JP6508197B2 - 熱式質量流量測定方法、当該方法を使用する熱式質量流量計、及び当該熱式質量流量計を使用する熱式質量流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱式質量流量計における流量の測定方法、当該方法を使用する熱式質量流量計、及び当該熱式質量流量計を使用する熱式質量流量制御装置に関する。

質量流量計（マスフローメータ）は、例えば半導体の製造プロセスにおいてチャンバ内に供給されるプロセスガスの質量流量を測定することを目的として広く使用されている。加えて、質量流量計は、上記のように単独で使用されるのみならず、流量制御弁及び制御回路等の他の部材と共に質量流量制御装置（マスフローコントローラ）を構成する部品としても使用される。当該技術分野には様々な形式の質量流量計があるが、比較的単純な構成によって流体（例えば、ガス及び液体）の質量流量を正確に測定することができるため、熱式質量流量計が広く使用されている。

一般的には、熱式質量流量計は、流体が流れる流路と、流路の途中に設けられたバイパスと、バイパスの上流側において流路から分岐してバイパスの下流側において流路に再び合流するセンサチューブと、センサチューブに巻き付けられた一対のセンサワイヤと、センサワイヤ及び他の抵抗素子を含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、によって構成される（例えば、特許文献１を参照）。バイパスは流体に対して流体抵抗を有し、流路に流れる流体のうち一定の割合の流体がセンサチューブに分岐するように構成される。

上記構成において、所定の電圧を印加する（又は所定の電流を流す）ことにより一対のセンサワイヤを発熱させると、センサワイヤから発生した熱がセンサチューブを流れる流体によって奪われる。その結果、センサチューブを流れる流体が加熱される。この際、上流側のセンサワイヤは未だ加熱されていない流体によって熱を奪われる。一方、下流側のセンサワイヤは上流側のセンサワイヤによって既に加熱された流体によって熱を奪われる。このため、上流側のセンサワイヤから奪われる熱は、下流側のセンサワイヤから奪われる熱よりも大きい。その結果、上流側のセンサワイヤの温度が、下流側のセンサワイヤの温度よりも低くなる。このため、上流側のセンサワイヤの電気抵抗値が、下流側のセンサワイヤの電気抵抗値よりも低くなる。このようにして生ずる上流側のセンサワイヤと下流側のセンサワイヤとの温度差に起因する電気抵抗値の差は、センサチューブを流れる流体の質量流量が大きいほど大きくなる。

上記のような上流側のセンサワイヤ及び下流側のセンサワイヤの電気抵抗値の差の流体の質量流量に応じた変化は、例えばブリッジ回路等を使用して検出することができる。更に、このようにして検出されたセンサワイヤの電気抵抗値の変化の差に基づいて、センサチューブに流れる流体の質量流量を求めることができ、センサチューブに流れる流体の質量流量に基づいて、流路に流れる流体の質量流量を求めることができる（詳しくは後述する）。本明細書においては、熱式質量流量計のうちセンサチューブとセンサワイヤとが含まれる部分を「流量センサ」と呼称する。

センサチューブの材料としては優れた耐食性及び機械的強度を有する材料が望ましく、一般的にはステンレス鋼等の金属（即ち、導体）が使用される。一方、センサワイヤの材料としては当然のことながら導体が使用される。即ち、一般的には、センサチューブ及びセンサワイヤの材料は何れも導体である。従って、流量センサにおいては、センサチューブとセンサワイヤとの導通及びセンサワイヤ同士の導通の防止、並びにセンサチューブへのセンサワイヤの固定等を目的として、センサチューブのセンサワイヤが巻き付けられた部分及びセンサワイヤの周囲に例えば樹脂等の絶縁材料によって形成される被覆層が配設されるのが一般的である（詳しくは後述する）。

加えて、流量センサによる質量流量測定のためには、上述したように、通電によってセンサワイヤから発生する熱がセンサチューブ及びセンサチューブに流れる流体によって奪われる必要がある。従って、少なくともセンサワイヤとセンサチューブとの間に介在する被覆層は、良好な熱伝導性を備えることが望ましい。

特開２００９−１９２２２０号公報 特開平０９−２１８０６５号公報

上述したように、熱式質量流量計が備える流量センサにおいては、所定の入力信号が供給されることによって（即ち、所定の電圧が印加されたり、所定の電流が流されたりすることによって）発熱しているセンサワイヤからセンサチューブを流れる流体によって奪われる熱の量が上流側センサワイヤと下流側センサワイヤとで異なることを利用して、センサチューブに流れる流体の質量流量を求めることができる。即ち、熱式質量流量計を使用して流体の質量流量を測定するためには、センサワイヤに所定の入力信号を供給して、センサワイヤを発熱させる必要がある。

ところが、上記のようにセンサワイヤに所定の入力信号を供給してセンサワイヤを発熱させることに関連して幾つかの課題が発生する。具体的には、例えば、センサワイヤからの発熱に伴う被覆層及びセンサワイヤの経時変化、流体の変質、及びサーマルサイフォニング現象等が発生して、熱式質量流量計が流体の質量流量を正しく計測することができなくなる虞がある（詳しくは後述する）。

上記課題を解決するための手法としては、センサワイヤからの発熱を少なくすることが考えられる。しかしながら、センサワイヤからの発熱を少なくすると、流体の流動に起因する上流側のセンサワイヤと下流側のセンサワイヤとの温度差が小さくなり、結果としてセンサ回路からの出力が弱くなって検出信号のＳ／Ｎ比が低下し、質量流量の測定精度が低下する虞がある。

逆に、センサ回路からの出力を強めて検出信号のＳ／Ｎ比を高め、質量流量の測定精度を向上させるためには、センサワイヤからの発熱を多くすることが必要である。しかしながら、この場合は、結果として、センサワイヤからの発熱に起因する上記のような問題が悪化する虞がある。加えて、センサワイヤからの発熱を多くするためには、センサワイヤに供給する電力量を増大させる（即ち、センサワイヤに印加する電圧又はセンサワイヤに流す電流を増大させる）必要があるため、センサワイヤにおける消費電力の増大を招く。

ところで、ブリッジ回路を構成する発熱用抵抗体を流体中に配設し、当該発熱用抵抗体の放熱を利用して流体の流量を検知する感熱式流量計において、検出信号を取得する期間においてのみ発熱用抵抗体に直流電力を供給することにより発熱用抵抗体における消費電力を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。このような流量計においては、発熱用抵抗体が流体に直接接触しているため、発熱用抵抗体への直流電力の供給を開始してから熱的平衡状態に到達するまでに要する期間が短く（熱時定数が小さく）、発熱用抵抗体に直流電力を供給する期間を十分に短くすることができる。その結果、発熱用抵抗体における消費電力を低減することができる。

しかしながら、流体が流れる流路から分岐するセンサチューブに巻き付けられたセンサワイヤに直流電力を供給して発熱させるキャピラリ加熱型熱式質量流量計においては、上記のようにセンサワイヤに直流電力を断続的に供給することによりセンサワイヤにおける消費電力を低減することは困難である。具体的には、キャピラリ加熱型熱式質量流量計においては、センサワイヤが流体に直接接触していない。即ち、キャピラリ加熱型熱式質量流量計においてセンサワイヤから発生した熱は、流体のみならずセンサチューブによっても奪われる（熱容量が大きい）ため、熱的平衡状態に到達するのに必要とされる時間が長い（熱時定数が大きい）。従って、センサワイヤに直流電力を供給する期間を十分に短くすることにより、センサワイヤにおける消費電力を低減することは困難である。

加えて、キャピラリ加熱型熱式質量流量計においては、熱容量が大きく、熱時定数が大きいので、センサワイヤへの直流電力の供給を停止してから熱的平衡状態に到達するまでに要する期間も長い。従って、前回のセンサワイヤの発熱による熱履歴の影響が比較的長い期間に亘って残存するので、上記従来技術におけるように熱履歴の影響を排除するためには、センサワイヤに直流電力を供給しない期間を長くする必要がある。

即ち、キャピラリ加熱型熱式質量流量計において上記従来技術のようにセンサワイヤに直流電力を断続的に供給して流体の流量を測定する場合、センサワイヤに直流電力を供給している期間及びセンサワイヤに直流電力を供給していない期間の両方を長くする必要がある。その結果、センサワイヤに直流電力を供給して検出信号を取得する頻度が少なくなる。従って、このような測定方法は、流体の精確な流量を常に監視することが望まれる用途（例えば、半導体の製造プロセスにおいてチャンバ内に供給される流体（プロセスガス）の質量流量を測定する用途等）には適合しない。

上記のように、従来技術に係る熱式質量流量計においては、センサワイヤからの発熱に起因する種々の問題の抑制と質量流量の測定精度の向上とは両立困難である。即ち、当該技術分野においては、センサワイヤからの発熱に起因する種々の問題の抑制と質量流量の測定精度の維持・向上とを好適にバランスさせることができる新しい技術が求められている。例えば、測定精度の低下を抑制しつつセンサワイヤからの発熱を低減したり、センサワイヤからの発熱の増大を抑制しつつ測定精度を向上させたりすることができる、熱式質量流量計による質量流量の測定方法が求められている。従って、本発明は、測定精度の低下を抑制しつつセンサワイヤからの発熱を低減したり、センサワイヤからの発熱の増大を抑制しつつ測定精度を向上させたりすることができる、熱式質量流量計による質量流量の測定方法を提供することを１つの目的とする。

本発明者は、鋭意研究の結果、発熱を目的としてセンサワイヤに供給（入力）される入力信号（電気信号）の信号強度（電圧値又は電流値）は維持しつつ当該入力信号によってセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を低減したり、当該入力信号によってセンサワイヤに供給されるエネルギ量は維持しつつ当該入力信号の信号強度を増大させたりすることにより、本発明の上記１つの目的を達成することができることを見出した。具体的には、従来技術に係る熱式質量流量計におけるようにセンサワイヤに直流電圧を印加する（又は直流電流を流す）のではなく、センサワイヤにパルス信号（例えば、パルス電圧及びパルス電流等）を入力信号として供給して、センサワイヤを発熱させることにより、本発明の上記１つの目的を達成することができることを見出したのである。

即ち、本発明に係る熱式質量流量計における流量の測定方法は、
流体が流れる流路と、
前記流路の途中に設けられたバイパスと、
前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
を備える熱式質量流量計における流量の測定方法であって、
第１強度及び前記第１強度よりも低い第２強度の何れかの値をとるように信号強度が経時的に変化するパルス信号を前記入力信号として前記センサワイヤに供給すること、
前記パルス信号が前記センサワイヤに供給された結果として前記センサ回路から出力される出力信号のうち、信号強度が前記第１強度になっている前記入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている部分における出力信号の信号強度を出力信号強度として取得すること、及び
前記出力信号強度に基づいて、前記流体の流量を算出すること、
を含む熱式質量流量計における流量の測定方法である。

本発明に係る熱式質量流量計における流量の測定方法によれば、測定精度の低下を抑制しつつセンサワイヤからの発熱を低減したり、センサワイヤからの発熱の増大を抑制しつつ測定精度を向上させたりすることができる。

本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計を含む熱式質量流量制御装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計が備えるセンサ回路の構成の一例を示す模式図である。 流量センサにおいてセンサチューブにセンサワイヤが巻き付けられた部分近傍の断面構造の一例を示す模式図である。 実施例に係る熱式質量流量計と比較例に係る熱式質量流量計との比較のために使用したセンサ回路の構成を示す模式図である。 本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における（ａ）センサワイヤに印加されるパルス電圧の波形、及び（ｂ）センサ回路からオペアンプを介して出力される出力信号の波形、をそれぞれ示す模式的なグラフである。 実施例に係る熱式質量流量計と比較例に係る熱式質量流量計との比較のために使用した実験装置の構成を示す模式図である。 実施例及び比較例に係るそれぞれの熱式質量流量計における設定流量とセンサ回路からの出力電圧との関係を示す模式的なグラフである。

前述したように、当該技術分野においては、測定精度の低下を抑制しつつセンサワイヤからの発熱を低減したり、センサワイヤからの発熱の増大を抑制しつつ測定精度を向上させたりすることができる、熱式質量流量計による質量流量の測定方法が求められている。

そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、発熱を目的としてセンサワイヤに供給（入力）される入力信号（電気信号）の信号強度（電圧値又は電流値）は維持しつつ当該入力信号によってセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を低減したり、当該入力信号によってセンサワイヤに供給されるエネルギ量は維持しつつ当該入力信号の信号強度を増大させたりすることにより、本発明の上記１つの目的を達成することができることを見出した。具体的には、従来技術に係る熱式質量流量計におけるようにセンサワイヤに直流電圧を印加する（又は直流電流を流す）のではなく、センサワイヤにパルス信号（例えば、パルス電圧及びパルス電流等）を入力信号として供給して、センサワイヤを発熱させることにより、本発明の上記１つの目的を達成することができることを見出し、本発明を想到するに至ったのである。

即ち、本発明の第１の実施態様は、
流体が流れる流路と、
前記流路の途中に設けられたバイパスと、
前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
を備える熱式質量流量計における流量の測定方法であって、
第１強度及び前記第１強度よりも低い第２強度の何れかの値をとるように信号強度が経時的に変化するパルス信号を前記入力信号として前記センサワイヤに供給すること、
前記パルス信号が前記センサワイヤに供給された結果として前記センサ回路から出力される出力信号のうち、信号強度が前記第１強度になっている前記入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている部分における出力信号の信号強度を出力信号強度として取得すること、及び
前記出力信号強度に基づいて、前記流体の流量を算出すること、
を含む熱式質量流量計における流量の測定方法である。

上記のように、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計は、当該技術分野において周知の構成を有する一般的な熱式質量流量計である。具体的には、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法は、以下のような構成を有する熱式質量流量計に適用することができる。

流体が流れる流路と、
前記流路の途中に設けられたバイパスと、
前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
を備える熱式質量流量計。

ここで、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計の構成の一例につき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図１は、前述したように、本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計を含む熱式質量流量制御装置の構成の一例を示す模式図である。更に、図２は、前述したように、本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計が備えるセンサ回路の構成の一例を示す模式図である。

図１に示されているように、熱式質量流量制御装置１００は、熱式質量流量計１１０と、流量調節手段１２０と、制御手段１３０（後述する「第１制御部」及び「第２制御部」に相当する）と、を含む。熱式質量流量計１１０は、流体が流れる流路１１４と、流路１１４の途中に設けられたバイパス１１５と、バイパス１１５の上流側において流路１１４から分岐してバイパス１１５の下流側において流路１１４に再び合流するセンサチューブ１１６と、センサチューブ１１６に巻き付けられた一対のセンサワイヤ１１７及び１１８と、図２に示されているようにセンサワイヤ１１７及び１１８並びに他の抵抗素子１１７′及び１１８′を含むブリッジ回路を備えるセンサ回路１１１と、によって構成される。バイパス１１５は流体に対して流体抵抗を有し、流路１１４を流れる流体のうち一定の割合の流体がセンサチューブ１１６に分岐するように構成される。尚、図１に示されている構成においては、一対のセンサワイヤ１１７及び１１８がセンサチューブ１１６に巻き付けられている。しかしながら、センサワイヤから発生した熱がセンサチューブに流れる流体に伝導することが可能である限り、センサワイヤの具体的な配置は特に限定されない。

上記構成において、電源１１３からセンサワイヤ１１７及び１１８に所定の入力信号（電気信号）を供給（入力）するとジュール熱が発生し、この熱はセンサチューブ１１６を流れる流体によって奪われる。この際、上流側のセンサワイヤ１１７は未だ加熱されていない流体によって熱を奪われ、下流側のセンサワイヤ１１８は上流側のセンサワイヤ１１７によって既に加熱された流体によって熱を奪われる。このため、上流側のセンサワイヤ１１７の温度よりも下流側のセンサワイヤ１１８の温度の方が高くなる。その結果、上流側のセンサワイヤ１１７の電気抵抗よりも下流側のセンサワイヤ１１８の電気抵抗の方が高くなる。尚、発熱を目的としてセンサワイヤに供給（入力）される入力信号（電気信号）は、電圧及び電流の何れに基づいて制御されてもよい。

このようにして生ずる上流側のセンサワイヤ１１７と下流側のセンサワイヤ１１８との温度差に起因する電気抵抗値の差（比）は、センサチューブ１１６を流れる流体の質量流量に応じて変化する。その結果、センサ回路１１１の点Ｓと点Ｃとの間の電位差もまたセンサチューブ１１６を流れる流体の質量流量に応じて変化する。このような電位差の変化を、例えばオペアンプ１１９を介して検出することにより、センサチューブ１１６に流れる流体の質量流量を測定することができる。更に、このようにして測定されるセンサチューブ１１６に流れる流体の質量流量に基づいて、流路１１４に流れる流体の質量流量を求めることができる。即ち、熱式質量流量制御装置１００は、キャピラリ加熱型熱式質量流量計である。

図２に示されているセンサ回路においては、それぞれ３００Ωの抵抗値を有するセンサワイヤ１１７及び１１８が点Ｓにおいて直列に接続され、それぞれ２０ｋΩの抵抗値を有する他の抵抗素子１１７′及び１１８′が点Ｃにおいて直列に接続されている。更に、上記のようにそれぞれ直列に接続されたセンサワイヤ１１７及び１１８の両端と他の抵抗素子１１７′及び１１８′の両端とが、それぞれ点Ｐ及び点Ｎにおいて接続されている。即ち、センサワイヤ１１７及び１１８と抵抗素子１１７′及び１１８′とは所謂「ホイートストンブリッジ」を構成している。

質量流量の測定時には、電源１１３から上記点Ｐと点Ｎとの間に所定の入力信号（電気信号）が供給（入力）され、センサワイヤ１１７及び１１８からジュール熱が発生する。更に、点Ｓ及び点Ｃはそれぞれオペアンプ１１９の非反転入力（＋）及び反転入力（−）に接続され、点Ｓと点Ｃとの間の電位差に応じた信号がオペアンプ１１９の出力として得られる。このようにして得られるオペアンプ１１９からの出力信号に基づいて、センサチューブ１１６に流れる流体の質量流量を測定することができる。但し、他の抵抗素子１１７′及び１１８′の電気抵抗がセンサワイヤ１１７及び１１８からの発熱の影響を受けると、センサチューブ１１６に流れる流体の質量流量を正確に測定することができない。従って、他の抵抗素子１１７′及び１１８′は、センサワイヤ１１７及び１１８からの発熱の影響を実質的に受けない位置及び／又は状態に配置される。

尚、上述したように、図１は、本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計を含む熱式質量流量制御装置の構成の一例を示す模式図である。従って、図１には、上述したように、熱式質量流量計１１０の他に、流量調節手段１２０及び制御手段１３０等も描かれているが、これらについては、熱式質量流量計及び熱式質量流量制御装置としての本発明の実施態様についての説明において詳しく説明するので、ここでは説明しない。

ところで、前述したように、センサチューブの材料としては優れた耐食性及び機械的強度を有する材料が望ましく、一般的にはステンレス鋼等の金属（即ち、導体）が使用される。一方、センサワイヤの材料としては当然のことながら導体が使用される。具体的には、センサチューブの材料としては、例えば日本工業規格（ＪＩＳ）によって定められるＳＵＳ３１６を始めとするステンレス鋼材等、優れた耐食性及び機械的強度を有する材料が使用される。一方、センサワイヤの材料としては、例えばエナメル線等、所望の電気抵抗値を有する導体（例えば、銅等の金属）が使用される。即ち、典型的には、センサチューブ及びセンサワイヤの材料は、何れも導体である。

従って、センサチューブとセンサワイヤとが接触したり、センサワイヤ同士（例えば、センサチューブに巻き付けられたセンサワイヤの巻き線同士等）が接触したりすると、センサワイヤの電気抵抗値が低下する。その結果、入力信号の供給によるセンサワイヤからの発熱が不十分となったり、流量センサの感度が低下したりする。このため、センサチューブとセンサワイヤとの間及びセンサワイヤ同士の間は、電気的に絶縁されている必要がある。更に、センサワイヤがセンサチューブの所定の位置に固定されている必要もある。

そこで、流量センサにおいては、前述したように、センサチューブとセンサワイヤとの導通及びセンサワイヤ同士の導通の防止、並びにセンサチューブへのセンサワイヤの固定等を目的として、センサチューブ及びセンサワイヤの所定の部分及びセンサワイヤの表面等に、例えば樹脂等の材料によって形成される被覆層が配設される。ここで、被覆層の構成の一例につき、添付図面を参照しながら以下に詳しく説明する。

図３は、前述したように、流量センサにおいてセンサチューブにセンサワイヤが巻き付けられた部分近傍の断面構造の一例を示す模式図である。即ち、図３に示されている例においては、センサチューブ１１６にはセンサワイヤ１１７及び１１８がコイル状に巻き付けられ、センサチューブ１１６及びセンサワイヤ１１７及び１１８の周囲には被覆層１１２が設けられている。被覆層１１２は、その位置と機能とによって以下に示す４つの部分に分けることができる。

第１被覆層１１２ａは、センサチューブ１１６の表面に接して設けられ、センサチューブ１１６とセンサワイヤ１１７及び１１８との間の導通（電気的接続）を防止する絶縁層を構成している。第２被覆層１１２ｂは、センサワイヤ１１７及び１１８の表面に接して設けられ、センサワイヤ１１７及び１１８同士の導通を防止する絶縁層を構成している。第３被覆層１１２ｃは、第１被覆層１１２ａと第２被覆層１１２ｂとによって囲まれる空間に設けられ、センサワイヤ１１７及び１１８をセンサチューブ１１６に固定する機能を有している。第４被覆層１１２ｄは、センサワイヤ１１７及び１１８がセンサチューブ１１６に巻き付けられている部分全体を覆うように設けられ、センサワイヤ１１７及び１１８同士を相互に固定する機能を有している。本明細書においては、例えば、上記第１被覆層１１２ａ乃至第４被覆層１１２ｄ等、少なくともセンサワイヤ１１７及び１１８がセンサチューブ１１６に巻き付けられている部分を被覆する層を総称して「被覆層」（１１２）と呼称する。

ところで、上述したように流量センサによる質量流量測定のためにはセンサワイヤから発生する熱がセンサチューブを流れる流体によって奪われる必要がある。従って、少なくともセンサワイヤとセンサチューブとの間に介在する被覆層は、良好な熱伝導性を備える必要がある。従って、被覆層を構成する材料には、電気絶縁体としての機能、接着剤としての機能、及び熱伝導体としての機能が必要とされる。更に、センサチューブ及びセンサワイヤの表面に薄く形成することができ、表面に被覆層が形成されたセンサワイヤをセンサチューブに巻き付けても亀裂が生じないような十分な可撓性を有する材料が好ましい。このような観点から、従来技術に係る流量センサの被覆層の材料としては、ポリアミドイミド又はポリイミドが好適に用いられる。特に、ポリイミドは極めて高い耐熱性を有するので、より好ましい。ところが、前述したように、センサワイヤに所定の入力信号を供給してセンサワイヤを発熱させることに関連して、以下に列挙するような幾つかの課題が発生する。

先ず、第１の課題としては、センサワイヤから発生する熱による流量センサを構成する部材の経時変化が挙げられる。経時変化の原因は２つに大分される。１つの原因は、流量センサを構成する部材の１つであるセンサワイヤが発熱して昇温することにより、その内部応力が緩和され、電気抵抗値が時間と共に変化することである。センサワイヤは製造時の塑性加工に起因する内部応力を有する。加えて、センサチューブに巻き付けられて塑性変形することにより、センサワイヤの内部応力が更に増大する。これらの内部応力は、センサワイヤが発熱して昇温することにより緩和され、それに伴ってセンサワイヤの電気抵抗値が変化する。

経時変化のもう１つの原因は、センサワイヤの周囲に存在する被覆層からセンサワイヤに作用する外部応力の変動である。被覆層を構成するポリイミド等の樹脂材料は、高温に保持されると空気中の水分及び／又は酸素との反応により徐々に分解することが知られている。このように被覆層が分解されて消失すると、センサワイヤが被覆層から受けていた外部応力が緩和される。その結果として、センサワイヤの電気抵抗値が変化する。

熱式質量流量計の製造時には上流側のセンサワイヤ１１７の電気抵抗値と下流側のセンサワイヤ１１８の電気抵抗値とが所定の比率にてバランスするように初期調整されている。しかしながら、上述した経時変化によりセンサワイヤの電気抵抗値が変化すると、上記バランスが崩れ、流量の検出誤差の原因となる。このような時間の経過に伴って発生する流量の検出誤差は「ゼロ点変動」と呼称される場合がある。ゼロ点変動は、センサワイヤからの発熱が大きいほど短期間で急速に現れる。

次に、第２の課題としては、センサワイヤから発生する熱によるセンサチューブに流れる流体の変質及び／又は変性が挙げられる。熱式質量流量計の設置環境の温度が室温である場合、センサワイヤの温度は９０乃至９５℃に昇温され、センサワイヤから発生する熱の一部が流体に奪われて、流体の温度が上昇する。流体の種類によっては、このときの温度上昇によって変質及び／又は変性して、熱式質量流量計により正しく質量流量を測定することが困難となる場合がある。

例えば、塩素ガス（Ｃｌ_２）は常温でも水分等と容易に反応して塩素化合物を生成する。このような塩素ガスの反応性は温度が上昇するほど高まるため、熱式質量流量計を使用して塩素ガスの質量流量を測定する場合は、センサワイヤからの発熱による流体の昇温幅をできるだけ小さくすることが望ましい。

更に、第３の課題としては、所謂「サーマルサイフォニング現象」による流量測定値のズレ（ゼロ点変動）が挙げられる。サーマルサイフォニング現象は、例えば、センサチューブの方向が鉛直方向となる構成において、センサワイヤからの発熱によって加熱された流体がセンサチューブにおいて上昇することにより、例えば流体の対流等、意図せぬ流体の流れが生ずる現象である。このような現象が起こると、例えば、実際には流体が流れていない状況においても質量流量値が測定される。このように、サーマルサイフォニング現象が起こると、センサチューブにおける流体の質量流量が流路における流体の質量流量を正確に反映しなくなる場合がある。その結果、熱式質量流量計により正しく質量流量を測定することが困難となる場合がある。

尚、上記と同様の現象はセンサチューブの外部においても起こり得る。例えば、センサワイヤの周囲に存在する空気がセンサワイヤからの発熱によって加熱され、空気の対流が生ずる場合がある。この場合もまた、熱式質量流量計により正しく質量流量を測定することが困難となる場合がある。言うまでも無く、上記のような現象は、センサワイヤからの発熱が大きいほど起こり易い。

以上のように、例示した何れの課題についても、センサワイヤからの発熱を少なくすることによって問題を低減及び／又は軽減することができる。しかしながら、センサワイヤからの発熱を少なくすると、前述したように、センサ回路からの出力が弱くなって検出信号のＳ／Ｎ比が低下し、質量流量の測定精度が低下する虞がある。

そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、従来技術に係る熱式質量流量計におけるようにセンサワイヤに直流電圧を印加する（又は直流電流を流す）のではなく、センサワイヤにパルス信号（例えば、パルス電圧及びパルス電流等）を入力信号として供給して、センサワイヤを発熱させることにより、測定精度の低下を抑制しつつセンサワイヤからの発熱を少なくすることができることを見出した。

従って、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法は、上述したような構成を有する熱式質量流量計において、
第１強度及び前記第１強度よりも低い第２強度の何れかの値をとるように信号強度が経時的に変化するパルス信号を前記入力信号として前記センサワイヤに供給すること、
前記パルス信号が前記センサワイヤに供給された結果として前記センサ回路から出力される出力信号のうち、信号強度が前記第１強度になっている前記入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている部分における出力信号の信号強度を出力信号強度として取得すること、及び
前記出力信号強度に基づいて、前記流体の流量を算出すること、
を含む。

上記のように、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においては、第１強度及び前記第１強度よりも低い第２強度の何れかの値をとるように信号強度が経時的に変化するパルス信号を前記入力信号として前記センサワイヤに供給する。即ち、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においては、従来技術に係る熱式質量流量計におけるようにセンサワイヤに（連続的に）直流電圧を印加する（又は直流電流を流す）のではなく、所定のパルス幅及び所定の振幅を有するパルス信号をセンサワイヤに供給する。尚、発熱を目的とする入力信号としてセンサワイヤに供給されるパルス信号もまた、電圧及び電流の何れに基づいて制御されてもよい。

上記のように、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においてセンサワイヤに供給される入力信号は、信号強度が第１強度になっている期間（第１期間）と、信号強度が（第１強度よりも低い）第２強度になっている期間（第２期間）とを有する。この第１強度は、測定対象となる流体の質量流量を所望の精度にて測定することが可能な温度差を上流側のセンサワイヤと下流側のセンサワイヤとの間に生じさせることができる熱量をセンサワイヤから発生させるのに必要とされる入力信号の強度とすることができる。即ち、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においては、第１期間における適切なタイミングにて、流体の質量流量を所望の精度にて測定することができる。一方、第２強度は、上述したように第１強度よりも低い限り如何なる信号強度であってもよいが、典型的には０（ゼロ）とすることができる。従って、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法によれば、入力信号の信号強度が第１強度にて一定となる従来技術と比べて、単位時間当たりにセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を低減することができる。結果として、単位時間当たりのセンサワイヤからの発熱量を低減することができ、センサワイヤからの発熱に起因する上述したような種々の問題を低減することができる。

或いは、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法によれば、単位時間当たりにセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）の増大を抑制しつつ、センサワイヤへの入力信号の信号強度（パルス信号の振幅）を増大させることができる。結果として、単位時間当たりのセンサワイヤからの発熱量の増大を抑制しつつ、センサ回路からの出力信号を強くして検出信号のＳ／Ｎ比を高め、質量流量の測定精度を高めることができる。

上記のように所定のパルス幅及び所定の振幅を有するパルス信号をセンサワイヤに供給するための具体的な方法は特に限定されず、パルス信号を発生させるための方法として当業者に周知の種々の方法から適宜選択することができる。例えば、所定のパルス幅及び所定の周期を有するパルス電圧を関数発生器によって生成する。このようにして生成されたパルス電圧を、所定の電圧値を有する発熱用の電圧をセンサワイヤに印加するための配線に介装されたトランジスタのベースに印加することにより、所定のパルス幅及び所定の振幅を有するパルス電圧を入力信号としてセンサワイヤに印加することができる（例えば、図４を参照）。

但し、上記例示においては所定の周期を有するパルス電圧を入力信号としてセンサワイヤに印加する場合について説明したが、センサ回路からの出力信号を正しく検出することが可能である限り、パルス電圧が必ずしも所定の周期にて印加される必要は無い。即ち、上述した第１期間及び第２期間の長さは、それぞれ必ずしも一定である必要は無い。尚、第１期間（例えば、パルス電圧のパルス幅）及び第２期間の長さは、例えば、センサ回路からの出力信号を検出するための検出手段の構成要素（例えば、Ａ／Ｄコンバータ及びサンプルホールド回路（使用する場合）等）の応答速度等に基づいて適宜設定することができる。

更に、上記例示のように所定の周期を有するパルス信号をセンサワイヤに供給する場合、パルス信号の周期もまた、例えば、センサ回路からの出力信号を検出するための検出手段の構成要素（例えば、Ａ／Ｄコンバータ及びサンプルホールド回路（使用する場合）等）の応答速度等に基づいて適宜設定することができる。このように設定されるパルス信号の一例としては、例えば、０．１１ｍｓ（ミリ秒）のパルス幅、８Ｖ（又は２４Ｖ）の振幅、及び１．０ｍｓの周期（即ち、デューティ比＝１／９）を有するパルス電圧を挙げることができる。

更に、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においては、前記パルス信号が前記センサワイヤに供給された結果として前記センサ回路から出力される出力信号のうち、信号強度が前記第１強度になっている前記入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている部分における出力信号の信号強度を出力信号強度として取得する。例えば、センサワイヤにパルス信号（例えば、パルス電圧）を供給した結果としてのセンサ回路からの出力信号（例えば、出力電圧）の推移を事前実験等によって測定する。この測定結果に基づき、信号強度が第１強度になっている入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下（即ち、略一定）になる期間を予め特定しておく。このようにして特定された期間内の特定のタイミング（例えば、パルス電圧の立ち上がりから０．０５ｍｓ（ミリ秒）後）において、センサ回路から出力される出力信号の信号強度（例えば、出力電圧の値）を出力信号強度として取得することができる。

従って、所定の周期を有するパルス信号をセンサワイヤに入力信号として供給する場合は、センサ回路から出力される出力信号の信号強度を出力信号強度として取得する周期を、センサワイヤに供給される入力信号としてのパルス信号の周期に同期させてもよい。具体的には、上記のようにセンサ回路からの出力信号の信号強度が略一定となる期間内の特定のタイミングにてセンサ回路から出力される出力信号の信号強度を出力信号強度として取得するように、センサ回路からの出力信号を検出するための検出手段を構成すればよい。更に、例えば、センサ回路からの出力信号をデジタル化するＡ／Ｄコンバータへの入力経路にサンプルホールド回路を設けて、センサ回路からの出力信号をより確実に検出するようにしてもよい。尚、センサ回路からの出力信号の信号強度が略一定となったか否かの判断基準となる「所定の閾値」は、例えば、センサ回路からの出力信号を検出するための検出手段の検出精度及び／又は本実施態様に係る熱式質量流量計におけるノイズの大きさ等を考慮して、適宜定めることができる。

また更に、本実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法においては、前記出力信号強度に基づいて、前記流体の流量を算出する。上述したように、センサ回路からの出力信号はセンサチューブに流れる流体の質量流量に対応する。一方、前述したように、バイパスは流体に対して流体抵抗を有し、流路に流れる流体のうち一定の割合の流体がセンサチューブに分岐するように構成されている。従って、当該割合に基づいて、センサ回路からの出力信号に対応するセンサチューブに流れる流体の質量流量から、流路に流れる流体の質量流量を求めることができる。

但し、実際の熱式質量流量計において流体の質量流量を求めるための演算処理においては、センサチューブに流れる流体の質量流量を必ずしも算出する必要は無い。例えば、センサ回路からの出力信号強度と流路に流れる流体の質量流量との対応関係を事前実験等によって予め特定しておき、当該対応関係に基づいて、センサ回路からの出力信号強度から流路に流れる流体の質量流量を直接的に求めることもできる。

上記のような演算処理、並びに上述したようなセンサワイヤへの入力信号の供給及びセンサ回路からの出力信号の検出に関する制御は、例えば、熱式質量流量計に組み込まれたマイクロコンピュータ等の電子制御装置を利用して行うことができる。このような電子制御装置の詳細については当業者に周知であるので、本明細書における説明は割愛する。

ところで、冒頭で述べたように、本発明は、これまで説明してきた質量流量の測定方法を使用する熱式質量流量計にも関する。当該熱式質量流量計は、上記測定方法を実行するための制御部（例えば、上記電子制御装置等）を備える。

即ち、本発明の第２の実施態様は、
流体が流れる流路と、
前記流路の途中に設けられたバイパスと、
前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
を備える熱式質量流量計であって、
前記電源及び前記センサ回路を制御する第１制御部を更に備え、
前記第１制御部が本発明の前記第１の実施態様に係る方法を実行することにより、前記流体の流量を算出する、
熱式質量流量計である。

上記のように、本実施態様に係る熱式質量流量計は、本発明の前記第１の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される熱式質量流量計である。従って、熱式質量流量計の基本的な構成については、図１及び図２等を参照しながら、本発明の前記第１の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法の説明において既に述べたので、ここでは繰り返して説明しない。

但し、本実施態様に係る熱式質量流量計は、上記のように、前記電源及び前記センサ回路を制御する第１制御部を更に備え、前記第１制御部が本発明の前記第１の実施態様に係る方法を実行することにより、前記流体の流量を算出する。より具体的には、第１制御部は、本発明の前記第１の実施態様に係る方法における各種演算処理並びにセンサワイヤへの入力信号としてのパルス信号の供給及びセンサ回路からの出力信号の検出に関する制御を実行する。このような第１制御部は、例えば、熱式質量流量計に組み込まれたマイクロコンピュータ等の電子制御装置として実装することができる。尚、前述した図１においては、第１制御部は制御手段１３０として描かれている。

従って、本実施態様に係る熱式質量流量計によれば、センサワイヤに供給されるパルス信号において信号強度が第１強度となる第１期間が到来してから次の第１期間が到来するまでの期間（即ち、第２期間）においては、信号強度が第１強度よりも低い第２強度となっている。例えば、入力信号がパルス電圧である場合、センサワイヤに供給されるパルス電圧において、電圧値が第１強度（例えば、８Ｖ）となる第１期間と電圧値が第２強度（例えば、０（ゼロ）Ｖ）となる第２期間とが交互に到来する。これにより、流体の流量を検出する際にセンサワイヤに供給されているパルス信号の信号強度（例えば、パルス電圧の振幅）が同じであっても、（センサワイヤへの累積印加時間又は累積通電時間が短くなるので）単位時間当たりにセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を低減することができる。結果として、単位時間当たりのセンサワイヤからの発熱量を低減することができ、センサワイヤからの発熱に起因する上述したような種々の問題を低減することができる。

或いは、本実施態様に係る熱式質量流量計によれば、単位時間当たりにセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）の増大を抑制しつつ、センサワイヤへの入力信号の信号強度（例えば、パルス電圧の振幅）を増大させることができる。結果として、単位時間当たりのセンサワイヤからの発熱量の増大を抑制しつつ、センサ回路からの出力信号を強くして検出信号のＳ／Ｎ比を高め、質量流量の測定精度を高めることができる。

ところで、従来技術に係る熱式質量流量計においては、第１の課題として前述したように、センサワイヤから発生する熱による流量センサを構成する部材の経時変化に起因するゼロ点変動等の問題が懸念される。前述したように、これらの部材の中で上記のような問題への影響が大きいのは、一般的に耐熱性樹脂によって構成される被覆層である。従って、本発明の前記第１の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法は、被覆層を有する熱式質量流量計に適用される場合に大きな効果を発揮する。

従って、本発明の第３の実施態様は、
本発明の前記第２の実施態様に係る熱式質量流量計であって、
前記センサチューブの近傍に前記センサワイヤが配設されており、
前記センサチューブの近傍に前記センサワイヤが配設された部分の周囲に配設された被覆層、
を更に含む熱式質量流量計である。

本実施態様に係る熱式質量流量計が備える被覆層の具体的な構成については、図３等を参照しながら、本発明の前記第１の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法の説明において既に述べたので、ここでは繰り返して説明しない。

上述したように、センサワイヤから発生する熱による被覆層の経時変化は、熱式質量流量計の応答速度の低下及び／又は検出誤差の増大等の問題の大きな原因となり得る。本実施態様に係る熱式質量流量計においては、センサチューブの近傍にセンサワイヤが配設されている（例えば、センサチューブにセンサワイヤが巻き付けられている）。本実施態様に係る熱式質量流量計においては、このようにセンサチューブの近傍にセンサワイヤが配設された部分の周囲に被覆層が配設されているものの、本発明の前記第１の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法が適用される。その結果、センサワイヤから発生する熱による被覆層の経時変化が抑制され、上述したような問題が回避される。

ところで、冒頭で述べたように、本発明は、熱式質量流量計における流量の測定方法及び当該方法を使用する熱式質量流量計のみならず、当該熱式質量流量計を使用する熱式質量流量制御装置にも関する。当該熱式質量流量制御装置は、本発明に係る熱式質量流量計における流量の測定方法を使用する熱式質量流量計によって算出される流体の流量に基づいて流量調節手段を制御して、流体の流量を目標値に近付ける。

即ち、本発明の第４の実施態様は、
本発明の前記第２又は前記第３の実施態様に係る熱式質量流量計と、
前記流路に流れる流体の流量を制御する流量調節手段と、
前記流量調節手段を制御する第２制御部と、
を備える熱式質量流量制御装置であって、
前記第２制御部が、前記熱式質量流量計によって算出される前記流体の流量に基づいて前記流量調節手段を制御して、前記流体の流量を目標値に近付ける、
熱式質量流量制御装置である。

上記のように、本実施態様に係る熱式質量流量制御装置は、本発明の前記第２又は第３の実施態様に係る熱式質量流量計を備える熱式質量流量制御装置である。従って、熱式質量流量計の基本的な構成については、図１乃至３等を参照しながら、本発明の前記第１乃至前記第３の実施態様に係る熱式質量流量計における流量の測定方法及び当該方法を使用する熱式質量流量計の説明において既に述べたので、ここでは繰り返して説明しない。

本実施態様に係る熱式質量流量制御装置は、上記のように、熱式質量流量計の他に、前記流路に流れる流体の流量を制御する流量調節手段と、前記流量調節手段を制御する第２制御部と、を備える。流量調節手段は、流路に流れる流体の流量を制御することが可能である限り、特に限定されない。流量調節手段の具体例としては、例えば、アクチュエータによって開度を変更することができる流量制御弁を挙げることができる。第２制御部もまた、流量調節手段を制御して、流路に流れる流体の流量を増減することが可能である限り、特に限定されない。図１に示されている例においては、熱式質量流量制御装置１００は、熱式質量流量計１１０の他に、流路１１４に流れる流体の流量を制御する流量調節手段１２０及び流量調節手段１２０を制御する第２制御部（図１においては、制御手段１３０に含まれる）を備える。

流量調節手段１２０は、図１に示されているように、流量制御弁１２１、弁口１２２、ダイアフラム１２３、アクチュエータ１２４、弁駆動回路１２５、及び図示しない電源等を含む。制御手段１３０に含まれる第２制御部は、熱式質量流量計１１０によって算出される流体の流量に基づいて流量調節手段１２０を制御して、流体の流量を目標値に近付ける。より具体的には、制御手段１３０に含まれる第２制御部は、熱式質量流量計１１０によって算出される流体の流量を目標値と比較し、その結果に応じた制御信号を弁駆動回路１２５に送信する。

例えば、流体の流量が目標値よりも少ない場合は、第２制御部はアクチュエータ１２４によって流量制御弁１２１の開度を増やして流体の流量を増やすように弁駆動回路１２５に制御信号を送る。逆に、流体の流量が目標値よりも多い場合は、第２制御部はアクチュエータ１２４によって流量制御弁１２１の開度を減らして流体の流量を減らすように弁駆動回路１２５に制御信号を送る。尚、上記説明においてはフィードバック方式による流体の流量制御について説明したが、本実施態様に係る熱式質量流量制御装置による流体の流量制御は、フィードバック方式に限定されず、例えばフィードフォワード方式等の他の制御方式によって実行してもよい。

加えて、図１に示されている実施態様に係る熱式質量流量制御装置においては、第１制御部及び第２制御部が何れも制御手段１３０に含まれていた。しかしながら、これらの制御部及び／又は他の制御部は、それらの全てがこのように１つの制御手段として実装されていてもよく、それぞれ個別の制御手段（制御部）として実装されていてもよい。或いは、これらの制御部及び／又は他の制御部のうち何れかは１つの制御手段として実装されており、残りの制御部は別の制御手段として纏めて、又は残りの制御部はそれぞれ個別の制御手段（制御部）として実装されていてもよい。

本実施態様に係る熱式質量流量制御装置が備える熱式質量流量計によれば、上述したように、センサワイヤから発生する熱による流量センサを構成する部材の経時変化等に起因するゼロ点変動等の問題を低減することができる。その結果、本実施態様に係る熱式質量流量制御装置は、長期間に亘って高い制御精度を維持することができ、高い信頼性を発揮することができる。

或いは、本実施態様に係る熱式質量流量制御装置が備える熱式質量流量計によれば、上述したように、単位時間当たりのセンサワイヤからの発熱量の増大を抑制しつつ、センサ回路からの出力信号を強くして検出信号のＳ／Ｎ比を上昇させ、質量流量の測定精度を高めることができる。その結果、本実施態様に係る熱式質量流量制御装置は、信頼性の低下等を抑制しつつ、より高い制御精度を発揮することができる。

以下、本発明の幾つかの実施態様に係る熱式質量流量計の構成等につき、時に添付図面を参照しながら、更に詳しく説明する。但し、以下に述べる説明はあくまでも例示を目的とするものであり、本発明の範囲が以下の説明に限定されるものと解釈されるべきではない。

本実施例においては、所定のパルス幅及び所定の振幅を有するパルス電圧を入力信号としてセンサワイヤに供給する本発明の１つの実施態様に係る熱式質量流量計（実施例）とセンサワイヤに直流電圧を（連続的に）印加する従来技術に係る熱式質量流量計（比較例）とを比較した。具体的には、単位時間当たりにセンサワイヤに供給される電力量を揃えた状態において、実施例及び比較例に係るそれぞれの熱式質量流量計が備えるセンサ回路からの出力信号強度としての出力電圧を同一条件下で比較した。

（１）熱式質量流量計の構成
実施例及び比較例の何れについても、図１に示されている構成を有する熱式質量流量制御装置として作成した。従って、これらの熱式質量流量制御装置の構成については、既に説明済みであるので、ここでは繰り返し説明しない。尚、実施例及び比較例の何れにおいても、センサワイヤの材料としてはニッケルと鉄との合金を使用し、センサチューブの材料としては前述したＳＵＳ３１６を使用し、被覆層の材料としてはポリイミドを使用した。

（２）センサ回路の構成
本実施例においては、上述したように、実施例に係る熱式質量流量計においてはセンサワイヤにパルス電圧を印加し、比較例に係るそれぞれの熱式質量流量計においてはセンサワイヤに直流電圧を印加し、それぞれの熱式質量流量計が備えるセンサ回路からの出力電圧を同一条件下で比較する。そこで、本実施例においては、図４に示すセンサ回路を採用した。図４は、前述したように、実施例に係る熱式質量流量計と比較例に係る熱式質量流量計との比較のために使用したセンサ回路の構成を示す模式図である。図４において、図２に示されているセンサ回路の構成要素に対応する構成要素には、図２と同じ符号が付されている。

先ず、実施例に係る熱式質量流量計においては、図４に示されているように、スイッチＳＷをＯＦＦにした（開いた）状態で、センサワイヤを発熱させるための電圧として点Ｐと点Ｎとの間に２４Ｖの電圧を印加した（点Ｐ側を＋１２Ｖ、点Ｎ側を−１２Ｖとした）。更に、関数発生器によって生成された０．１１ｍｓ（ミリ秒）のパルス幅及び１．０ｍｓの周期を有するパルス電圧（即ち、デューティ比＝１／９）を、点Ｐと抵抗素子との間に（スイッチＳＷと並列に）介装されたトランジスタのベースに印加した。このようにして、実施例に係る熱式質量流量計においては、０．１１ｍｓのパルス幅及び２４Ｖの振幅を有するパルス電圧を１．０ｍｓの周期にてセンサワイヤに印加した（図５の（ａ）を参照）。

一方、比較例に係る熱式質量流量計においては、スイッチＳＷをＯＮにした（閉じた）状態で、センサワイヤを発熱させるための電圧として点Ｐと点Ｎとの間に８Ｖの電圧を印加した。このように比較例に係る熱式質量流量計においては、スイッチＳＷを閉じた状態で上記８Ｖの電圧を直流電圧として（連続的に）センサワイヤに印加した（即ち、デューティ比＝１／１）。

上記のように、実施例に係る熱式質量流量計においてセンサワイヤに印加される電圧（２４Ｖ）は比較例に係る熱式質量流量計においてセンサワイヤに印加される電圧（８Ｖ）の３倍である。一方、実施例に係る熱式質量流量計においてセンサワイヤに印加される電圧のデューティ比（１／９）は比較例に係る熱式質量流量計においてセンサワイヤに印加される電圧のデューティ比（１／１）の１／９である。従って、実施例に係る熱式質量流量計において単位時間当たりにセンサワイヤに供給される電力量は、比較例に係る熱式質量流量計において単位時間当たりにセンサワイヤに供給される電力量に等しい。

尚、本実施例においては、実験を容易にする目的で、上記のようにスイッチＳＷを点Ｐとセンサワイヤ１１７との間に介装した。これにより、本発明に係る実施例としての熱式質量流量計の作動と、従来技術に係る比較例としての熱式質量流量計の作動とを、１つのセンサ回路において切り替えて実現することが可能となる。しかしながら、このような構成はあくまでも実験を容易にするために導入されたのであって、このような構成が本発明の実施に必須であると解釈されるべきではない。

（３）実験装置の構成
次に、図６に示されている実験装置を使用して、上述したように構成された実施例及び比較例に係るそれぞれの熱式質量流量計における質量流量の計測実験を行った。図６に示されているように、流体としては窒素ガス（Ｎ_２）を使用した。また、流体が流れる流路の上流側から順に、当該実験装置における流体の流量を制御する基準としての質量流量制御装置（基準ＭＦＣ）と試験用の質量流量制御装置（試験用ＭＦＣ）としての実施例又は比較例に係る熱式質量流量計を直列に配設した。

上記のような構成を有する実験装置において、基準ＭＦＣの入口側の流路における流体の圧力は０．２ＭＰａに調節し、試験用ＭＦＣの出口側の流路における流体の圧力は大気圧とした（出口側の流路は開放した）。また、基準ＭＦＣにおいて、流体としての窒素ガス（Ｎ_２）の最大流量は３ｓｌｍとし、基準ＭＦＣの流量調節手段（流量制御弁）を制御して、この最大流量の０％、１０％、３０％、４０％、５０％、６０％、及び６７％の設定流量において流体を流し、それぞれの設定流量における試験用ＭＦＣによる流量測定の結果を記録した。この際、試験用ＭＦＣの流量調節手段（流量制御弁）は全開とした。即ち、本実施例において、試験用ＭＦＣは、質量流量制御装置（ＭＦＣ）としてではなく、質量流量計（ＭＦＭ）として作動させた。

上記計測実験において、実施例に係る熱式質量流量計が備えるセンサ回路からオペアンプを介して出力される出力信号は、例えば、図５の（ｂ）に示されているような波形を呈した。当該出力信号の波形においては、センサワイヤに印加されるパルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりのときにスパイク状の波形が認められるが、パルス電圧の立ち上がり後、所定の期間が経過すると、出力信号の波形は平坦（略一定）になる。本実施例においては、Ａ／Ｄコンバータをパルス電圧と同期させて、パルス電圧の立ち上がりから０．０５ｍｓ（ミリ秒）後に検出される電圧の値を出力信号強度としてサンプリングした。尚、上記スパイク状の波形は、センサチューブにコイル状に巻き付けられたセンサワイヤのインダクタンスに起因すると考えられる。また、上記「略一定」とは、前述したように、単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている状態を指す。即ち、図５の（ｂ）に示されている波形には描かれていないが、出力信号の平坦部においても、例えばノイズに起因する信号強度の僅かな変動があり得ることは言うまでも無い。

一方、比較例に係る熱式質量流量計においては、上述したように直流電圧をセンサワイヤに印加したので、センサ回路からオペアンプを介して出力される出力信号もまた、従来技術に係る熱式質量流量計と同様に直流電圧であった。従って、比較例に係る熱式質量流量計においては、このように直流電圧として出力される出力信号の電圧値を出力信号強度としてサンプリングした。

（４）測定結果
上記のようにして測定された種々の設定流量における実施例及び比較例に係る各熱式質量流量計が備えるセンサ回路からの出力信号強度（出力電圧値）、並びに実施例における出力信号強度の比較例における出力信号強度に対する比（Ｅ／Ｃ）を以下の表１に列挙する。

表１に示されている実施例及び比較例に係る各熱式質量流量計が備えるセンサ回路からの出力信号強度（出力電圧値）と設定流量との関係をプロットしたグラフを図７に示す。表１及び図７から明らかであるように、実施例及び比較例に係る何れの熱式質量流量計においても、センサ回路からの出力信号強度は設定流量にほぼ比例していた。また何れの熱式質量流量計においても、センサ回路からの出力波形の平坦部におけるノイズの振幅は、出力電圧値の大きさに拘わらず、約０．１Ｖで一定であった。

実施例及び比較例に係る各熱式質量流量計において得られた出力信号強度を比較すると、例えば、５０％（即ち、１．５ｓｌｍ）の設定流量において、実施例に係る熱式質量流量計の出力信号強度は１．０３１Ｖであったのに対し、比較例に係る各熱式質量流量計の出力信号強度は０．３６４Ｖであった。このように、何れの設定流量においても、実施例に係る熱式質量流量計の出力信号強度の比較例に係る各熱式質量流量計の出力信号強度に対する倍率は、センサワイヤへの印加電圧の倍率と同等の約３倍であった。

（５）評価
実施例に係る熱式質量流量計においては、比較例に係る各熱式質量流量計と比較して、センサワイヤへの印加電圧の大きさが３倍に増大されており、その結果、上記のように、センサ回路からの出力信号強度もまた約３倍に増大した。一方、上述したように、何れの熱式質量流量計においても、センサ回路からの出力波形の平坦部におけるノイズの振幅は、出力信号強度の大きさに拘わらず、約０．１Ｖで一定であった。従って、実施例に係る熱式質量流量計においては、比較例に係る各熱式質量流量計と比較して、流量測定におけるＳ／Ｎ比が約３倍に改善された。

一方、前述したように、実施例に係る熱式質量流量計において単位時間当たりにセンサワイヤに供給される電力量は、比較例に係る熱式質量流量計において単位時間当たりにセンサワイヤに供給される電力量に等しい。従って、前述したようなセンサワイヤからの発熱によってセンサチューブ及び流体を加熱することに伴う流量センサを構成する部材の経時変化等に起因するゼロ点変動等の問題は、少なくとも悪化はしない。即ち、実施例に係る熱式質量流量計によれば、流量センサを構成する部材の経時変化等に起因するゼロ点変動等の問題の悪化を抑制しつつ、センサ回路からの出力信号を強くして検出信号のＳ／Ｎ比を高め、質量流量の測定精度を高めることができることが確認された。

尚、本実施例においては、上記のように、センサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を一定に維持しつつ、センサワイヤに供給される入力信号の信号強度（例えば、パルス電圧の振幅）を増大させることにより、センサワイヤからの発熱に起因する種々の問題の悪化を抑制しつつ、センサ回路からの検出信号のＳ／Ｎ比を高め、質量流量の測定精度を高めた。しかしながら、本発明によりセンサワイヤに供給される入力信号の信号強度（例えば、電圧値）を一定に維持しつつ、パルス信号のデューティ比を小さくしてセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を減少させてもよい。この場合、センサ回路からの出力信号の信号強度の低下を抑制しつつ、単位時間当たりにセンサワイヤに供給されるエネルギ量（電力量）を減少させることができる。その結果、センサ回路からの検出信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制して質量流量の測定精度の低下を抑制しつつ、流量センサを構成する部材の経時変化等に起因するゼロ点変動等の問題を軽減することができる。

上記において、センサ回路からの出力信号の強度を完全に維持して質量流量の測定精度を完全に維持しようとする場合は、パルス電圧のデューティ比の低減によるセンサワイヤへの供給電力の減少効果が失われない範疇において、センサワイヤに印加されるパルス電圧の振幅を増大させてもよい。このように、本発明によれば、センサワイヤに供給されるパルス信号の振幅及びデューティ比のそれぞれを適切に調整することにより、センサワイヤからの発熱に起因する種々の問題の程度と質量流量の測定精度とを好適にバランスさせることができる。

本実施例においては、実施例１における比較例に係る熱式質量流量計においてスイッチＳＷを操作して、冒頭で述べたようにセンサ回路からの出力信号を取得する期間においてのみセンサワイヤに直流電力を供給することによりセンサワイヤにおける消費電力を低減することを試みた。そこで、実施例１における比較例に係る熱式質量流量計において、センサワイヤへの電力供給の開始及び停止から熱的平衡状態に到達するまでに要する期間を測定した。

上記の結果、上記熱式質量流量計において、所定の直流電圧（８Ｖ）をセンサワイヤに印加し始めてから、センサ回路からの出力信号の強度が安定する（熱的平衡状態に到達する）までに要した期間は概ね１０秒であった。逆に、上記熱式質量流量計において、所定の直流電圧（８Ｖ）のセンサワイヤへの印加を停止してから、センサ回路からの出力信号の強度が安定する（熱的平衡状態に到達する）までに要した期間もまた概ね１０秒であった。

従って、上記熱式質量流量計において冒頭で述べた従来技術のようにセンサワイヤに直流電力を断続的に供給する場合、概ね２０秒（＝１０秒＋１０秒）に１回しか流体の質量流量を測定することができない。このような測定頻度が、流体の精確な流量を常に監視することが望まれる用途（例えば、半導体の製造プロセスにおいてチャンバ内に供給される流体（プロセスガス）の質量流量を測定する用途等）には不十分であることは言うまでも無い。即ち、冒頭で述べた従来技術に係る方法を上記熱式質量流量計に適用しても、センサワイヤにおける消費電力を低減することはできるものの、流体の精確な流量をタイムリーに測定することはできない。

一方、実施例１における実施例（本発明）に係る熱式質量流量計においては、上述したように０．１１ｍｓのパルス幅及び２４Ｖの振幅を有するパルス電圧を１．０ｍｓの周期にてセンサワイヤに印加する。この場合も、上記熱式質量流量計の熱時定数は同じであり、熱的平衡状態に到達するまでに要する期間もまた概ね１０秒である。従って、この場合、熱的平衡状態に到達するまでに要する期間において約１００００回（＝１０秒／１．０ｍｓ）の流量測定が行われる。

更に、実施例１において述べたように、個々のパルスにおいて、パルス電圧の立ち上がり後、所定の期間（０．０５ｍｓ）が経過して出力信号の波形が平坦（略一定）となったときに検出される電圧の値が出力信号強度として取得される。即ち、個々のパルスにおいては、瞬間的且つ局所的には熱的平衡状態に到達しており、このような熱的平衡状態における流体の質量流量が極めて短い周期（１．０ｍｓ）にて時々刻々と測定される。従って、本発明に係る熱式質量流量計における流量の測定方法によれば、パルス信号を入力信号としてセンサワイヤに供給することにより、流体の質量流量を略連続的に測定することができる。

加えて、実施例１において述べたように、センサワイヤに供給されるパルス信号の振幅及びデューティ比のそれぞれを適切に調整することにより、センサワイヤにおける消費電力の低減効果と質量流量の測定精度の向上効果とを好適にバランスさせることができる。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施態様について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができることは言うまでも無い。

１００…熱式質量流量制御装置、１１０…熱式質量流量計、１１１…センサ回路、１１２…被覆層、１１２ａ…第１被覆層、１１２ｂ…第２被覆層、１１２ｃ…第３被覆層、１１２ｄ第４被覆層、１１３…電源、１１４…流路、１１５…バイパス、１１６…センサチューブ、１１７及び１１８…センサワイヤ、１１７′及び１１８′…抵抗素子、１１９…オペアンプ、１２０…流量調節手段、１２１…流量制御弁、１２２…弁口、１２３…ダイアフラム、１２４…アクチュエータ、１２５…弁駆動回路、及び１３０…制御手段。

Claims (6)

1. 流体が流れる流路と、
   前記流路の途中に設けられたバイパスと、
   前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
   前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
   前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
   を備える熱式質量流量計における流量の測定方法であって、
   熱的平衡状態に到達して前記センサ回路から出力される出力信号の強度が安定するまでに要する期間である測定期間において信号強度が第１強度となる期間である第１期間と信号強度が０（ゼロ）となる期間である第２期間とが交互に複数回現れるように信号強度が経時的に変化するパルス信号を前記入力信号として前記センサワイヤに供給すること、
   前記パルス信号が前記センサワイヤに供給された結果として前記センサ回路から出力される前記出力信号のうち、信号強度が前記第１強度になっている前記入力信号に対応し且つ単位時間当たりの信号強度の変動幅が所定の閾値以下になっている部分における前記出力信号の信号強度を出力信号強度として取得すること、及び
   前記出力信号強度に基づいて、前記流体の流量を算出すること、
   を含む熱式質量流量計における流量の測定方法。
2. 請求項１に記載の熱式質量流量計における流量の測定方法であって、
   前記第１強度は、前記入力信号としての前記パルス信号によって前記センサワイヤに単位時間当たりに供給される電力量に等しい電力量を前記センサワイヤに単位時間当たりに供給することができる前記入力信号としての直流電力の信号強度よりも大きい、
   熱式質量流量計における流量の測定方法。
3. 請求項１に記載の熱式質量流量計における流量の測定方法であって、
   前記入力信号としての前記パルス信号によって前記センサワイヤに単位時間当たりに供給される電力量は、前記第１強度に等しい信号強度を有する直流電力を前記入力信号とする場合に前記センサワイヤに単位時間当たりに供給される電力量よりも小さい、
   熱式質量流量計における流量の測定方法。
4. 流体が流れる流路と、
   前記流路の途中に設けられたバイパスと、
   前記バイパスの上流側において前記流路から分岐して前記バイパスの下流側において前記流路に再び合流するセンサチューブ及び前記センサチューブに流れる流体に対して直接には接触せず且つ熱伝導可能に配設された一対のセンサワイヤを含む流量センサと、
   前記センサワイヤから発熱させるための入力信号を前記センサワイヤに供給する電源と、
   前記センサワイヤを含むブリッジ回路を備えるセンサ回路と、
   を備える熱式質量流量計であって、
   前記電源及び前記センサ回路を制御する第１制御部を更に備え、
   前記第１制御部が請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の熱式質量流量計における流量の測定方法を実行することにより、前記流体の流量を算出する、
   熱式質量流量計。
5. 請求項４に記載の熱式質量流量計であって、
   前記センサチューブの近傍に前記センサワイヤが配設されており、
   前記センサチューブの近傍に前記センサワイヤが配設された部分の周囲に配設された被覆層、
   を更に含む熱式質量流量計。
6. 請求項４又は５に記載の熱式質量流量計と、
   前記流路に流れる流体の流量を制御する流量調節手段と、
   前記流量調節手段を制御する第２制御部と、
   を備える熱式質量流量制御装置であって、
   前記第２制御部が、前記熱式質量流量計によって算出される前記流体の流量に基づいて前記流量調節手段を制御して、前記流体の流量を目標値に近付ける、
   熱式質量流量制御装置。

Images