JPH1055218A

JPH1055218A - 圧力式流量制御装置

Info

Publication number: JPH1055218A
Application number: JP8212330A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Koji Nishino; 功二西野; Shinichi Ikeda; 信一池田; Akihiro Morimoto; 明弘森本; Yukio Minami; 幸男皆見; Koji Kawada; 幸司川田; Ryosuke Doi; 亮介土肥; Hiroyuki Fukuda; 浩幸福田
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-02-24
Anticipated expiration: 2016-08-12
Also published as: EP0824232B1; US5816285A; CA2212547A1; EP0824232A1; SG66387A1; IL121494A; IL121494A0; JP3580645B2; DE69700733T2; TW353730B; KR100248961B1; DE69700733D1; CA2212547C

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】流量制御装置の制御精度を高め且つ装置の小
形化を図ると共に、流量測定の可能な条件が崩れると、
手動操作に切替えたり或いは自動的に流量制御装置の作
動を停止させることにより、高い制御精度を確保する。【解決手段】オリフィス５の上、下流側に設けたコン
トロール弁２とオリフィス対応弁９と、オリフィスの
上、下流側に設けた一次圧力検出器３と、二次圧力検出
器１１と、一次圧力検出器の検出圧力Ｐ_１から、流量を
Ｑｃ＝ＫＰ_１（Ｋ_１；定数）として演算すると共に、流
量指令信号Ｑｓと演算流量Ｑｃとの差を制御信号Ｑｙと
して出力する流量演算装置６と、一次圧力／二次圧力の
検出圧力比Ｐ_２／Ｐ_１を演算する圧力比較演算装置１０
とから装置を構成し、前記制御信号Ｑｙによって、コン
トロール弁２を開閉して圧力Ｐ_１を調節し、オリフィス
下流側流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体等の流量制御装
置の改良に関するものであり、主として半導体製造設備
や化学品製造設備等に於いて利用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造設備等のガス流量制御装置と
しては、従前から所謂マスフローコントローラーが多く
利用されている。しかし、このマスフローコントローラ
ーには熱式流量センサの場合、応答速度が比較的遅い
こと、低流量域に於ける制御精度が悪いうえ製品毎に
精度のバラツキがあること、作動上トラブルが多くて
安定性に欠けること、製品価格が高いうえ、交換用部
品も高価であってランニングコストが高くつくこと等の
様々な不都合が存在する。

【０００３】一方、上述の如きマスフローコントローラ
ーの問題点を避けるものとして、図１７に示す如き構成
の差圧式流量制御装置が多く用いられている。即ち、当
該差圧式流量制御装置は、オリフィス３０の上・下流側
の流体差圧△Ｐを圧力検出器３１、３２の検出値から求
め、検出流量Ｑｃ＝Ｋ △Ｐ及び検出流量Ｑｃと設定流
量Ｑｓとの差Ｑｙ＝Ｑｃ−ＱｓをＣＰＵで演算すると共
に、前記流量差Ｑｙを制御信号として流量制御弁３３へ
出力し、前記流量偏差Ｑｙを零にする方向に流量制御弁
３３を開・閉制御するものである。

【０００４】しかし、当該差圧式流量制御装置には、
検出流量Ｑｃのレンジ範囲が圧力検出器３１、３２のレ
ンジ範囲の１／２乗となるため、検出流量Ｑｃの検出精
度が低下すること、流量測定精度を高めるためには、
オリフィス上・下流側に比較的長い直管路を設けて流体
の流れを層流にする必要があり、必然的に装置が大型化
すること等の問題が残されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、前記マス
フローコントローラーや差圧式流量制御装置に於ける上
述の如き問題、即ち装置としての総合的な検出精度が
低いこと、及び装置の小型化が困難なこと等の問題の
解決を直接の目的とするものであり、一次側の圧力検出
器の検出圧力を基準にし、当該検出圧力値に正比例する
形で検出流量を演算することにより、高精度な流量制御
が行え、しかも小型で且つ安価に製造できるようにした
圧力式流量制御装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】而して、ノズルを通る気
体流の特徴の一つとして、ノズル前後の気体の圧力比Ｐ
₂／Ｐ₁が気体の臨界圧力比（空気や窒素等の場合は約
０．５〜０．６）以下になると、ノズルを通る気体の流
速が音速となってノズル下流側の圧力変動が上流側に伝
播しないため、ノズル上流側の状態に相応した安定した
質量流量を得ることができると云う事象がある。但し、
ノズルの場合には、気体のもつ粘性のためにノズル断面
積と音速の積が直接に実際の気体流量を表すことにはな
らず、気体の流量演算を行うにはノズルの形態によって
定まる流出係数を求めなければならないことは勿論であ
る。

【０００７】そのため、本願発明者等は、各種のノズル
形態と流体（ガス）について、その流出係数を求める試
験を繰り返し行って来たが、その試験過程に於いて、前
記気体の圧力比Ｐ₂／Ｐ₁が一定値以下の場合には下流
側の圧力変動が上流側に伝播しないと云う特性に着目
し、気体流通路をノズルに代えて微小オリフィスとした
場合の、オリフィス形態と気体流量及びオリフィス上流
側の気体圧力Ｐ₁と気体流量の関係について、各種の測
定試験を行った。その結果、気体圧力比Ｐ₂／Ｐ ₁が一
定値以下である場合には、板状の微小オリフィスを流通
する気体流量は、微小オリフィスの径が一定の場合には
気体の種類に拘わらず、オリフィス上流側の気体圧力Ｐ
₁に正比例して変化することを見出した。

【０００８】即ち、微小オリフィスを流通する気体流量
Ｑｃはオリフィス上流側の圧力Ｐ₁に正比例することに
なり、オリフィス上流側圧力Ｐ₁を自動制御することに
より、オリフィスを流通する流量のフィードバック制御
を行なうことができる。また、オリフィスを流通する気
体流量は、オリフィス上流側の流速分布やオリフィス下
流側の圧力変動の影響を受けないため、オリフィス上流
側に直管路を必要とせず、装置の大幅な小形化が計れて
流量制御装置の製造コストの引下げが可能となる。更
に、流量と圧力の関係が一次関数となるため、圧力検出
器のレンジと流量のレンジとが同一となり、従前の差圧
式流量形の場合に比較して測定精度が著しく向上するこ
とになる。

【０００９】ところで、従来から、ディスクタッチ型の
流量制御弁等の製作に於いても、気体圧力比Ｐ₂／Ｐ₁
が一定値以下の場合のバルブを通過する気体流量Ｑｃ
を、Ｑｃ＝ＫＳＰ₁（但し、Ｓは最小流路面積、Ｐ₁は
一次側圧力、Ｋは常数）として演算することが経験的に
行なわれている。しかし、当該流量制御弁に於ける実際
の気体流量Ｑは、Ｑｃ＝ＫＳＰ₁で演算した流量の±２
０％位いの値となり、前記Ｑｃ＝ＫＳＰ₁の関係を気体
流量の精密な測定に応用することは困難な状態にある。

【００１０】本願発明は、上述の如き本願発明者等の知
見に基づいて創作されたものであり、オリフィスの上流
側絶対圧力Ｐ₁を下流側絶対圧力Ｐ₂の約１．４倍以上
に保持した状態で流体の流量制御を行なう圧力式流量制
御装置に於いて、オリフィス５と，オリフィス５の上流
側に設けたコントロール弁２と，オリフィス５の下流側
に設けたオリフィス対応弁９と，コントール弁２とオリ
フィス５間に設けた一次圧力検出器３と，オリフィス５
の下流側に設けた二次圧力検出器１１と，一次圧力検出
器３の検出圧力Ｐ₁から流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ₁（但し
Ｋは定数）として演算すると共に、流量指令信号Ｑｓと
前記演算した流量信号Ｑｃとの差を制御信号Ｑｙとして
前記コントロール弁２の駆動部１４へ出力する流量演算
装置６と，一次圧力検出器３の検出圧力Ｐ₁と二次圧力
検出器１１の検出圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁を演算する
圧力比較演算装置１０とから構成され、前記制御信号Ｑ
ｙによるコントロール弁２の開閉によりオリフィス上流
側圧力Ｐ₁を調節し、オリフィス下流側流量を制御する
ことを発明の基本構成とするものである。

【００１１】

【作用】圧力検出器３によりオリフィス５の上流側の流
体一次圧力Ｐ₁が検出され、演算制御装置６へ入力され
る。演算制御装置６ではＱｃ＝ＫＰ₁の演算式を用いて
流量Ｑｃが演算されると共に、流量指令値ＱｓとＱｃの
比較が行なわれ、両者の差Ｑｃ−Ｑｓに相当する制御信
号Ｑｙがコントロール弁２の駆動部１４へ入力される。
即ち、コントロール弁２は、前記制御信号Ｑｙによって
前記両者の差Ｑｃ−Ｑｓが零になる方向に開閉制御さ
れ、これによってオリフィス下流側の流量Ｑｃが設定流
量（流量指令値）Ｑｓに常時保持される。また、オリフ
ィス５の下流側の流体二次圧力Ｐ₂が上昇してＰ₂／Ｐ
₁の値が設定値Ｐｓ（約０．７）を越えると、当該流量
制御装置による流量制御が解除される。即ち、警報が発
信されると共に、前記制御信号Ｑｙによるコントロール
弁２の自動制御が解除され、操作員が手動操作又は別制
御によってコントロール弁２及び又はオリフィス対応弁
９の開度を調整することにより、手動による流量制御が
行なわれる。更に、流体二次圧力Ｐ₂が上昇してＰ₂／
Ｐ₁の値がほぼ１．０に近づくと、警報が発信されると
共にコントロール弁２及び又はオリフィス対応弁９へ閉
弁信号が発信される。これにより、二次側流体の逆流が
防止される。

【００１２】

【発明の実施の態様】以下、図面に基づいて本発明の実
施例を説明する。図１は本発明に係る流量制御装置のブ
ロック構成図であり、当該流量制御装置１はコントロー
ル弁２、一次圧力検出器３、温度検出器４、オリフィス
５、流量演算装置６、増幅器７ａ・７ｂ、Ａ／Ｄ変換８
ａ・８ｂ、オリフィス対応弁９、圧力比較演算装置１
０、Ａ／Ｄ交換器８ａ′・８ｂ′、増幅器７ａ′・７
ｂ′、二次圧力検出器１１、ガス取出し用継手２７等か
ら形成されている。

【００１３】前記コントロール弁２には、後述する如き
所謂ダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁が使用
されており、また、その駆動部には、圧電素子形駆動装
置が使用されている。尚、コントロール弁２の駆動部と
してはこの他に、磁歪素子形駆動装置やソレノイド型駆
動装置、モータ型駆動装置、空気圧形駆動装置、熱膨張
型駆動装置等の使用が可能である。

【００１４】前記一次圧力検出器３及び二次圧力検出器
１１には半導体歪形圧力センサーが使用されているが、
圧力検出器３・１１としてはこの他に、金属箔歪形圧力
センサーや静電容量形圧力センサー、磁気抵抗形圧力セ
ンサー等の使用も可能である。また、前記温度検出器４
には、熱電対形温度センサーが使用されているが、測温
抵抗形温度センサー等の使用も可能である。

【００１５】前記オリフィス５には、板状の金属薄板製
ガスケットに放電加工によって所謂ラッパ形を呈する孔
部を設けたオリフィスが使用されているが、オリフィス
５としてはこの他に、極細パイプやエッチングにより金
属膜に孔を形成したオリフィスを使用することができ
る。尚、本実施態様に於いては、図２に示すようにオリ
フィス５を断面形状がラッパ吹奏部の形状を呈し、上流
側に対向する最大直径部と中間に位置する最小直径部と
下流側に対向する中間直径部とを備えた構成としてお
り、具体的には厚さ約７ｍｍのステンレス鋼板５ａに、
最小直径部の内径Ｄ₁が約０．２ｍｍ、全孔長Ｂが約
１．２ｍｍ、最小直径部からの孔長Ｌ₁が約１．０ｍ
ｍ、最大直径部の内径Ｄ₂が約０．６ｍｍφ、拡径勾配
φが約３度の小孔を穿設したオリフィス５を使用してい
る。

【００１６】前記流量演算装置６は所謂制御回路基板か
ら形成されており、温度補正回路６ａ、演算回路６ｂ、
比較回路６ｃ、増幅回路６ｄ等が具備されている。ま
た、前記圧力比較演算装置１０も流量演算装置６と同様
に制御回路基板から形成されており、Ｐ₂／Ｐ₁の演算
やこれと設定値Ｐｓとの比較等が行なわれる。尚、上記
流量演算装置６と圧力比較演算装置１０の制御回路基板
は後述する図３に示す如くケース体内に収納される。

【００１７】次に、本発明に係る流量制御装置１の作動
について説明する。図１を参照して、コントロール弁２
の出口側、即ちオリフィス５の上流側の気体圧力Ｐ₁が
圧力検出器３によって検出され、増幅器７ａ及びＡ／Ｄ
変換器８ａを経て、ディジタル化された信号が演算回路
６ｂへ入力される。同様に、オリフィス上流側の気体温
度Ｔ₁が温度検出器４で検出され、増幅器７ｂ及びＡ／
Ｄ変換器８ｂを経てディジタル化された信号が温度補正
回路６ａへ入力される。

【００１８】前記流量演算回路６では、圧力信号Ｐ₁を
用いて流量Ｑ′＝ＫＰ₁が演算されると共に、前記温度
補正回路６ａからの補正信号を用いて前記流量Ｑ′の温
度補正が行なわれ、演算流量信号Ｑｃが比較回路６ｃへ
入力される。また、比較回路６ｃへは流量指令信号Ｑｓ
が入力されており、ここで前記演算流量信号Ｑｃとの比
較が行なわれると共に、両者の差信号Ｑｙ＝Ｑｃ−Ｑｓ
が、制御信号としてコントロール弁２の駆動部１４へ出
力される。即ち、演算流量信号Ｑｃが流量指令信号Ｑｓ
より大きい場合には、コントロール弁２を閉鎖する方向
に、また、前記ＱｃがＱｓより小さい場合にはコントロ
ール弁２を開放する方向に弁駆動部１４が作動され、Ｑ
ｃ＝Ｑｓとなるようにコントロール弁２の開度が自動制
御される。

【００１９】一方、前記オリフィス５の上流側の気体圧
力Ｐ₁と下流側の圧力Ｐ₂との間に、Ｐ₂／Ｐ₁が約
０．７より小さいこと、即ちオリフィス５の上流側絶対
圧力Ｐ ₁が下流側絶対圧力Ｐ₂の約１．４倍より大きい
と云う条件が、常に成立していなければならない。その
ため、図１に示す如く、オリフィス５の上流側気体圧力
Ｐ₁と下流側気体圧力Ｐ₂とが圧力比較演算装置１０へ
入力されており、設定値Ｐｓ（約０．７）を選定するこ
とにより、Ｐ₂／Ｐ₁＞０．７の状態になった場合（即
ち、逆流は生じないものの高精度な流量制御ができなく
なった場合）には、警報信号ＡＬ₁が発信されると共
に、当該警報信号ＡＬ₁によって流量演算回路６からコ
ントロール弁２へ加えられている制御信号Ｑｙが遮断さ
れる。その結果、コントロール弁２及びオリフィス対応
弁９は夫々手動制御の状態に切替えられたことになり、
操作員が手動操作によって流量制御を行ないつつ、流体
の供給を行なうことになる。尚、手動操作によらず、他
の系統からの操作信号によって遠隔自動制御をするよう
にしてもよいことは勿論である。

【００２０】また、圧力Ｐ₂と圧力Ｐ₁の比Ｐ₂／Ｐ₁
がほぼ１．０に近づいて逆流を生ずる状態になった場合
には、警報信号ＡＬ₂が発信されると共にオリフィス対
応弁９及び又はコントロール弁２が自動的に閉鎖され
る。

【００２１】図３及び図４は、本発明の第１実施態様に
係る装置の流量演算制御装置６及び圧力比較演算装置１
０を除いた部分の一例を示す縦断面図と横断面図であ
り、また、図５及び図６は圧電素子型駆動部の縦断面図
と横断面図である。尚、図３乃至図５に於いて、２はコ
ントロール弁、３は一次圧力検出器、５はオリフィス、
９はオリフィス対応弁、２７はガス取出し用継手、１１
は二次圧力検出器、１２は弁本体、１３はダイヤフラ
ム、１４は駆動部である。

【００２２】前記コントロール弁２は、流体入口１２
ａ、弁座１２ｂ、弁室１２ｃ、圧力検出器取付孔１２
ｄ、流体出口１２ｅ等を備えたステンレス鋼製の弁本体
１２と、ステンレス鋼やニッケル、コバルト合金製のダ
イヤフラム１３と、ダイヤフラム１３を下方へ押圧する
圧電素子型駆動部１４等から形成されている。また、前
記ダイヤフラム１３は皿バネ１５の弾性によって常時下
方へ押圧されており、弁座１２ｂへ接当した状態となっ
ている。更に、圧電素子１４ａへの入力によりこれが伸
長すると、圧電素子支持材１９を介してダイヤフラム押
え１６が上方へ引き上げられる。その結果、ダイヤフラ
ム１３が上方へ弾性復帰し、弁座１２ｂから離間するこ
とにより、弁が開状態となる。

【００２３】尚、本実施態様では図５に示すように変位
量１６μｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１８ｍｍのピエゾ素
子ユニット１４ａを３個直列状に組み合せることによ
り、圧電素子駆動部１４を形成しており、図５及び図６
に於いて、１６はダイヤフラム押え、１７はベース体、
１８はボール、１９は圧電素子支持材（スーパーインバ
ー材）、２０はストローク調整ねじである。また、前記
圧電素子支持材１９の熱膨張率は圧電素子（ピエゾ素
子）の熱膨張率にほぼ近いスーパーインバー材等により
形成されている。

【００２４】図７は一次圧力検出器３の取付部の詳細を
示すものであり、本実施例では弁本体１２の下面側に設
けた取付孔１２ｄ内へ半導体歪ゲージから成る一次圧力
検出器３が、押えナット２１によりメタルＯリング２２
を介して気密状に取付けされている。尚、図７に於い
て、２３はスリーブ、２４はベアリングであり、また前
記メタルＯリング２２に代えてメタルＣリングやメタル
ガスケットを用いることができる。

【００２５】また、別図として記載されてはいないが、
二次圧力検出器１１には一次圧力検出器３と同種のもの
が使用されており、図３に示す如くオリフィス対応弁９
の弁本体９ａに設けた取付孔内へ、一次圧力検出器３と
同様の機構によって取付け固定されている。

【００２６】更に、本実施態様では、前記圧力一次圧力
検出器３の検出器取付孔１２ｄを弁本体１２の弁室１２
ｃより僅かに下流側寄りの底面に形成するようにしてい
るが、図８に示す如く弁本体１２の下面側に弁室１２ｃ
と対向状に取付孔１２ｄを穿設するようにしてもよい。

【００２７】前記オリフィス５は図３に示す如く、前記
一次圧力検出器３より下流側に設けられており、本実施
例では、メタルダイヤフラム型のオリフィス対応弁９の
弁本体９ａに形成した流体入口９ｂ内に配設され、取付
ねじ２５を締込むことによりベアリング２４ａを介して
固定されている。尚、図３及び図４に於いて、９ｃはオ
リフィス対応弁９の流体出口である。

【００２８】図９は、オリフィス５の取付位置をコント
ロール弁２の弁本体１２側に設けた例を示すものであ
り、取付構造そのものは、前記オリフィス対応弁９の弁
本体９ａ側に設けるようにした図３の場合と、全く同一
である。

【００２９】図１０はオリフィス５の更に他の取付例を
示すものであり、オリフィス５そのものを交換自在に取
付けしたものである。即ち、弁本体１２のオリフィス取
付孔１２ｆ内にリング状の当り面を形成すると共に、オ
リフィス挿入孔１２ｇを流体通路と垂直方向に形成し、
プレート状のオリフィス５を挿入孔１２ｇを通して上方
より取付孔１２ｆ内へ挿入すると共に、締付押え体２６
を締込むことにより、ベアリング２４ｂを介してオリフ
ィス５を固定するように形成されている。また、流量範
囲に応じてオリフィス５を取り替える場合には、前記押
え体２６をゆるめ、オリフィス５を差し替えたあと、再
度押え体２６を締込みする。

【００３０】図１１は本発明の他の実施態様を示すもの
であり、図３に示した第１実施態様に於けるコントロー
ル弁２の弁本体１２とオリフィス対応弁９の弁本体９ａ
とを一体化してブロック化し、これに各圧力検出器３・
１１の取付孔やオリフィス５の取付孔を形成するように
したものである。即ち、当該圧力式流量制御装置を形成
するコントロール弁２やオリフィス対応弁９等は、全て
ブロック化された一基の本体ブロックＺに夫々設けられ
ており、且つ当該本体ブロックＺは三つのブロック片Ｚ
₁、Ｚ₂、Ｚ₃から組立形成されている。

【００３１】尚、図１１に於いて２７はガス取出し用継
手、２８はガス供給用継手、２９は流動演算装置６及び
圧力比較演算装置１０等を形成する制御基盤、Ｚは本体
ブロック、Ｚ₁〜Ｚ₃はブロック片であり、コントロー
ル弁２やオリフィス対応弁９、一次圧力検出器３、二次
圧力検出器１１等は全て前記第１実施態様に於いて使用
しているものと同一である。また、本実施態様では、コ
ントロール弁２の弁本体やオリフィス対応弁９の弁本体
をブロック化し、これにオリフィス取付孔や圧力検出器
取付孔を夫々一体的に形成する構成としているため、所
謂流量調整装置１の内部に於ける流体通路空間の容積を
大幅に少なくすることができ、ガスの置換性等が向上す
る。

【００３２】図１２及び図１３は、図１４の試験装置に
より測定した本発明に係るオリフィス等を用いた場合の
下流側（二次側）圧力変動による流量特性を示すもので
あり、図１３は図１２の拡大部分図である。即ち、曲線
Ａは図２にした本発明のオリフィスにＮ₂ガスを規定方
向に流した場合の流量、また、曲線Ｂは図２のオリフィ
スにＮ₂ガスを図２とは逆方向に流した場合の流量、図
Ｃはオリフィスを０．２ｍｍφの丸穴とした場合の流量
を夫々示すものであり、上流側（一次側）圧力は２．０
ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇの一定値に保持されている。

【００３３】尚、図１２及び図１３に於ける流量（ｃｃ
／ｍｉｎ）は、０℃・７６０ｍｍＨｇに換算した値であ
る。また、図１４に於いてＧＮ₂は窒素ガス源、ＲＧは
減圧弁、Ｐ_Aはアナログ出力付き圧力計、Ｐ_Bは精密圧
力計、Ｖ_Aは下流側圧力調整器、５はオリフィス、Ｓは
石鹸膜流量計である。

【００３４】図１２及び図１３の曲線Ａからも明らかな
ように、本発明に係るオリフィス５（図２に示したオリ
フィス）に於いてガスを規定方向に流した場合には、Ｐ
₂／Ｐ₁が約０．７未満（即ちＰ₁／Ｐ₂が約１．４以
上）の範囲に於いて、二次側ガス流量は二次側圧力Ｐ₂
の変動に拘わらず常に一定値となることが判る。

【００３５】図１５及び図１６は本発明に係る圧力式流
量制御装置の気体を窒素ガスとした場合の流量制御特性
を示すものであり、図１５はオリフィスの下流側を約１
０ｔｏｒｒの真空とした場合、また、図１６はオリフィ
スの下流側を大気圧とした場合を夫々示すものである。
図１５及び図１６からも明らかなように、上流側圧力Ｐ
₁と下流側圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁が約０．７以下の
範囲に於いては、流量ＱｃとＰ₁とはリニアな関係に保
持されている。尚、図１５及び図１６に於いて曲線Ａ、
Ｂ、Ｃは夫々丸穴のオリフィス内径を０．３７ｍｍφ、
０．２０ｍｍφ、０．０７ｍｍφとした場合を示すもの
である。

【００３６】表１は、本発明に係る圧力式流量制御装置
と従前の差圧式流量制御装置の精度等を、圧力検出器の
測定範囲と精度を同一と仮定して比較したものである。

【００３７】

【表１】この表からも明らかなように、本件発明は差圧式流量制
御装置に比較して、流量測定精度や測定可能範囲の点で
優れていると共に、装置をより小形化できることが判
る。

【００３８】また、表２は、従前の標準的なマスフロー
コントローラと本願発明の特性等を比較したものであ
る。この表からも明らかなように、本願発明は低流量域
に於ける測定精度及び製造コスト等の点で、マスフロー
コントローラに優るものであることが判る。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【発明の効果】本発明では上述の通り、オリフィスの上
流側絶対圧力Ｐ₁とオリフィスの下流側絶対圧力Ｐ₂と
の比Ｐ₂／Ｐ₁を約０．７以下に保持することにより、
前記圧力Ｐ₁とオリフィス下流側流量との間に一次函数
関係を成立させ、これに基づいて前記上流側圧力Ｐ₁を
調整することにより、下流側流量Ｑｃを設定値に自動制
御する構成としている。その結果、従前のマスフロー
コントローラに比較して、低流量域に於ける測定精度を
高めることができると共に、故障も少なくすることがで
き、しかも、製造コストの大幅な引下げを図り得る等の
優れた効用が得られる。

【００４１】また、本願発明では、従前の差圧式流量制
御装置に比較してより高い流量検出精度が得られると共
に、装置の小形化並びに製造コストの引下げを図ること
ができる。

【００４２】更に、本発明では、オリフィス上流側の圧
力Ｐ₁を制御することにより、オリフィス下流側流量を
圧力Ｐ₁の一次関数の型で得る構成としているため、所
謂流量のフィードバック制御が容易となり、制御装置の
安定性の向上や製造コストの引下げが可能となる。

【００４３】加えて、本発明では、圧力比較演算装置を
設けると共にオリフィス下流側圧力Ｐ₂を測定し、前記
Ｐ₂とＰ₁の比Ｐ₂／Ｐ₁が所定の設定値を越えるとオ
リフィス対応弁及び又はコントロール弁を手動操作に切
替え、手動による流量調整によりガス供給を行なうと共
に、Ｐ₂／Ｐ₁がほぼ１．０に近づいて逆流を生じる危
険状態になると、オリフィス対応弁を自動的に閉鎖する
構成としている。その結果、流量制御装置は、オリフィ
ス一次側圧力Ｐ₁と二次側圧力Ｐ₂とが所定の圧力関係
下にある場合には自動操作により作動することになり、
より高精度な流量制御が可能となる。また、手動操作に
よってもガス供給が行なえるため、流量制御装置の作動
範囲が拡大されると共に、ガスの逆流を自動的に防止す
ることができ、設備の安全性がより高められることにな
る。

【００４４】一方、半導体製造用等の特殊材料ガスの中
には、配管材料の触媒作用により比較的低温でも容易に
分解するものがある。従って、配管材料の内面には、触
媒作用を防止するための処理（例えば酸化クロム不働態
処理やフッ化不働態処理等を施す必要があるが、本発明
に係る流量制御装置に於いては、内部構造がシンプルで
あり、内面の全面に上記処理等を簡単に施すことができ
るため、実用上極めて有利である。

【００４５】また、本発明に係る圧力式流量制御装置で
は、ブロック本体にコントロール弁やオリフィス対応
弁、圧力検出器、オリフィス等を夫々一体的に取付け形
成する構成としているため、流量調整装置の流体通路空
間の容積を大幅に少なくすることができるうえ、流体通
路内に流体の滞留部が形成されることも殆んど無い。そ
の結果、ガスの所謂置換性が大幅に向上すると共に、目
詰まり等による故障やガス純度の低下がほぼ皆無とな
る。本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力式流量制御装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２】オリフィスの一例を示す縦断面図である。

【図３】圧力式流量制御装置の縦断面図である。

【図４】圧力式流量制御装置の横断面図である。

【図５】コントロール弁の圧電素子形駆動部の縦断面図
である。

【図６】図５のイ−イ視断面図である。

【図７】圧力式流量制御装置の圧力検出器の取付部を示
す部分縦断面図である。

【図８】圧力式流量制御装置の他の実施例を示す縦断面
図である。

【図９】オリフィスをコントロール弁の弁本体に設けた
場合の他の例を示す部分縦断面図である。

【図１０】オリフィスをコントロール弁の弁本体に設け
た場合の更に他の例を示す部分縦断面図である。

【図１１】本発明の他の実施態様に係る圧力式流量制御
装置の断面概要図である。

【図１２】本発明に係るオリフィスを用いた場合の下流
側圧力と流量の関係を示す特性図である（上流側圧力一
定の場合）。

【図１３】図１２の部分拡大図である。

【図１４】図１２及び図１３の特性試験装置の概要説明
図である。

【図１５】本発明に係る圧力式流量制御装置の流量制御
特性を示すものである（オリフィスの下流側圧力が真空
の場合）。

【図１６】本発明に係る圧力式流量制御装置の流量制御
特性を示すものである（オリフィスの下流側圧力が大気
圧の場合）。

【図１７】従前の差圧式流量制御装置のブロック線図で
ある。

【符号の説明】

１は流量制御装置、２はコントロール弁、３は一次圧力
検出器、４は温度検出器、５はオリフィス、６は流量演
算装置、７ａ・７ｂ、７ａ′・７ｂ′は増幅器、８ａ・
８ｂ、８ａ′・８ｂ′はＡ／Ｄ変換器、９はオリフィス
対応弁、９ａは弁本体、９ｂは流体入口、９ｃは流体出
口、１０は圧力比較演算装置、１１は二次圧力検出器、
１２は弁本体、１２ａは流体入口、１２ｂは弁座、１２
ｃは弁室、１２ｄは圧力検出器取付孔、１２ｅは流体出
口、１２ｆはオリフィス取付孔、１２ｇはオリフィス挿
入孔、１３はダイヤフラム、１４は駆動部、１４ａは圧
電素子、１５は皿バネ、１６はダイヤフラム押え、１７
はベース本体、１８はボール、１９は圧電素子支持材、
２０はストローク調整ねじ、２１は押えナット、２２は
メタルＯリング、２３はスリーブ、２４ａ・２４ｂはベ
アリング、２５は取付ねじ、２６は締付押え体、２７は
ガス取出し用継手。２８はガス供給用継手、２９は制御
基板、Ｚは本体ブロック、Ｚ₁・Ｚ₂・Ｚ₃はブロック
片。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西野功二大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者池田信一大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者森本明弘大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者皆見幸男大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者川田幸司大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者土肥亮介大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内 (72)発明者福田浩幸大阪府大阪市西区立売堀２丁目３番２号株式会社フジキン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オリフィスの上流側絶対圧力Ｐ₁と下流
側絶対圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁を約０．７以下に保持
した状態で流体の流量制御を行なう圧力式流量制御装置
に於いて、オリフィス（５）と，オリフィス（５）の上
流側に設けたコントロール弁（２）と，オリフィス５の
下流側に設けたオリフィス対応弁（９）と、コントロー
ル弁（２）とオリフィス（５）間に設けた一次圧力検出
器（３）と，オリフィス（５）の下流側に設けた二次圧
力検出器（１１）と、一次圧力検出器（３）の検出圧力
Ｐ₁から流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ₁（但しＫは定数）とし
て演算すると共に、流量指令信号Ｑｓと前記演算した流
量信号Ｑｃとの差を制御信号Ｑｙとして前記コントロー
ル弁（２）の駆動部（１４）へ出力する流量演算装置
（６）と，一次圧力検出器（３）の検出圧力Ｐ₁と二次
圧力検出器（１１）の検出圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁を
演算する圧力比較演算装置（１０）とから構成され、前
記制御信号Ｑｙによるコントロール弁（２）の開閉によ
りオリフィス上流側圧力Ｐ₁を調節し、オリフィス下流
側流量を制御することを特徴とする圧力式流量制御装
置。
【請求項２】圧力比較演算装置（１０）に、一次圧力
検出器（３）の検出圧力Ｐ₁と二次圧力検出器（１１）
の検出圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁が約０．７を越えると
警報を発信する警報発信機構を設け、該警報の発信によ
りコントロール弁（２）及び又はオリフィス対応弁
（９）を手動制御又は別制御に切換える構成とした請求
項１に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項３】圧力比較演算装置（１０）に、一次圧力
検出器（３）の検出圧力Ｐ₁と二次圧力検出器（１１）
の検出圧力Ｐ₂の比Ｐ₂／Ｐ₁がほぼ１．０になると警
報を発信する警報発信機構を設け、コントロール弁
（２）及び又はオリフィス対応弁（９）へ閉弁信号を発
信する構成とした請求項１に記載の圧力式流量制御装
置。
【請求項４】オリフィス（５）を、断面形状がラッパ
吹奏部の形状を呈し、上流側に対向する最大直径部と中
間に位置する最小直径部と下流側に対向する中間直径部
とを備えた構成とした請求項１に記載の圧力式流量制御
装置。
【請求項５】オリフィス（５）を交換自在に取付けす
る構成とした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項６】コントロール弁（５）の弁本体（１２）
とオリフィス対応弁（９）の弁本体（９ａ）を一体化し
てブロック化すると共に、当該ブロック化した弁本体に
一次圧力検出器の取付孔、二次圧力検出器の取付孔及び
オリフィスの取付孔を夫々形成するようにした請求項１
に記載の圧力式流量制御装置。