JPH07210254A

JPH07210254A - ガス質量流量制御装置

Info

Publication number: JPH07210254A
Application number: JP31407194A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Kazama; 洋一郎風間; Makoto Tanaka; 田中　　誠
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】ケーシング側壁にデジタル用とアナログ用の
２系統のコネクタ部を設けることにより、高クリーン度
が必要とされる配管筐体空間の大きさを極力小さくした
ガス質量流量制御装置を提供する。【構成】ガス体の流れるセンサ管４４を有する質量流
量検出センサ部４２と、流量制御弁２０と、これを駆動
するアクチュエータ部４６と、制御回路を搭載した制御
基板５０と、全体を被うケーシング４８と、外部との信
号通信を行うデジタル信号用コネクタ部５２及びアナロ
グ信号用コネクタ部５４とを有するガス質量流量制御装
置において、上記制御基板を複数に分割して設並し、且
つ上記センサ部におけるセンサ管４４の流路長を短くす
ることによりこの高さを小さく設定し、この上方の空間
スペースを大きく取る。そして、この空間に２つのコネ
クタ部を収容してケーシング側壁４８Ｂに取り付ける。
これにより、ケーシング側方からのケーブルの着脱を可
能とし、従来必要とされたケーシング上方のケーブル着
脱用空間を不要にして配管筐体の容積を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス等の比較的小流量
の流体の質量流体を精密に制御するガス質量流量制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製品等を製造するために
は、例えば成膜処理やエッチング処理等を精度良く行う
ために微量の処理ガスを精度良く制御しながら流す必要
があるが、この流量制御を行うために例えばガス質量流
量制御装置が用いられている。

【０００３】この種のガス質量流量制御装置は、微量ガ
スの質量流量を検出するセンサ部と、流量制御弁と、こ
の制御弁を駆動するアクチュエータ部と、これらを制御
する制御回路部とにより主に構成されている。センサ部
は、全ガス量の僅かな比率の流量が通過するセンサ管に
電熱コイルを巻回してなるセンサを有しており、大部分
のガスはバイパスを流れるようになっている。そして、
このセンサ部での検出値に基づいて制御回路部は制御弁
の弁開度を制御し、ガスの流量を制御する。そして、弁
開度を制御するには、全体のガス流量自体が非常に少な
いことから例えば数１０μｍ程度のストローク範囲内で
制御が行われることになり、そのために、一般的にはア
クチュエータ部として小さなストローク範囲内で大きな
推力変化を生ぜしめることができることから積層型圧電
素子体等が用いられている。

【０００４】ここで従来のガス質量流量制御装置を図１
１に基づいて説明すると、流体通路２のバイパス４の上
流側及び下流側端部近傍に全ガス流量の僅かな比率の流
量を流す例えば直径０．５ｍｍ程度で長さが６０ｍｍ程
度のＵ字状に形成されたセンサ管８の両端部がそれぞれ
接続され、これに１対の電熱コイル１０が巻回されてセ
ンサ部６を構成している。この１対の電熱コイル１０
は、例えば５０００ＰＰＭ／度程度の高い抵抗温度係数
を有し、これと２つの抵抗（図示せず）と組み合わせた
ブリッジ回路を形成し、これに定電流回路１２から電流
を流すようになっている。そして、ガス流の上流側のヒ
ータはセンサ管８を通るガス流によって熱が奪われて温
度が下がる。これに対して下流側のヒータは上流側で温
まったガス流が流れるために逆に熱が上がる傾向となっ
て熱移動が生ずると平衡状態のブリッジ回路が不平衡と
なり、この時発生する電位差が流量信号となる。

【０００５】この信号は増幅回路１４により増幅された
後、比較制御回路１６へ入力され、ここでこの入力信号
と基準流量を示す基準信号と比較して所定の流量を維持
するように積層型圧電素子体等のアクチュエータ部１８
を伸縮させて制御弁２０のダイヤフラム２２を適正な弁
開度になるように上下動させる。

【０００６】このような構造の装置を実装する場合に
は、図１２に示すように例えばステンレススチール等よ
りなる流体通路２上に方形状のケーシング２４を設け、
このケーシング２４内に上記センサ管８を有するセンサ
部６、制御弁２０、アクチュエータ部１８及び定電流回
路、増幅回路、比較制御回路等の電気部品を設けた基板
２６がコンパクトに収容されている。

【０００７】また、この種のガス質量流量制御装置は、
外部との制御用の通信を行うために上記各回路に電気的
に接続されるコネクタ部が設けられるが、従来はデジタ
ル信号用コネクタ部２８とアナログ信号用コネクタ部３
０がそれぞれセンサ部上方のケーシング側壁３２及びケ
ーシング天井壁３４に設けられている。そして、デジタ
ル信号用コネクタ部２８は、ケーブル３６を介して例え
ばパーソナルコンピュータに接続され、アナログ信号用
コネクタ部３０はケーブル３８を介して例えば表示器等
に接続されることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の流
量制御装置は、一般的には配管筐体内に多数個配列して
収容されることになるが、例えば半導体製造用のクリー
ンルームの建設コストが年々増加し、単位空間或いは面
積当たりの費用が高価になっているため、上記配管筐体
の小容量化、すなわち流量制御装置自体の小型化も強く
求められている。

【０００９】このため、上述のようにケーシング２４内
の各種部品は装置全体の高さができるだけ低くなるよう
にコンパクト化されて収容されるのであるが、センサ部
６の高さはアクチュエータ部１８の高さよりも一般的に
は低いために装置全体の高さはアクチュエータ部１８に
よって規定される。そのために２つのコネクタ部２８、
３０を、センサ部６の上方の空間部Ｓに取り付ける必要
がある。

【００１０】この場合、センサ部６の内部にはセンサ管
８が収容されるが、このセンサ感度を十分に得るために
はコイル１０を所定数巻回しなければならない。そし
て、配管距離が決められていることからこの距離では所
定の巻回数を得ることができず、そのため、センサ管８
を逆Ｕ字状に曲げてコイル巻回用の距離を稼いでいた。
一般的には、このセンサ管８は長さ６０ｍｍ程度になり
このセンサ部６の高さが上記アクチュエータ部１８より
は低いとはいえ比較的高いためにこの上方に形成される
空間部Ｓの体積は比較的少なくなる。そのために、前述
のように２系統の信号コネクタ部の内、一方、例えばデ
ジタル信号用コネクタ部２８のみをケーシング側壁３２
に設け、他方のアナログ信号用コネクタ部３０をケーシ
ング天井壁３４に設けている。

【００１１】しかしながら、上述したような構成にあっ
ては、アナログ信号用コネクタ部３０を天井壁３０に設
けてあることから、このコネクタ部３０へのケーブル３
８の着脱を行うための空間として天井壁３４の上方へ更
に高さＨ１が６０ｍｍ程度の着脱用空間を確保しなけれ
ばならず、装置全体の高さＨ２が例えば１２５ｍｍとす
ると全体で１８５ｍｍの高さの空間を占有してしまうこ
とになるのみならず、上記着脱用空間を確保するために
これを収容する配管筐体をかなり大型化しなければなら
ないという問題があった。また、配管筐体内は、パーテ
ィクル排除のために一般的には真空引きされるが、この
容量が大きいと、真空引きのエネルギも大きくならざる
を得なかった。また、上述した構成にあっては配線の引
き回し（特に電源部）が長くなり、しかも、デジタル信
号線とアナログ信号線が直交する可能性も多くなり、ノ
イズが発生する原因にもなる。

【００１２】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、ケーシング側壁に２系統のコネクタ部を設け
ることにより装置全体を含めて必要とされる空間の大き
さを極力小さくしたガス質量流量制御装置を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、この種の流量
制御装置の内、全高寸法が他の配管機器に比べて圧倒的
に大きく、従って、空間有効利用の見地より、この全高
寸法を低く抑制することが重要である、ということを見
出すことによりなされたものである。

【００１４】本発明は、上記問題点を解決するために、
流体通路に流れるガス体の質量流量を検出すべくセンサ
管を有する質量流量検出センサ部と、前記ガス体の流量
を制御する流量制御弁と、この流量制御弁を駆動するア
クチュエータ部と、前記センサ部からの信号を処理する
と共に前記アクチュエータ部の動作を制御する制御回路
部を有する制御基板と、前記質量流量検出センサ部と前
記流量制御弁と前記アクチュエータ部と前記制御基板を
収容するケーシングと、このケーシングに取り付けられ
て前記制御回路部と外部との信号通信を行うためのデジ
タル信号用コネクタ部及びアナログ信号用コネクタ部と
を有するガス質量流量制御装置において、前記デジタル
信号用コネクタ部と前記アナログ信号用コネクタ部を収
容し得る大きさの空間を形成すべく前記制御基板は複数
に分割されて前記ケーシングの幅方向に並設されると共
に前記質量流量検出センサ部のセンサ管は、比較的短く
設定され、前記デジタル信号用コネクタ部と前記アナロ
グ信号用コネクタ部は、前記質量流量検出センサ部の上
方に位置されると共に前記ケーシングの側壁に設けるよ
うにしたものである。

【００１５】

【作用】本発明は、上述のように質量流量検出センサ部
のセンサ管として比較的短いもの、例えば直管状のセン
サ管に複数層抵抗巻線を施すことによりその小型化を図
った定温度差方式によるセンサを使用し且つ制御基板を
複数に分割して並設するようにしたので、ケーシングの
幅を過度に大きくすることなくこのセンサ部の上方の空
間部に２系統のアナログ及びデジタル信号用のコネクタ
部を位置させると共にこれら２つのコネクタ部を共にケ
ーシング側壁に取り付け固定することができる。これに
より、ケーブルの着脱は装置の横方向から操作すること
ができ、ケーシング天井壁の上方に従来装置の場合に必
要とされた高さ６０ｍｍ程の着脱用空間を必要とせず、
全体の占有空間すなわち配管筐体の大きさを大幅に減少
させることが可能となる。

【００１６】この場合、デジタル信号用コネクタ部とア
ナログ信号用コネクタ部を１つのコネクタ部にまとめて
しまった構造のコネクタ部を用いた場合にも適用するこ
とができる。また、ガス質量流量制御装置の種類として
は、流体通路を設けたボディ部の高さ方向の一側に質量
流量検出センサ部、アクチュエータ部、制御基板、コネ
クタ部等を配置して装置自体は固定ベースに取り付けら
れる標準型のものや、ボディ部の高さ方向の上側と下側
にセンサ部、アクチュエータ部、制御基板、コネクタ部
等を配置して、装置自体はライン中に宙吊りに接続され
るインライン型のものにも適用することができる。

【００１７】更に、装置自体の高さＨとガス流体流れ方
向の装置自体の長さＬとの比Ｈ／Ｌは、０．８≦Ｈ／Ｌ
≦１．２の範囲内であるのが望ましい。その理由は、標
準型の装置を例にとるとその長さＬは１２４ｍｍであ
り、高さＨに関しては、ボディ部の高さ、センサの巻線
の高さ、センサ巻線とアクチュエータ部の駆動コイルと
の間の最小距離、この駆動コイルとケーシング天井部と
の最小距離等を考慮すると最小値が９９ｍｍ程度であ
り、また、装置本体の取り付け時の取付け治具の作業空
間の確保や装置の付属品の全体高さ等を考慮すると最大
値が１５０ｍｍ程度である。従って、上述のようにＨ／
Ｌは好ましくは０．８〜１．２の範囲内に設定する。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明のガス質量流量制御装置の一
実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明の
ガス質量流量制御装置の一実施例を示す縦断面図、図２
は図１に示す装置の横断面図、図３は図１に示す装置の
側面図、図４は図１に示す装置に用いられる質量流量検
出センサ部の構成を示す概略構成図、図５は図４に示す
センサ部の回路構成図である。尚、図１１及び図１２に
示す従来構造の構成と同一部分については同一符号を付
す。

【００１９】本実施例においては、ボディ部の高さ方向
の一側（図中上方）に各部材を配置した標準型の装置を
例にとって説明する。図示するように２は例えばステン
レススチール等により成形された流体通路であり、この
両端には配管等に接続されるジョイント４０が設けられ
る。この流体通路２の形成されたステンレススチール部
分はボディ部８４として構成され、他の部分と比較して
熱容量が大きくなされている。この流体通路２のガス体
の流れ方向の上流側には大部分の流量を流すバイパス４
が設けられ、下流側にはガス体の流量を制御するために
弁体としてダイヤフラム２２を備えた流量制御弁２０が
設けられる。

【００２０】上記バイパス４の両近傍側には、質量流量
検出センサ部４２の一部を構成する流路長さの比較的短
い、例えば１２ｍｍ程度に設定されたセンサ管４４が接
続され、これにバイパス４と比較して小量のガス体を流
し得るようになっている。上記質量流量検出センサ部４
２としては後述するようにその小型化を図るために定温
度差方式によるセンサが使用され、且つ制御基板が複数
に分割されてケーシングの幅方向に並設され、この上方
の空間の大きさを十分広く確保し得るようになってい
る。

【００２１】また、上記流量制御弁２０を駆動するため
にこの制御弁２０の図中上方には上記センサ部４２と並
設させてアクチュエータ部４６が起立されている。この
アクチュエータ部４６としては、従来構造と同様に積層
型圧電素子を用いてもよいし、電磁アクチュエータ等を
用いてもよい。本実施例にあっては装置の小型化を推進
するために、例えば本出願人が特願平５−２０９８６８
号にて開示したような、駆動コイル８２を含む電磁石を
利用した電磁アクチュエータとこのアクチュエータによ
る駆動力を適正に制御できる板状の皿バネを組み合わせ
てなる電磁アクチュエータを用い、その全体の高さの低
減を図っている。そして、これら全体は方形状のケーシ
ング４８内に収容されている。

【００２２】また、上記センサ部４２からの信号を処理
すると共に上記アクチュエータ部４６の動作を制御する
制御回路部を有する制御基板５０は、本実施例にあって
はセンサ用基板５０Ａとサブ基板５０Ｂとメイン基板５
０Ｃとに３つに分割されており、比較的小面積の上記セ
ンサ用基板５０Ａとサブ基板５０Ｂとは上記センサ部４
２の上方の空間部に相互に並行に起立させて設けられて
いる。また、比較的大面積のメイン基板５０Ｃは、ケー
シング４８の幅広側壁部４８Ａの内側に沿って配置され
ている。尚、これら各基板５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの配
列順序はこれに限定されず、例えば後述するコネクタ部
の配列に応じて配列順序を変えるようにしてもよい。上
記センサ用基板５０Ａは、主に上記センサ部４２の動作
制御を行う回路を搭載するものであり、また、サブ基板
５０Ｂは２系統の信号系の内の一系統、例えばデジタル
信号の入出力を行うための回路を搭載するものであり、
更に、メイン基板５０Ｃは他方の系統、例えばアナログ
信号の入出力を行うと共に装置全体の制御を行うための
回路を搭載するものである。

【００２３】このように小型のセンサ部４２を用い且つ
制御基板５０を複数に分割して並設することによりケー
シング４８の幅方向すなわち厚さは僅かに大きくなり、
そして、ケーシング４８の一方の幅狭側壁部４８Ｂに
は、デジタル信号用コネクタ部５２とアナログ信号用コ
ネクタ部５４とが並設して取り付けられており、厚さ方
向が有効利用されている。そして、各コネクタ部５２、
５４には外部からデジタル用ケーブル５６とアナログ用
ケーブル５８を着脱可能に接続し得るようになってい
る。そして、上記デジタル用コネクタ部５２の基端部は
上記サブ基板５０Ｂに固定されて保持され、また、上記
アナログ用コネクタ部５４の基端部は上記メイン基板５
０Ｃに固定されて保持される。

【００２４】これら２つのコネクタ５２、５４間には、
ケーシングの高さをできるだけ小さくするために前記セ
ンサ用基板５０Ａが起立されており、上記各部品が上記
センサ部４２の上方に確保された大きな空間に密集させ
て且つ整然と配置されている。また、各センサ用基板５
０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、例えば４層構造の基板が用い
られて表裏の両面に電気部品が実装されており、基板の
必要高さを一層低減している。

【００２５】更には、上記ケーシング４８は例えばプラ
スチック等の樹脂により成形され、その内面には、シー
ルド効果を発揮するために導電塗料が塗布されている。
そして、このケーシング４８は図３（Ａ）及び図３
（Ｂ）にも示すように一方のコネクタ部、例えばコネク
タ部５２の中心付近を通って高さ方向に割り線７０が入
って左右に２分割可能になされており、それぞれの基部
には、突起７２及びこれに嵌め合う凹部７４を設けて容
易に着脱できるようになっている。また、装置全体の大
きさは、高さをＨとし、ガス流体流れ方向の長さをＬと
した場合にこれらの比は、０．８≦Ｈ／Ｌ≦１．２の範
囲となるように設定する。このように上記比の最小値を
０．８と設定した理由はアクチュエータ４６等の実装上
の制約から規定され、また最大値を１．２とした理由
は、装置取付時の取付治具、例えばスパナの回転を確保
し且つ装置の機械的安定性を確保するためである。

【００２６】上記定温度差方式のセンサは、例えば図４
及び図５に示すように構成される。すなわちバイパス４
の両端に例えばステンレススチールよりなる一対のコマ
部材６０、６０を起立させて設けると共にこれらのコマ
部材６０の内部にドリル等により流路６２、６２を形成
し、これらコマ部材６０、６０の流路６２、６２間に直
線状の短い、例えば１２ｍｍ程度の前記センサ管４４が
掛け渡されている。そして、これらセンサ管４４には上
流側センサ巻線抵抗６４Ａと下流側センサ巻線抵抗６４
Ｂが巻回されており、この全体は外部との間の熱の授受
を抑制するために断熱材６６により被われている。セン
サ管４４の直径は、従来０．５ｍｍ程度であったものを
本実施例では０．３ｍｍ程度としてこれに流れる流量を
少なくし、且つ各巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂは、それぞれ
複数層、例えば２層に巻回されており、センサ管４４の
長さを短くしても所定の感度を得ることができるように
なっている。また、このコマ部材６０及び断熱材６６の
上部には熱的安定性を図るための２つのアルミニウムブ
ロック６８、６８が設けられ、このブロック６８内に
は、上流側周囲温度検出用白金抵抗７０Ａ及び下流側周
囲温度検出用白金抵抗７０Ｂがそれぞれ設けられてい
る。

【００２７】このセンサ部４２の電気回路は、図５に示
すように構成され、すなわち、上流側第１抵抗７１Ａ
と、上流側第２抵抗７２Ａと、上流側定温度差設定基準
抵抗７４Ａ及び上記上流側周囲温度検出用白金抵抗７０
Ａの直列回路と、上記上流側センサ巻線抵抗６４Ａとよ
りなる上流側ブリッジ７６Ａを有し、ポイントＡ１、Ａ
２との間の電位差を上流側増幅器７８Ａで取って上流側
第１抵抗７０Ａと基準抵抗７４Ａの接続点へ出力する。

【００２８】また、下流側においても同様なブリッジが
形成される。すなわち下流側ブリッジ７６Ｂは、下流側
第１抵抗７１Ｂと、下流側第２抵抗７２Ｂと、下流側定
温度差設定基準抵抗７４Ｂ及び上記下流側周囲温度検出
用白金抵抗７０Ｂの直列回路と、上記下流側センサ巻線
抵抗６４Ｂとにより構成され、ポイントＢ１、Ｂ２との
間の電位差を下流側増幅器７８Ｂで取って下流側第１抵
抗７０Ｂと基準抵抗７４Ｂの接続点へ出力する。そし
て、上流側及び下流側ブリッジの対応する素子は、同じ
特性を有するものが使用されている。ここで、ガス体が
流れていない時には上流側と下流側の各センサ巻線抵抗
６４Ａ、６４Ｂと周囲温度の温度差を同一に保持するエ
ネルギは略等しい。

【００２９】そして、ガス体が流れると、上流側センサ
巻線抵抗６４Ａはガス体に熱が奪われ、この結果、ガス
体は温度上昇するが上記巻線抵抗６４Ａと周囲温度とを
所定の温度差に保持するためにはガス体が流れてない時
よりも大きいエネルギ、すなわち流れる電流を大きくす
る必要があり、上流側増幅器７８Ａがそのように制御す
る。

【００３０】一方、下流側センサ巻線抵抗６４Ｂは加熱
されたガス体を受けることにより、周囲温度と巻線抵抗
６４Ｂとを所定の温度差に維持するにはガス体が流れて
いない時よりも小さいエネルギ、すなわち流れる電流を
小さくする必要があり、下流側増幅器７８Ｂがそのよう
に制御する。そして、この時に生ずる両巻線抵抗６４
Ａ、６４Ｂに供給されるエネルギの差はガス体の質量流
量に比例しており、従って、上流側ブリッジ７６Ａのポ
イントＡ２と下流側ブリッジ７６ＢのポイントＢ２の電
位差を比較器８０にて取ることによってガス体の質量流
量を測定することができる。このような定温度差方式に
よるセンサを用いることによりセンサ部６の高さ等を前
述のように小さく設定して、その上方の空間のエリアを
増加させることが可能となる。上述した操作を行う図５
に示す回路は、本実施例にあっては前述したようにセン
サ用基板５０Ａ（図２参照）に搭載されることになる。

【００３１】このように構成された装置は、流体通路２
の形成されたボディ部８４を、図示しないベースにネジ
等により締め付けることにより取り付け固定される。こ
のボディ部８４は、例えばステンレススチールにより形
成されていることから熱容量が大きく、そのため装置内
部で発生した熱をベースを介して効率良く排出可能とな
る。

【００３２】次に、上述のように構成された本実施例の
作用について説明する。流体通路２にガス体が流れる
と、この一部はセンサ部４２のセンサ管４４を流れ、大
部分はバイパス４を流れて行き、流量制御弁２０により
その流量が制御されつつガス体使用系へ向かう。センサ
管４４を流れるガス体の流量は前述した図４及び図５に
示すような定温度差方式のセンサ部４２により検出され
て流体通路２全体に流れる質量流量が求められ、これが
外部から入力される基準流量と制御回路部にて比較され
る。この比較結果に基づいてアクチュエータ部４６を駆
動することにより流量制御弁２０のダイヤフラム２２を
上下動して弁開度を調整し、ガス体の質量流量を設定値
に維持する。

【００３３】さて、このように動作するガス質量流体制
御装置において、本実施例においては質量流量検出セン
サ部４２として定温度差方式のセンサを用い且つ制御基
板５０を複数に分割して寸法的に余裕のあるケーシング
幅方向に配列するようにしたので、ケーシング４８の高
さを大幅に抑制することができる。従って、センサ部４
２の上方の空間も大きくなって且つケーシングの幅も僅
かに大きくなり、ケーシング側壁部に２つのコネクタ部
５２、５４を取り付けることができる。例えば、従来構
造のセンサ部の高さが５０ｍｍ程度であったが、本実施
例のセンサ部４２の高さは２０ｍｍ程度まで大幅に小さ
くすることができる。

【００３４】すなわち、制御基板５０を複数に分割して
並設することにより、ケーシング４８の高さを寸法的に
余裕のあるケーシング幅方向へと展開することにより、
センサ部４２の上方に２つのコネクタ部５２、５４を収
容してこれらをケーシング幅狭側壁部４８Ｂに並設して
取り付けることができる。

【００３５】このようにして、２つのコネクタ部５２、
５４をケーシング幅狭側壁部４８Ｂに取り付けるように
したので、対応するケーブル５６、５８の着脱は自由度
の大きい側方から行うことができ、従って、取り付け時
にケーシングの上方に従来必要とされた高さ６０ｍｍ程
のケーブル着脱用空間を設ける必要がなく、これを収容
する配管筐体の天井をケーシング天井壁４８Ｃに近接さ
せて設けることができ、しかも配管筐体の容量を小さく
することができる。例えば、従来装置にあっては装置全
体の高さが略１２５ｍｍで更にその上方に高さ６０ｍｍ
程のケーブル着脱用空間を設けなければならなかった
が、本実施例にあっては装置全体の高さを略８０ｍｍ程
度まで小さく設定でき、しかもその上方にケーブル着脱
用空間を設ける必要がないので、装置全体として小型化
できるのみならず、これを収容する配管筐体の占有空間
も大幅に小さくすることができる。

【００３６】また、配管筐体の体積を小さくすることに
より、パーティクル排除のためにこの内部を真空引きす
るポンプ類のエネルギも節約することが可能となる。ま
た、装置の高さＨと流体流れ方向の長さＬとの比Ｈ／Ｌ
を０．８以上で１．２以下に抑制したので、装置取付け
治具の回転角を十分に確保できるのみならず、高さもそ
れ程高くはならず機械的安定性も増すことができる。

【００３７】ここで高さの比Ｈ／Ｌを上述のように限定
した理由を詳述する。図６は装置本体の取り付け治具、
例えばモンキレンチを用いてガスの流路であるパイプに
接続する時の状態を示す模式図であり、図６（Ａ）はモ
ンキレンチを使ってパイプに装置本体を接続する作業工
程を示す図、図６（Ｂ）は接続後に流路に開閉バルブを
取り付けた状態を示す側面図、図６（Ｃ）は図６（Ｂ）
の平面図である。

【００３８】まず、制御装置の高さＨの最大値は以下の
ように設定される。この図６（Ａ）に示すようにガス質
量流量制御装置のボディ部８４とガス流路であるパイプ
８６とを接続する場合、ボディ部８４のジョイント４０
は食い込み継手の構造になっており、ここに袋ナット８
８を取り付け治具、例えばモンキレンチ９０によって締
め付ける。この場合、モンキレンチ９０の寸法Ｌ１は２
１０ｍｍ程度であるが、モンキレンチ９０を握る柄の部
分９０Ａが制御装置の高さＨ以上に上方に突き出て握り
を確保すると共にこの回転角をも確保できる状態となっ
ていなければならない。従って、モンキレンチ９０の柄
の部分９０Ａを作業者が手で握るためのスペースとして
例えば６０ｍｍ程度のスペースを確保するために、高さ
Ｈの最大値は略１５０ｍｍ程度となる。

【００３９】また、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すよ
うにパイプ８６の開閉を行うためにパイプ８６には、例
えばエアーで駆動する周知のメタルダイアフラムバルブ
（ＭＤＶ）９２を介設し、これに圧縮エアーを供給する
例えばナイロンフレキシブルチューブ９４を接続したワ
ンタッチ管継手９６をバルブ頭頂部に取り付けている。
尚、図６（Ｃ）においては、２つの制御装置を並設した
状態を示している。この場合、制御装置やチューブ９４
は、箱状の配管ユニット内に収容されることから、制御
装置の高さＨは、ナイロンフレキシブルチューブ９４の
高さと同等か、それ以下でなければならない。ここで、
メタルダイヤフラムバルブ９２の高さＨ２は約８５ｍｍ
程度、ワンタッチ管継手９６の高さＨ３は約２０ｍｍ程
度、フレキシブルチューブ９４の最小曲げ半径Ｈ４は約
２０ｍｍ程度、余裕長さαを約２５ｍｍとすると、制御
装置の高さＨの最大値は前述と同様に略１５０ｍｍ（Ｈ
２＋Ｈ３＋Ｈ４＋α）となる。

【００４０】次に、制御装置の高さの最小値は以下のよ
うに設定される。図７は制御装置の高さＨの最小値を設
定するための説明図であり、ここで示される各部の最小
値を積み上げることにより制御装置の高さ最小値が決定
される。まず、ボディ部８４の高さＨ１０の最小値は、
この中に流体通路を形成する必要から約２６ｍｍの寸法
は必要であり、巻線抵抗６４の高さＨ１１に関しては実
用上製作可能な最小の高さは約３ｍｍである。また、ア
クチュエータ部４６の駆動コイル４６の実用上の最小の
高さ寸法の１／２の高さＨ１３は略１５ｍｍ程度であ
り、この駆動コイル４６の上端とケーシング４８の天井
壁４８Ｃとの間の最小のクリアランスＨ１４は略１０ｍ
ｍ程度である。

【００４１】最後に、巻線抵抗６４と駆動コイル８２の
高さ方向の中央部との間の距離Ｈ１２は、駆動コイル８
２からの発熱により巻線抵抗６４が熱的悪影響を受けな
いような距離をとらなければならない。すなわち、前述
したようにセンサ部は巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂ間の微妙
な熱移動の変化によって流れるガスの質量流量を検出し
ているようになっているので、駆動コイル８２からの発
熱が両巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂ間に不均等に作用を及ぼ
すと検出質量流量に誤差が生じ、再現性精度が劣化して
しまうからである。このような熱による悪影響を排除す
るためには、両巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂは、等温度分布
領域に含まれることが必要である。そこで、本発明者等
は、数値計算による熱解析によりケーシング４８内の空
気層の温度分布のシミュレーションを行った。

【００４２】図８はケーシング内の空気層の温度分布の
シミュレーションの熱モデル図を示し、図８（Ａ）は正
面図を、図８（Ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図８中に
は各部の寸法がｍｍ単位で示されており、ボディ部８
４、アクチュエータ部４６及びベース９８はそれぞれス
テンレススチールにより構成されているものとする。ま
た、シミュレーションにおける熱解析条件は以下の通り
である。

【００４３】（１）駆動コイル８２は、１Ｗの発熱量で
あるとする。（２）制御装置は、ベース９８に取り付けられ、ベース
温度は周囲の温度と同温（２５℃）で一定とし、且つそ
の熱容量は十分に大きいものとする。（３）制御装置内の熱源は駆動コイルだけとし、これ以
外からの熱は無視できるものとする。（４）ケーシング４８内の空気は、容積が小さいために
動かない、すなわち対流は生じないものとし、また輻射
による熱伝達はないものとし、熱伝導のみとした。（５）ケーシング４８から外部への放熱はないものとす
る。

【００４４】以上のような熱解析条件を設定してシミュ
レーションを行った結果、図９に示すような等温度分布
曲線を得ることができた。この図から明らかなように発
熱源である駆動コイル８２に近い位置になるほど等温度
曲線が密になって温度勾配が大となり、逆に駆動コイル
８２から遠くなるほど等温度曲線が疎になって温度勾配
が小さくなる。

【００４５】ここで前述のようにガス質量流量の検出
は、巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂ間の熱移動の変化によって
行われるので、巻線抵抗間の周囲の雰囲気温度に熱勾配
があるのは好ましくない。例えばポイントＰ１に巻線抵
抗６４Ａ、６４Ｂを設定するとこの巻線抵抗は２８．７
℃及び２９．０℃の等温度曲線を横切ってしまって比較
的大きな熱勾配を受けることとなり、好ましくはない。
すなわちポイントＰ１は、駆動コイルに近過ぎる。

【００４６】これに対して２６℃と２６．９℃の等温度
曲線に挟まれたポイントＰ２に巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂ
を設置すると仮定すると、巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂは略
等温度分布領域に含まれることとなって巻線抵抗間の温
度勾配は非常に少なくなる。従って、図から明らかなよ
うに巻線抵抗６４Ａ、６４Ｂを略等温度分布領域に入れ
ることのできる最小の距離Ｈ１２は略４５ｍｍ程度とな
る。ここで図７に戻って、制御装置の高さＨの最小値
は、各部分の最小値の総和（Ｈ１０＋Ｈ１１＋Ｈ１２＋
Ｈ１３＋Ｈ１４）であることから略９９ｍとなる。この
ようにして、制御装置の高さの最小値として９９ｍｍ、
最大値として１５０ｍｍを求めることができる。

【００４７】ところで、制御装置には標準型とコンパク
ト型の２種類があり、流体通路の長さＬは、主に用いら
れている標準型の場合は１２４ｍｍ、コンパクト型の場
合は１０６ｍｍである。従って、主に用いられている標
準型装置の寸法を用いると、高さ比Ｈ／Ｌは、９９／１
２４（＝０．７９８）よりも大きく、１５０／１２４
（＝１．２０９）よりも小さい値となる。従って、高さ
比の関係は、前述したように０．８≦Ｈ／Ｌ≦１．２と
なるように設定するのが好ましいことが判明する。

【００４８】上記実施例では、２つのコネクタ部５２、
５４をケーシング側壁に設けた結果、配線の引き回しの
長さを低減できるのみならず、デジタル用配線とアナロ
グ用配線が直交することがなくなり、ノイズが侵入する
ことを大幅に抑制することもできる。尚、上記実施例に
あってはアクチュエータ部として電磁アクチュエータを
用いた場合を例にとって説明したが、これに代えて積層
圧電素子を用いるようにしてもよい。

【００４９】また、上記実施例にあっては、２つのコネ
クタ部５２、５４をケーシングの厚さ方向に左右に並設
して設けるようにしたが、これに限定されず、例えばこ
れらをケーシングの高さ方向に或いは斜め上下方向に配
列するようにしてもよい。更に、上記実施例では、外部
から制御用の信号を受け入れるコネクタ部としてアナロ
グ信号用コネクタ部５４とデジタル信号用コネクタ部５
２とを別体として設けた場合を例にとって説明したが、
これに限定されず、例えば図１０に示すようにデジタル
信号用の接続部とアナログ信号用の接続部とを１つのコ
ネクタ部に組み込んだものを用いるようにしてもよい。
すなわち、ケーシング４８の幅狭側壁４８Ｂに１つのコ
ネクタ部１００を設け、このコネクタ部１００はデジタ
ル信号用の接続部としてデジタルピン１００Ａと、アナ
ログ信号用の接続部としてアナログピン１００Ｂと、デ
ジタルとアナログに共用される共用ピン１００Ｃとを有
している。そして、このコネクタ部１００に、１本のデ
ジアナ用ケーブル１０２を接続することになる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス質量
流量制御装置によれば、次のような優れた作用効果を発
揮することができる。制御基板を複数に分割してケーシ
ング幅方向に並設すると共にセンサ部を小型化したので
ケーシングの高さを減じてその幅方向へ展開することが
でき、従って、センサ部の上方に２系統のコネクタ部を
収容して共にケーシング側壁に固定することができ、そ
の側方からケーブルの着脱を行うようにすることができ
る。従って、装置取り付け時においてその上方に従来必
要とされてケーブル着脱用空間を不要にすることがで
き、配管筐体の占有スペースを大幅に減少させることが
できる。また、配管筐体の容量を小さくできることか
ら、この内部を真空引きするためのポンプエネルギを少
なくできる。更には、２つのコネクタ部を共にケーシン
グ側壁に設けたので配線の引き回しを低減でき、且つ直
交する配線もなくすことができることからノイズの低減
にも寄与することができる。また、請求項３に規定する
ようにコネクタ部としてアナログ信号用の接続部とデジ
タル信号用の接続部の双方を組み込んだコネクタ部を用
いた場合には、コネクタ部は１つで済むので全体の厚さ
を薄くでき、コンパクト化に寄与することができる。更
には、請求項５及び６に規定するように、ボディ部を装
置の高さ方向一端部側に設けてこれをベースに取り付け
るような構造の場合には、装置内で発生した熱を熱容量
の大きなボディ部を介してベース側へ効率的に排出する
ことができ、センサ部における検出誤差の発生を抑制す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス質量流量制御装置の一例を示す縦
断面図である。

【図２】図１に示す装置の横断面図である。

【図３】図１に示す装置の側面図である。

【図４】図１に示す装置に用いられる質量流量検出セン
サ部の構成を示す概略構成図である。

【図５】図４に示すセンサ部の回路構成図である。

【図６】本発明の装置を取り付けるための取り付け治具
を用いてパイプに接続する時の状態を示す模式図であ
る。

【図７】本発明の装置の高さを最小値を決定するための
説明図である。

【図８】本発明の装置内の空気層の温度分布のシミュレ
ーションの熱モデル図を示す。

【図９】シミュレーション結果の等温度分布曲線を示す
図である。

【図１０】デジタル用とアナログ用を兼用する１つのコ
ネクタ部を有する本発明装置の外観を示す斜視図であ
る。

【図１１】従来のガス質量流量制御装置を示す概略構成
図である。

【図１２】従来のガス質量流量制御装置を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

２流体通路４バイパス２０流量制御弁４２質量流量検出センサ部４４センサ管４６アクチュエータ部４８ケーシング４８Ａ幅広側壁部４８Ｂ幅狭側壁部５０制御基板５０Ａセンサ用基板５０Ｂサブ基板５０Ｃメイン基板５２デジタル信号用コネクタ部５４アナログ信号用コネクタ部５６デジタル用ケーブル５８アナログ用ケーブル８２駆動コイル８４ボディ部９８ベース１００コネクタ部１０２デジタル用ケーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体通路に流れるガス体の質量流量を検
出すべくセンサ管を有する質量流量検出センサ部と、前
記ガス体の流量を制御する流量制御弁と、この流量制御
弁を駆動するアクチュエータ部と、前記センサ部からの
信号を処理すると共に前記アクチュエータ部の動作を制
御する制御回路部を有する制御基板と、前記質量流量検
出センサ部と前記流量制御弁と前記アクチュエータ部と
前記制御基板を収容するケーシングと、このケーシング
に取り付けられて前記制御回路部と外部との信号通信を
行うためのデジタル信号用コネクタ部及びアナログ信号
用コネクタ部とを有するガス質量流量制御装置におい
て、前記デジタル信号用コネクタ部と前記アナログ信号
用コネクタ部を収容し得る大きさの空間を形成すべく前
記制御基板は複数に分割されて前記ケーシングの幅方向
に並設されると共に前記質量流量検出センサ部のセンサ
管は、比較的短く設定され、前記デジタル信号用コネク
タ部と前記アナログ信号用コネクタ部は、前記質量流量
検出センサ部の上方に位置されると共に前記ケーシング
の側壁に設けられることを特徴とするガス質量流量制御
装置。
【請求項２】流体通路に流れるガス体の質量流量を検
出すべくセンサ管を有する質量流量検出センサ部と、前
記ガス体の流量を制御する流量制御弁と、この流量制御
弁を駆動するアクチュエータ部と、前記センサ部からの
信号を処理すると共に前記アクチュエータ部の動作を制
御する制御回路部を有する制御基板と、前記質量流量検
出センサ部と前記流量制御弁と前記アクチュエータ部と
前記制御基板を収容するケーシングと、このケーシング
に取り付けられて前記制御回路部と外部との信号通信を
行うためのコネクタ部とを有するガス質量流量制御装置
において、前記コネクタ部を収容し得る大きさの空間を
形成すべく前記制御基板は複数に分割されて前記ケーシ
ングの幅方向に並設されると共に前記質量流量検出セン
サ部のセンサ管は、比較的短く設定され、前記コネクタ
部は、前記質量流量検出センサ部の上方に位置されると
共に前記ケーシングの側壁に設けられることを特徴とす
るガス質量流量制御装置。
【請求項３】前記コネクタ部は、１つであり、このコ
ネクタ部はデジタル信号用の接続部とアナログ信号用の
接続部の双方を含むことを特徴とする請求項２記載のガ
ス質量流量制御装置。
【請求項４】前記ガス質量流量制御装置の高さをＨ、
前記装置のガス流体流れ方向の長さをＬとした場合に、
０．８≦Ｈ／Ｌ≦１．２の関係を有することを特徴とす
る請求項１乃至３記載のガス質量流量制御装置。
【請求項５】前記流体通路は比較的熱容量の大きなボ
ディ部に形成され、このボディ部は前記ガス質量流量制
御装置の高さ方向の一端部側に配置されていることを特
徴とする請求項１乃至４記載のガス質量流量制御装置。
【請求項６】前記流体通路は、比較的熱容量の大きな
ボディ部に形成され、このボディ部の高さ方向の一側
に、前記質量流量検出センサ部と、アクチュエータ部
と、制御基板と、コネクタ部とを配置するように構成し
たことを特徴とする請求項１乃至５記載のガス質量流量
制御装置。