２空間２、及び第３空間３は同軸に設けられ、第１空間１と第２空間２とは後述するようにバイパス素子Ａを介して繋がっており、第２空間２と第３空間３の間には隔壁７が設けられて仕切られている。なお、第１空間１、第２空間２及び第３空間３は中心軸に対する横断面は、円形の孔である。

第１空間１の内径は第２空間２の内径より大きく、両者の境界の段部５には第２空間２側から第１空間１側に向けて複数のスタッド６が突設されている。そして第１空間１の上部には上流側センサ通孔１ｅが穿設され、第１空間１に近い第２空間２の上部には下流側センサ通孔１ｆが穿設されている。更に、隔壁７に近い第２空間２の上部には、後述する質量流量制御部５０の弁室５４に至る制御バルブ入口孔５７が穿設されている。即ち、該弁室５４の下面は制御バルブ入口孔５７を介して第２空間２に開口する。

第１空間１には、円形の蓋９、バイパス素子Ａ及び分流用の第１部材３０並びに押しばね３５が収納されるようになっている。（なお、前記蓋９は、後述する図３（ｂ）（ｃ）に示すような出口側となる他方の蓋部材８５を使用する場合は特に必要ではない。）
第１空間１は入口側と奥側に分かれており、奥側は流体素子収納空間１ａとなっており、入口側は後述する第１部材収納空間１ｂとなっている。流体素子収納空間１ａの内径は第１部材収納空間１ｂの内径より小さく、流体素子Ａの外径に合わせて（或いは図７のような場合には流体素子Ａの外径より大きく）形成されている流体素子収納空間１ａの奥行きはバイパス素子Ａの長さＤより短く形成されている（図１）。（なお、バイパス素子Ａが後述するようにスペーサ７０の両側に流路ディスク６０を一体化した単位素子Ｃ、１枚で構成されることも有り得るので、図２のように流体素子収納空間１ａの奥行きを単位素子Ｃ、１枚の厚みより短くし、複数のスペーサ７０と流路ディスク６０を交互に配置した積層体Ｃｎ、或いはこれに加えて蓋部材８０・８５を設けたバイパス素子Ａを用いる場合に、積層体Ｃｎに合わせたカラー４を用いるようにしてもよい。従って、カラー４の外径は流体素子収納空間１ａの内径に合致し、カラー４の内径はバイパス素子Ａの外径に合致する。そして、カラー４の長さは、積層体Ｃｎの積層長さＤから単位素子Ｃ、１枚分の長さを引いた長さより若干短くし、バイパス素子Ａの後端が流体素子収納空間１ａから若干飛び出すようにする。）

蓋９は、これが用いられる場合には、第１空間１の最も奥に挿入され、スタッド６に当接する。蓋９は第１空間１の内径より小さく、蓋９の外周面と第１空間１の内周面との間にその差分の隙間Ｓが形成されている。スタッド６が設けられた段部５と蓋９の間にスタッド６の突出高さだけの隙間が設けられ、この隙間Ｓに連続している。以下、両隙間をＳで示す。そしてこの隙間Ｓは、後述する流体素子Ａの、流体原料Ｇが流出する周縁通流孔６５に連通している。
図１の実施例では、蓋９はスタッド６と別体に形成され、上記のようにスタッド６に当接するように取り付けられているが、スタッド６を蓋９に取り付け、上記段部５に設けた取り付け穴にスタッド６を差し込んで固定するようにしてもよい。

次に、流体素子Ａについて説明する。本発明では流体素子Ａは例えば、図３（ａ）（ｂ）、及び図７のように３種類のものがあるが、いずれも説明の簡略のため同じ符号Ａで示す。なお、図３（ｃ）は、図３（ｂ）を逆向きにして使用した場合である。この場合、本体ブロックＨの構造を、逆向きにして使用が可能なように変更される。
図３（ａ）、及び図７の流体素子Ａについても同様、本体ブロックＨの構造を適切に変更して逆向きにして使用することが出来る。

流体素子Ａの後述の構成部材は、例えば拡散接合のような接合方法で気密的或いは水密的に一体接合される。この流体素子Ａでは、流路ディスク６０間が流体原料Ｇの流路Ｒとなるため、後述する理由からスペーサ７０の厚みＴは厳密に加工される。

図３（ａ）の流体素子Ａは、流路ディスク６０とスペーサ７０とで構成され、これら流路ディスク６０とスペーサ７０が交互に積層され、両端に流路ディスク６０が配置され、拡散結合により一体化された積層体Ｃｎである。１つのスペーサ７０と、両側に気密的に接合された流路ディスク６０の積層体が最小単位で、これを素子単位Ｃとする。
流体素子Ａの流量が増大すれば、流路ディスク６０とスペーサ７０の積層枚数を増やすことになる。

図３（ｂ）の流体素子Ａは、流路ディスク６０とスペーサ７０が交互に積層した積層体Ｃｎの両側それぞれに蓋部材８０・８５を拡散接合した例である。ここでは、スペーサ７０側に一方の蓋部材８０を、流路ディスク６０に他方の蓋部材８５を拡散接合する。スペーサ７０側（入口側）の蓋部材８０には、中央貫通孔８１が穿設され、流路ディスク６０側（出口側）の蓋部材８５には、後述する流路ディスク６０の周縁通流孔６５に一致するように周縁貫通孔８６が穿設されている。この他方の蓋部材８５は図１に示す蓋９の代わりとすることが出来る。

図３（ｃ）の流体素子Ａは、上記の図３（ｂ）を逆にして使用した場合で、流体原料Ｇが、蓋部材８５の周縁貫通孔８６から入り、積層体Ｃｎの内部を通り、蓋部材８０の中央貫通孔８１から流出する。
図示していないが、図３（ａ）の流体素子Ａを逆にして使用することも可能である。

流路ディスク６０は、平板状の金属薄板からエッチングで切り抜かれたもので、外形は円形で、中央に中央通流孔６１、周縁部に外周に沿って複数の周縁通流孔６５を切り抜いたものである。中央通流孔６１と周縁通流孔６５とは離れて設けられており、中央通流孔６１と周縁通流孔６５との間が内側リング６２で、この部分が流路ディスク６０を用いて積層体Ｃｎとした時の流路Ｒの一部を構成する平面部となる。

図５の実施例では、中央通流孔６１が流路ディスク６０の中央に円形に切り抜かれている。そして、複数の周縁通流孔６５は、流路ディスク６０の外縁に沿って円弧状又は扇形に切り抜かれ、周縁通流孔６５の外縁を構成する流路ディスク６０の外縁リング６６と内側リング６２とが複数の支持アーム６４で繋がれている。本実施例では周縁通流孔６５は４カ所設けられている。勿論、周縁通流孔６５の大きさや位置は図の実施例に限定されるものではない。
周縁通流孔６５と中央通流孔６１とは離れており、両者の間は流体原料Ｇが整流となって沿って流れる流路Ｒの一部を構成するリング状の平面部（内側リング６２の表・裏面）となる。該平面部は、研磨などで出来る限り滑らかな面とすることが好ましい。

スペーサ７０は、流路ディスク６０の中央通流孔６１と周縁通流孔６５とを内側に取り囲むように前記隣接する流路ディスク６０の対向面に拡散接合されるリング状の部材で、本実施例では流路ディスク６０の外径と同じ外径で、円形の薄板をエッチングでリング状に切り抜かれている。リング部分７１の幅（内径と外径の差）は、流路ディスク６０の外縁リング６６と同じ幅に切り抜かれている。そしてリング部分７１の内周には、流路ディスク６０の支持アーム６４に合わせてガイドアーム７４が突設され、これらリング部分７１とガイドアーム７４は流路ディスク６０の接合部分において、外縁リング６６と支持アーム６４に拡散接合されている。なお、スペーサ７０の厚みＴは下記のように重要なので、１つの流体素子Ａで使用されるスペーサ７０の厚みＴは均一に揃えられる。

流体素子Ａは、上記図３（ａ）のように流路ディスク６０とスペーサ７０とを交互に配設して拡散接合した積層体Ｃｎで構成されるが、その前後に入口側となる一方の蓋部材８０および出口となる他方の蓋部材８５を設けてもよい（図３（ｂ））。その場合、一方の蓋部材８０の中心には流路ディスク６０の中央通流孔６１に合わせて中央貫通孔８１が穿設され、他方の蓋部材８５の周縁には周縁通流孔６５合わせて円弧又は扇形の周縁貫通孔８６が穿設される。接合時、各流路ディスク６０の中央通流孔６１同士（及び中央貫通孔８１）、周縁通流孔６５同士（及び周縁貫通孔８６）は一致するようにして積層され、流路ディスク６０やスペーサ７０に拡散接合される。

第１空間１の流体素子収納空間１ａに収納される第１部材３０は、中心に流入孔３１が設けられた円筒状の部材で、外周面に測定用流体溝３３が全周にわたって形成され、流入孔３１の内面から測定用流体溝３３に至る測定用流体孔３２が１乃至複数穿設されている。流入孔３１の内径は、流路ディスク６０の中央通流孔６１より大きいため、測定用流体孔３２を超えた所から第１部材３０の挿入側先端部３４に向けてその内径が漸減するように形成されており、測定用流体３２の挿入側先端部３４の開口径は流路ディスク６０の中央通流孔６１に一致する大きさに形成されている。（なお、流体素子Ａが図３（ａ）（ｂ）のように、流体原料Ｇが流体素子Ａの中央通流孔６１から周縁通流孔６５に流れる場合は、第１部材３０には上記のように中央通流孔６１に繋がる流入孔３１を設けることになるが、図３（ｃ）のように逆向きに使用し、周縁通流孔６５から中央通流孔６１に流体原料Ｇが流れる場合は、図示していないが、周縁通流孔６５に繋がるように流入孔を第１部材に設けることになる。）

押しばね３５は、例えば皿バネのようなものが使用される。図１のように蓋９、流体素子Ａ、第１部材３０を第１空間１に順に収納し、上記押しばね３５を第１部材３０の外側に当接させて第１空間１に収納し、入口フランジ２０を本体ブロックＨにボルト止めすると押しばね３５が撓んで第１部材３０の挿入側先端部３４が流体素子Ａの突出部分に押圧し、流体素子Ａを流体素子収納空間１ａ内に固定する。

センサ管１２は、逆Ｕ字状に曲成された毛細管と、その両端に設けられたフランジ１３・１４で構成されている。このセンサ管１２は本実施例の本体ブロックＨの上部に配置され、センサ管１２の上流側端部に設けられた接続用のフランジ１３を介して前記上流側端部が上流側センサ通孔１ｅに接続され、センサ管１２の下流側端部に設けられた接続用のフランジ１４を介して前記下流側端部が下流側センサ通孔１ｆと接続されている。上記センサ管１２には、周知の質量流量センサ１５が取り付けられている。
上記バイパス素子Ａの下流側にて第２空間２と本体ブロックＨの上面に設けられたフランジ１４とは、下流側センサ通孔１ｆにて接続されている。

以上から測定用流路Ｒｓは、上流側センサ通孔１ｅ、センサ管１２、及び下流側センサ通孔１ｆで構成され、バイパス流路Ｒｂは、流体素子Ａ、と隙間Ｓで構成される。

質量流量測定部１０は、計測・制御回路など各種電子回路からなる測定部１０ａと、一対の質量流量センサ１５が巻着されている前記センサ管１２とを備えている。そして前記測定部１０ａは導電線１１を介して後述する質量流量制御部５０に接続されている。

また、第２空間２の下流側端部の隔壁７の近傍に、第２空間２から本体ブロックＨの上面に至る制御バルブ入口孔５７が穿設され、隔壁７を隔てて第３空間３の上流側端部（隔壁７に沿う部分）に本体ブロックＨの上面から第３空間３に至る制御バルブ出口孔５８が穿設されている。上記制御バルブ入口孔５７の本体ブロックＨの上面部分には、後述する弁室５４の下半部を構成する凹部２８が形成されている。

本体ブロックＨの上面には合流した流体原料Ｇの質量流量制御を行う質量流量制御部５０が設置されている。質量流量制御部５０は、図１に示すように、本体ブロックＨの上面で、第２空間２側で隔壁７に沿って形成された凹部２８の上方に配置されている弁機構部４０と、弁機構部４０上に搭載された筒状のケーシング５２内に収納されたアクチュエータ５６とで構成されている。

弁機構部４０は、リング状の機構部本体４５、機構部本体４５内に上下方向に摺動可能に収納されている弁体４１とで構成されている。そして、弁体４１の下面には、前記凹部２８に一致して凹設された下面開口の凹穴４２が設けられており、この凹穴４２の周囲に環状の開閉弁部４３が設けられている。開閉弁部４３の断面形状は、下端に行くほど薄肉になる断面三角形で、下端（本体ブロックＨの上面の弁座４７に対する接触縁）はナイフエッジに形成され、閉時には開閉弁部４３の下端前周が弁座４７に気密的に接触する。
なお、上記凹穴４２は弁室５４の上半部を構成し、直下の凹部２８とで弁室５４を構成する。この弁室５４内には例えばコイルスプリングのような弾発部材４６が収納され、弁体４１を常時上方向に押し上げ、アクチュエータ５６の作動部５６ａに当接させている。

アクチュエータ５６の一例であるピエゾ素子は、印加電圧の大きさに応じて長さが変化するものであり、印加電圧がゼロのときには、ピエゾ素子が伸長する長さはゼロとなり、印加電圧が大きくなるほど伸長する長さは長くなる。そして、ピエゾ素子が伸長すると弾発部材４６を押し縮めて弁体４１を押し下げ、弁体４１の開閉弁部４３が本体ブロックＨの上面の弁座４７に向かって下がる。最終的には本体ブロックＨの上面の弁座４７に当接して弁室５４を閉じる。即ち、開閉弁部４３と本体ブロックＨの上面の弁座４７との間の制御隙間Ｗを制御することで質量流量調整が行われる。なお、ピエゾ素子の代わりにソレノイド素子を使用するようにしてもよい。

質量流量制御器の運転を開始すると、流体原料Ｇが流体原料入口２１に流入する。この時点で開閉弁部４３は弁座４７から離れ、開の状態となっている。第１空間１の第１部材３０の流入孔３１に入った流体原料Ｇはここで分流して、バイパス側と測定側に分かれる。測定側に分流した流体原料Ｇはセンサ管１２を流れる。センサ管１２内を流れる流体原料Ｇはバイパス素子Ａに流れる流体原料Ｇと比較して少量である。バイパス側の流体原料Ｇはセンサ管１２内を流れる流体原料Ｇ対して一定の比率で流れるようになっている。このセンサ管１２には上記のように質量流量センサ１５が取り付けられており、質量流量センサ１５からの電位差から、これに接続された測定部１０ａがセンサ管１２を流れる流体原料Ｇの質量流量を算出する。そしてこの算出値に従って上記質量流量制御部５０の弁開度を制御することになる。

一方、バイパス側流体原料Ｇは、中央通流孔６１からバイパス素子Ａの内部に入り、隣接する流路ディスク６０間に挟まれた１乃至複数の流路Ｒを通って周縁通流孔６５から出て、蓋９と流体素子収納空間１ａとの間の隙間Ｓを通り、第２空間２に至る。そしてセンサ管１２を通ってきたセンサ側の流体原料Ｇと合流して第２空間２を流れ、弁室５４に入る。
前記バイパス素子Ａの流路Ｒ内では、流体原料Ｇは、中央通流孔６１から周縁通流孔６５に向かって放射状の層流となって流れる。その時、流路Ｒにスペーサ７０のガイドアーム７４の存在により、これが流路Ｒを流れる流体原料Ｇのガイドとなり、流体原料Ｇの層流流れをよりスムーズにする。

弁体４１は前述の算出値に従った弁開度Ｗとなるように昇降し、弁室５４から制御バルブ出口孔５８に流出する流体原料Ｇは正確に制御された質量流量となる。

ここで、本発明のバイパス素子Ａと従来の毛細管を使用したバイパス素子（図示せず）との相違を説明する。
従来の毛細管を束ねたバイパス素子の場合、液体原料Ｇの層流領域ではハーゲン・ポアズイユの法則が適用される。
Ｑ（流量）＝π・ａ⁴・△Ｐ／（８・μ・Ｌ）・・・・式１
ａ：バイパス用の毛細管の内径の半径
△Ｐ：バイパス用の毛細管の入口と出口の圧力差（差圧）
μ：流体原料の粘性係数
Ｌ：バイパス用の毛細管の長さ

これに対して本発明のバイパス素子Ａは、隣接する二枚の流路ディスク６０の間の流路Ｒを中央通流孔６１から周縁通流孔６５に向かって放射状に流体原料Ｇを層流となって流れるので、以下の式が成立する。
Ｑ（流量）＝π・ｈ³・△Ｐ／{６・μ・ｌｎ（ｒ₂／ｒ₁）}・・・・式２
ｈ：隣接する二枚の流路ディスク間の距離
ｒ₁：中央通流孔の半径（（中央通流孔の面積／π）^1/2）
ｒ₂：周縁通流孔の内側の半径（（周縁通流孔の面積／π）^1/2）
△Ｐ：中央通流孔の圧力と周縁通流孔の圧力差（流体素子の出入口間の差圧）

式１と式２を比較すると、本発明における式２では、円板状のバイパス素子の流量は前記距離ｈの３乗に比例する。これに対して、従来の毛細管を使用したバイパス素子では、その流量は、前記半径ａの４乗である。
従来の毛細管を使用したバイパス素子では、そこを流れる流量Ｑは、バイパス用の毛細管の内径の半径ａの精度が４乗で影響を受けるのに対しして、本発明のバイパス素子Ａでは、前記距離ｈの３乗で影響を受けることになり、バイパス流量Ｑは、従来の毛細管を使用したバイパス素子に比べて前記距離ｈの精度から受ける影響が小さいということになる。換言すれば、従来の毛細管を使用したバイパス素子に比べて本発明のバイパス素子Ａでは、そこまでの精度が要求されないことを意味する。

このことは、バイパス素子の構成部材の加工精度と組み立て精度の差となって現れ、本発明は従来例に比べて加工精度と組み立て精度とを大幅に落とすことが出来、コストダウンに繋がるというメリットがある。
なお、バイパス素子Ａの流路ディスク６０とスペーサ７０とは、拡散接合（接合する材料同士を密着させ，真空や不活性ガス中などの制御された雰囲気中で、加圧・加熱し、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する方法）で接続されているので、従来例のような生産性の低さや、毛細管脱落のような恐れはない。

本発明のバイパス素子は、従来例のような流路Ｒのための溝を設けず、流路ディスク６０間の空間全体を流路Ｒとしているので、流量を大きく取れて流路ディスク６０とスペーサ７０の使用枚数を少なくすることが出来るだけでなく、技術的に高度な「ハーフエッチング技術」は不要であり、この点でも製作コストを大幅に抑制できる。換言すれば、同一流量に対して流体素子を小さく、且つ安価にできる。

図７〜図９は、バイパス素子Ａの他の例（接合が締結部材９８による場合）で、バイパス素子Ａは図８に示すように円板状で、その中央に中央通流孔９１が穿設され、その周囲に締結用孔９２が穿設された流路ディスク９０と、ワッシャ型のスペーサ１００と、ねじのような締結部材９８、一方の蓋部材９３及び他方の蓋部材９６とで構成されている。

流路ディスク９０の中央通流孔９１の周囲に穿設された複数の締結用孔９２は、中央通流孔９１と同心円の上に一定角度で設けられている。

スペーサ１００は座金状のリングで、１つのバイパス素子Ａに使用される複数のスペーサ１００は、研磨などによりその厚みＴに均一に製造される。

一方の蓋部材９３は円板状の板材で流路ディスク９０より大きく、その中心に流路ディスク９０の中央通流孔９１に合わせて中央貫通孔９４が穿設され、該中央貫通孔９４の周囲にて流路ディスク９０の締結用孔９２に一致させて締結用ネジ孔９５ａが設けられている。そして、一方の蓋部材９３の、流路ディスク９０から食み出た外縁部分に取付用孔９５ｂが穿設されている。該取付用孔９５ｂは締結用ネジ孔９５ａに対する同心円上に一定角度で設けられている。

他方の蓋部材９６は円板状の板材で流路ディスク９０と同じ大きさで、流路ディスク９０の締結用孔９２に一致して締結用孔９８が設けられている。

しかして、一方の蓋部材９３と他方の蓋部材９６との間に流路ディスク９０とスペーサ１００とを交互に配設し、締結部材９８を他方の蓋部材９６の締結用孔９８、積層構造になっている複数の流路ディスク９０の締結用孔９２、１又は複数のスペーサ１００に挿通し、一方の蓋部材９３の締結用ネジ孔９５ａに螺入してこれらを一体化する。これにより締結部材９８を上記のように取り付けるだけで流体素子Ａを正確に組み立てることが出来る。なおこの場合、流体素子Ａの外周面全周にスペーサ１００幅の開口が形成されることになる。

上記のようにして組み立てられた流体素子Ａを図７に示すように、第１空間１の流体素子収納空間１ａに挿入し、素子取付部材９９を一方の蓋部材９３の取付用孔９５ｂに挿入し、これを本体ブロックＨに設けたねじ穴に螺着し、流体素子Ａを前記流体素子収納空間１ａに固着する。固着された流体素子Ａの外周と流体素子収納空間１ａとの間、及び他方の蓋部材９６と流体素子収納空間１ａの奥壁との間に隙間Ｓが形成される。
なおこの流体素子Ａは、素子取付部材９９で本体ブロックＨに固定できるため、図１の実施例の場合と異なり、第１部材を必要としない。

そして、一方の蓋部材９３の中央貫通孔９４から流体素子Ａ内に流入した流体原料Ｇは流路ディスク９０間の流路Ｒを層流状態で流れ、外周面の開口から隙間Ｓに流出し、第２空間２に分流した流体原料Ｇが流れ込み、センサ管１２を通って来た流体原料Ｇと合流する。そして既に述べたように流体原料Ｇの質量流量制御がなされる。

図７の流体素子Ａは、一方の蓋部材９３の中央貫通孔９４から流体原料Ｇが流入する順方向の用い方であるが、一方の蓋部材９３の中央貫通孔９４をなくし、代わりに前記隙間Ｓに合致させて図示していない外縁貫通孔を設け、且つ他方の蓋部材９６に図示していない中央貫通孔を設けることで、流体素子Ａの外周面の開口から流体原料Ｇが流路Ｒ内に層流状態で流れ込み、図示していない中央貫通孔から第２空間２に流出するようにしてもよい。

図１０は、圧力式質量流量計（制御器）の質量流量測定部１０の部分断面で、上流側センサ通孔１ｅに連通する第１空間１側の圧力素子１７、下流側センサ通孔１ｆに連通する第２空間２側の圧力素子１８が設けられている。
流体素子Ａには流体原料Ｇの全量が流れ、流体素子Ａの両側には第１空間１の圧力Ｐ１と、第２空間２の圧力Ｐ２との間に圧力差が生じる。この場合、流体素子Ａは差圧発生素子として働く。そして両者の差圧を測定部１０ａで検出する。

これにより測定部１０ａは、流体素子Ａを流れる流体原料Ｇの質量流量を算出する。装置が圧力式質量流量制御器である場合、この算出値に従って上記質量流量制御部５０の弁開度を制御することになる。他の点は図１の熱式質量流量制御器と同じである。

なお、図３、図７の流体素子Ａは、圧力式質量流量計（制御器）に適用可能であり、且つ上記のように順方向でも、逆方向でも使用できる。

Ａ：流体素子（バイパス素子・差圧発生素子）、Ｃ：単位素子、Ｃｎ：積層体、Ｄ：流体素子の積層長さ、Ｇ：流体原料（ガス・液体）、Ｈ：本体ブロック、Ｒ：流路、Ｒｂ：バイパス流路、Ｒｓ：測定用流路、Ｒｇ：合流用流路、Ｒｍ：主流路、Ｒｒ：質量流量制御流路、Ｓ：隙間、Ｔ：スペーサの厚み、Ｗ：制御隙間、１：第１空間、１ａ：流体素子収納空間、１ｂ：第１部材収納空間、１ｅ：上流側センサ通孔、１ｆ：下流側センサ通孔、２：第２空間、３：第３空間、４：カラー、５：段部、６：スタッド、７：隔壁、９：蓋、１０：質量流量測定部、１０ａ：測定部、１１：導電線、１２：センサ管、１３・１４：フランジ、１５：質量流量センサ、１７・１８：圧力素子、２０：入口フランジ、２１：流体原料入口、２２：出口フランジ、２３：流体原料出口、２８：凹部、３０：第１部材、３１：流入孔、３２：測定用流体孔、３３：測定用流体溝、３４：挿入側先端部、３５：押しばね、４０：弁機構部、４１：弁体、４２：凹穴、４３：開閉弁部、４５：機構部本体、４６：弾発部材、４７：弁座、５０：質量流量制御部、５２：ケーシング、５４：弁室、５６：アクチュエータ、５６ａ：作動部、５７：制御バルブ入口孔、５８：制御バルブ出口孔、６０：流路ディスク、６１：中央通流孔、６２：内側リング、６４：支持アーム、６５：周縁通流孔、６６：外縁リング、７０：スペーサ、７１：リング部分、７４：ガイドアーム、８０：（一方の）蓋部材、８１：中央貫通孔、８５：（他方の）蓋部材、８６：周縁貫通孔、９０：流路ディスク、９１：中央通流孔、９２：締結用孔、９３：（一方の）蓋部材、９４：中央貫通孔、９５ａ：締結用ネジ孔、９５ｂ：取付用孔、９６：（他方の）蓋部材、９７：締結用孔、９８：締結部材、９９：素子取付部材、１００：スペーサ

Claims

質量流量計又は質量流量制御器に流入し、バイパスした流体原料が通流する主流路に挿入されて使用され、又は全量の流体原料が通流する主流路に挿入されて両端に圧力差を生じさせる流体素子であって、
前記流体素子は、複数の平板状の流路ディスクと、前記流路ディスクの間にて前記流路ディスクの周縁全周に気密的又は液密的に接合されたスペーサの積層体とで構成され、
前記スペーサの内側にて、流路ディスクの中央に中央通流孔が穿設され、流路ディスクの周縁に周縁通流孔が穿設されことを特徴とする流体素子。
請求項１に記載の積層体と、
前記積層体の両面のそれぞれに気密的又は液密的に接合された一方の蓋部材と、他方の蓋部材とで構成され、
前記一方の蓋部材の中央には中央貫通孔が穿設され、
前記他方の蓋部材の周縁に周縁貫通孔が穿設されていることを特徴とする流体素子。
質量流量計又は質量流量制御器に流入し、バイパスした流体原料が通流する主流路に挿入されて使用され、又は全量の流体原料が通流する主流路に挿入されて両端に圧力差を生じさせる流体素子であって、
隣接して配置された平板状の流路ディスクと、互いの間隔を設けて前記流路ディスクの間に配置された複数のスペーサとで構成された積層体と、
前記積層体の両面にそれぞれ配設された一方の蓋部材、及び他方の蓋部材と、
いずれか一方の蓋部材から他方の蓋部材に挿通され、前記一方の蓋部材、前記積層体、及び他方の蓋部材を一体化する締結部材とで構成され、
いずれか一方の蓋部材の中央に中央貫通孔が穿設され、
前記流路ディスクの中央に中央通流孔が穿設され、
前記積層体の外周面には、前記スペーサの間に、前記流路ディスク間に形成される流体原料の流路に繋がる開口が設けられていることを特徴とする流体素子。
積層体の流路ディスクとスペーサとは、拡散接合にて接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体素子。