JPH0830984B2

JPH0830984B2 - 流体流量制御装置

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Publication number: JPH0830984B2
Application number: JP60095373A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　勲; 隆須藤; 武信稲垣
Original assignee: NIPPON TYLAN KK
Current assignee: NIPPON TYLAN KK
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPS61253517A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、例えば、半導体、IC等の製造プロセスで
用いられる各種ガス等の流体の流量制御装置に関し、更
に詳しくは、ノーマリークローズタイプの流体流量制御
バルブを有する流体流量制御装置に関するものである。

［従来の技術］斯種の質量流量制御装置１を第５図に示す。同図にお
いて、２はガスの入口部を示し、３はガスの出口部を示
す。ガスは入口部２を入ると、バイパス部４とセンサ管
５とに分岐される。センサ管５には、ガス流の上流と下
流とに一対の抵抗発熱体（サーマルセンサ）6A,6Bが巻
回されている。抵抗発熱体6A,6Bはブリッジ回路７に接
続されている。ガスがセンサ管５を通過するときに、抵
抗発熱体6A,6Bが熱を奪われる。このときに、抵抗発熱
体6Aが抵抗発熱体6Bより温度低下し、これによって生じ
る温度差をブリッジ回路７において抵抗値変化として取
出す。この抵抗値変化に基づき、センサ管５を流れるガ
スの質量流量を検出できる。つまり、抵抗発熱体6A,6B
とブリッジ回路７とによって流体流量センサが構成され
ている。一方、センサ管５とバイパス部４との分流比率
が所定となっているため、センサ管５を流れるガスの質
量流量が、流れるガス全体の質量流量を反映した値とな
る。８は、バイパス部４に介装された金属メッシュを示
し、この金属メッシュ８によりバイパス部４とセンサ管
５とを流れるガスの分流比を所定に保っている。また、
９はセンサ部のケーシングであり、このケーシング９に
より、抵抗発熱体6A,6Bが外部から影響されぬように
し、精度の良い質量流量の検出を可能にしている。

ブリッジ回路７の出力信号は、増幅回路10により増幅
され、センサ出力端子11から外部の図示せぬ表示器等へ
出力されると共に、比較回路（比較部）12へ出力され
る。比較回路12には、外部から所望の質量流量に対応し
て設定信号が設定信号入力端子13を介して図示せぬ流量
設定部から与えられる。比較回路12は、増幅回路10の出
力信号と設定流量信号とを比較して、その差に応じた信
号を出力する。この信号は、バルブ駆動部14に与えら
れ、バルブ駆動部14は上記信号に基づきバルブヒータ15
へ駆動電圧を与える。16は流体流量制御バルブ（以下、
バルブという）を示す。このバルブ16はノーマリークロ
ーズタイプ（電圧無印加時に弁が閉状態であり、電圧印
加時に弁が開状態となる）である。金属ピン17内にバル
ブヒータ15が入れられており、バルブヒータ15の発熱に
よる金属ピン17の膨張によって、金属ピン17の先端に固
着された弁体18がバネ19に抗して下降し、ガスの通路部
に対するオルフィスを調整する。

このような質量流量制御装置１においては、比較回路
12が増幅回路10より出力される実流量信号V_sと設定流量
信号V_iとを比較し、常にV_i＝V_sとなるように信号を出力
することにより、適切な質量流量制御がなされる。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記の如き質量流量制御装置１におい
ては、ガスの通路部にガスが無い状態で設定流量信号V_i
が与えられると、比較回路12はバルブ16に最大駆動電圧
を印加するように動作する。このため、バルブ16はフル
オープン状態となる。このような状態が継続されると、
バルブヒータ15の温度上昇によりバルブ16の寿命が著し
く短縮される。また、熱膨張を利用しないタイプ（例え
ば電磁弁）のバルブにおいても、劣化が早いばかりでな
く、上記ガス無状態から急にガス有状態になった場合に
は、ガスの流量が所要の値に制御されるまでの間ガスの
フローサージが発生する。一般的に、半導体やICの製造
に用いられるガスは、徐々に流量が多くされてゆくこと
が望ましく、フローサージや流量のオーバシュートによ
り、半導体やICにダメージが与えられることになった。

［問題点を解決するための手段］本発明は、上記のような問題点を解決するために、流
量設定部からの設定流量信号と実流量検出部からの実流
量信号とを比較部において比較し、その比較結果に基づ
いてバブル駆動部から駆動信号を出力してノーマリーク
ローズタイプの流体流量制御バルブを開閉駆動し、該バ
ルブを通過する流体流量を制御するようにした流体流量
制御装置において、上記バルブへの流体供給の有無を検出する流体供給有
無検出手段と、上記バルブ駆動部から出力される駆動信
号が所定レベルに達したことを検知するレベル検出手段
と、上記バルブ駆動部から上記バルブへの駆動信号を遮
断する駆動信号遮断部とによりバブル保護手段を構成
し、上記バルブ保護手段における流体供給有無検出手段に
よる流体供給無しの検出結果とレベル検知手段による駆
動信号の所定レベルへの到達の検知結果とに基づいて、
上記駆動信号遮断部により上記バルブ駆動部から上記バ
ルブへの駆動信号を遮断し、上記バルブを閉成させるよ
うにし、ノーマリークローズタイプの流体流量制御バル
ブを有する流体流量制御装置を構成した。

［作用］上記構成の流体流量制御装置によれば、流体の供給が
無いときにはバルブが閉成される（通常状態とされる）
から、これから弁が開くことによりフローサージや流量
のオーバーシュートをなくすることができる上、バルブ
の寿命が短縮されたり、劣化が生じることがなくなる。

［実施例］第１図は本発明の一実施例のブロック図である。同図
において、第５図と同一の構成要素には同一の番号を付
してその説明を省略する。100は、保護装置を示す。保
護装置100は、実流量に対応する信号をセンサ出力端子1
1へ出力し、また、これを後述のように処理した信号を
比較回路12へ出力する。また、保護装置100は、信号線1
01を介してバルブ駆動信号を取込み、信号線102を介し
てバルブ16の保護のために電流を流すように制御を行
う。保護装置100を具体化した質量流量制御装置1Aの回
路ブロック図を、第２図に示す。103は、実流量出力部
を示し、この実流量出力部103は、抵抗発熱体6A,6B、ブ
リッジ回路７、増幅回路10を含むものである。実流量出
力部103は実流量信号V_sをレベル選別回路104、流体供給
有無検出回路105、センサ出力端子11へ出力する。レベ
ル選別回路104はその出力V_soを、第３図に示した特性及
び、次の（１）式で与えられる計算式に基づいて出力す
る。

V_so＝V_s（V_s＞0.02×V_sMAX） V_so＝0.02×V_sMAX（V_s≦0.02×V_sMAX）（１）つまり、実流量信号V_sがその最大値V_sMAXの２％以下
となると、出力V_soをそれ以下（0.02×V_sMAX以下）とせ
ぬ回路である。この２％という値は後述のように保護状
態を解除とするために必要な値である。また、流体供給
有無検出回路105は、実流量信号V_sが、その最大値V_sMAX
の２％より小さくなると、その出力をＬレベルからＨレ
ベルへ遷移させる。この２％という値は、検出誤差やよ
り的確な保護を行うための値である。バルブ駆動部14を
構成するバルブ駆動回路106の出力信号は、レベル検知
回路107に与えられている。レベル検出回路107は、バル
ブ駆動回路106の出力がその最大値となると、その出力
をＬレベルらＨレベルへ遷移させる。流体供給有無検知
回路105の出力信号とレベル検出回路107の出力信号と
は、ナンドゲート108に入力され、ナンドゲート108の出
力信号はタイマ回路109へ与えられる。タイマ回路109
は、ナンドゲート108の出力信号がＨレベルからＬレベ
ルへ遷移すると、計時を開始し所定時間経過する（この
値は回路の応答性等を考慮して決定され、ここでは10秒
程度とする）と端子109Aの出力V_pのレベルをＨレベルか
らＬレベルへ遷移させる。また、タイマ回路109は、ナ
ンドゲート108の出力信号がＬレベルからＨレベルへ遷
移すると、端子109Aの信号V_pのレベルをＬレベルからＨ
レベルへ遷移させる。バルブ駆動回路106の出力は、ベ
ース抵抗110を介してバルブ駆動部14を構成するトラン
ジスタ111のベースへ与えられるとともに保護用のダイ
オード112及び信号線102を介してタイマ回路109の端子1
09Aへ与えられ得るようになっている。トランジスタ111
のコレクタにはバルブヒータ15が接続されていて、この
バルブヒータ15には電圧Ｖが与えられるように構成され
ている。またトランジスタ111のエミッタは接地されて
いる。

バルブ保護装置（手段）100は、バルブ16への流体供
給の有無を検出する流体供給有無検出手段と、バルブ駆
動部14から出力される駆動信号が所定レベルに達したこ
とを検知するレベル検知手段（レベル検知回路107）
と、上記バルブ駆動部14から上記バルブ16への駆動信号
を遮断する駆動信号遮断部とを備える。流体供給有無検
出手段は、流体流量センサ（抵抗発熱体6A,6B、ブリッ
ジ回路７）と該流体流量センサの出力が所定値以下にな
ったことを検出する検出回路である流体供給有無検出回
路105により構成されている。駆動信号遮断部は、ナン
ドゲート108、タイマ回路109、トランジスタ111、ダイ
オード112および信号線102により構成されている。上記
流体流量センサが、実流量出力部103に共用されてい
る。また、バルブ保護装置（手段）100は、流体の実流
量が所定位置以下のときにその所定値を実流量信号とし
て上記比較回路（部）12へ出力するレベル選別回路104
を備えている。

以上のように構成された質量流量制御装置1Aは、次の
ように動作する。

ガスの供給が無いときに、設定流量信号V_iが設定され
ると（だたし、V_i＞0.02×V_sMAX）、実流量出力部103の
出力は、V_s＝０である。このため、レベル選別回路104
はその出力をV_SO＝0.02×V_sMAXとする。従って、比較回
路12からは、バルブ駆動回路106へ最大駆動電圧を出力
すべく出力信号が出力され、バルブ駆動回路106からは
最大駆動電圧が出力される。これによって、流体供給有
無検出回路105の出力はＨレベルとなり、かつ、レベル
検知回路107の出力もＨレベルとなる。そこで、ナンド
ゲート108からはＬレベルの信号が出力され、タイマ回
路109は計時を開始する。タイマ回路109が所定時間の計
時を終了すると、端子109Aの信号V_PをＨレベルからＬレ
ベルへ遷移させる。このときトランジスタ111にはべー
ス抵抗110を介して最大駆動電圧が印加されており、ト
ランジスタ111はオン状態で、バルブヒータ15に最大電
流が流れている状態にある。しかし、V_PがＬレベルとな
ると、トランジスタ111へ流入していた電流は、ダイオ
ード112、信号線102を介してタイマ回路109へ流れ、ト
ランジスタ111がオフ状態となる。これにより、バルブ
ヒータ15の発熱が止んで、弁体18はオリフィスを閉じた
状態とする。

この状態で、ガスが急に到来しても、弁体18がオリフ
ィスを閉じているので、フローサージが生じないのであ
る。

上記のような保護状態を解除する動作を説明する。流
量設定部からの設定流量信号V_iを下げてゼロとすると、
比較回路12には、V_i（＝０）より大きい出力信号V_soが
与えられているから、その出力はゼロをとるようにな
り、バルブ駆動回路106の出力もゼロとなる。これによ
り、レベル検知回路107の出力がＨレベルからＬレベル
へ遷移し、ナンドゲート108の出力がＬレベルからＨレ
ベルへ遷移する。この結果タイマ回路109は端子109Aの
信号V_pをＬレベルからＨレベルへ遷移させ、これによっ
て保護装置100による保護状態が解除となる。

このような本実施例によれば、ガスが無い状態で流量
設定部からの設定流量信号V_iが与えられても、バルブヒ
ータ15が継続して最大電流によって加熱することがなく
なり、バルブヒータ15の寿命が短くなったり、劣化した
り、焼切れる等の不具合がなくなる。ガス無から突然ガ
ス有となっても、バルブ16が開かないのでフローサージ
がなく、しかも設定流量信号V_iを一度ゼロとして保護状
態を解除できるので、ガス流量を徐々に増加的に制御で
き、ICや半導体用ガスの流量制御に最適である。

第４図に、本発明の他の実施例を示す。この質量流量
制御装置1Bでは、センサ管５よりバルブ16側のガスの通
路20に、最大流量時の２％よりやや大のガス流量を検出
するため、ガスが入る小室21を形成したものである。こ
れによると、ガス供給無の状態では例えば通路20が１気
圧にあり、ガス供給有となって１気圧以上になると、最
大流量時の２％よりやや大のガス流量に対応する量のガ
スの移動が小室21へ生ずる（バルブ16は閉じられてい
る）。このため流体供給有無検出回路105には、0.02×V
_sMAX以上のV_sが与えられるので、その出力がＨレベルか
らＬレベルへ遷移する。これによって、タイマ回路109
へＨレベルの信号が与えられ、保護状態を解除すること
ができる。尚、流体供給有無検出回路に、時定数１〜10
秒の微分回路を設け、V_sの微少な立上りを検知増幅すれ
ば、２％以下のセンサ出力で流体供給の有無を判断させ
ることも可能である。

また、流体供給有無検出回路105の出力を使用して、
バルブ16への流体供給の有無を検出する方法および保護
状態を解除する手法としては、ガスの圧力を検出するセ
ンサを入口部２付近および出口部３付近に設け、この出
力差を流体供給有無検出回路105へ導くようにすること
も考えられる。つまり、上記バルブの上流および下流に
設けた圧力センサと、それら圧力センサによる圧力差が
所定値以下になったことを検出する検出回路とにより流
体供給有無検出手段を構成する。この場合、実流量出力
部103の出力信号V_sを、流体供給有無検出回路105へ導く
必要はない。

更に、上記実施例のものでは、流体流量制御装置にお
ける実流量信号を得るための流量検出部とバルブへの流
体供給の有無を検出する流体供給検出手段における流体
流量センサとを共用させたが、それらを各別に設けても
よい。

尚、以上の実施例では、ガスを対象としたがその他の
流体でも良く、また、バルブとしては熱膨張を用いるの
でなくとも、例えば、電磁弁でも良い。この場合でも、
弁の劣化や、フローサージ等の問題点を除去できる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、バルブの劣化
を防止することが可能となり、流体制御時のフローサー
ジ、オーバシュートを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は第１
図の要部ブロック、第３図は第２図のレベル選別回路の
特性を示す図、第４図は本発明の他の実施例ノブロック
図、第５図は従来の質量流量制御装置のブロック図であ
る。 1A,1B…質量流量制御装置 15…バルブヒータ 16…バルブ 17…金属ピン 18…弁体 19…バネ 20…通路 21…小室 103…実流量出力部 104…レベル選別回路 105…流体供給有無検出回路 106…バルブ駆動回路 107…レベル検知回路 111…トランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲垣武信東京都杉並区西荻北３丁目32番10号日本タイラン株式会社内 (56)参考文献特開昭55−922（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−4005（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流量設定部からの設定流量信号と実流量検
出部からの実流量信号とを比較部において比較し、その
比較結果に基づいてバブル駆動部から駆動信号を出力し
てノーマリークローズタイプの流体流量制御バルブを開
閉駆動し、該バルブを通過する流体流量を制御するよう
にした流体流量制御装置において、上記バルブへの流体供給の有無を検出する流体供給有無
検出手段と、上記バルブ駆動部から出力される駆動信号
が所定レベルに達したことを検知するレベル検知手段
と、上記バルブ駆動部から上記バルブへの駆動信号を遮
断する駆動信号遮断部とによりバブル保護手段を構成
し、上記バルブ保護手段における流体供給有無検出手段によ
る流体供給無しの検出結果とレベル検知手段による駆動
信号の所定レベルへの到達の検知結果とに基づいて、上
記駆動信号遮断部により上記バルブ駆動部から上記バル
ブへの駆動信号を遮断し、上記バルブを閉成させるよう
にしたことを特徴とする流体流量制御装置。
【請求項２】上記流体供給有無検出手段が、流体流量セ
ンサと、該流体流量センサの出力が所定値以下になった
ことを検出する検出回路とから構成されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体流量制御装
置。
【請求項３】上記流体流量センサが、上記実流量検出部
として共用されていることを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の流体流量制御装置。
【請求項４】上記流体供給有無検出手段が、上記バルブ
の上流および下流に設けた圧力センサと、それら圧力セ
ンサによる圧力差が所定値以下になったことを検出する
検出回路とから構成されていることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の流体流量制御装置。
【請求項５】上記バルブ保護手段が、流体の実流量が所
定値以下のときにその所定値を実流量信号として上記比
較部へ出力するレベル選別回路を備えていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項
に記載の流体流量制御装置。