JPWO2007138941A1 - サーマル式質量流量計及びサーマル式質量流量制御装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、全体構造簡単かつ小型、安価に構成し得るものでありながら、本体ブロックをどのような姿勢に設置して用いる場合でも、サーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を低減して流量測定精度の向上を図れるようにしたサーマル式質量流量計及びサーマル式質量流量制御装置を提供するものである。この発明は、本体ブロック内部の流体流路及び流量測定用導管内を大気圧以下の圧力に引いたときの測定値とその導管に実流体を封入したときの測定値との差及び実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに流体流路と流量測定用導管との流量比から補正値を算出し記憶し、この補正値で実測出力値を補正することにより、サーマルサイフォン現象による測定誤差をキャンセルするように動作する補正演算処理用ＣＰＵを具備している。

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスや液晶製造プロセス等の各種製造プロセスに送給される反応性ガスやキャリアガス等の流体の流量を測定するために用いられるサーマル式質量流量計（以下、「ＭＦＭ」と称する。）及びサーマル式質量流量制御装置（以下、「ＭＦＣ」と称する。）に関する。

この種のＭＦＭ及びＭＦＣにおいて、サーマル式質量流量センサ部における流量測定用導管のセンサ配設部分が水平となっている限りは、一対のサーマル式センサ間に上下の位置関係が生じないために、サーマルサイフォン現象が発生せず、そのサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差（指示誤差）を生じることはない。

しかし、配管系統の構成上の関係やＭＦＭやＭＦＣの設置スペースの関係等から本体ブロックをその内部の流体流路が垂直部分を有するような縦向き姿勢に設置して用いなければならないケースが多々ある。このような縦向き姿勢あるいは傾斜姿勢での設置使用時には、サーマル式質量流量センサ部における流量測定用導管の一対のセンが上下位置関係となるため、サーマルサイフォン現象が発生し、その影響で流量の測定結果に誤差を生じることになる。

このようなサーマルサイフォン現象に起因する測定誤差を低減する目的で開発されたＭＦＭとして、従来、本体ブロックとサーマル式質量流量センサ部との間に、流体の流れる流路を９０°変換する流路変換ブロックを介在させるとともに、本体ブロック内部の流体流路に対してサーマル式質量流量センサ部における流量測定用導管を直交配置させることにより、本体ブロックを縦向き姿勢に設置した場合でも、一対のセンサが同一水平面内に位置するように構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

実用新案登録第２５８９３１８号公報

上記したような従来のＭＦＭの場合は、本体ブロックの設置姿勢にかかわらず、流量センサ部における流量測定用導管のセンサ配設部分を実質的に水平に保ってサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差の発生をなくする、あるいは、極力低減することが可能であるものの、流量センサ部における流量測定用導管が本体ブロックに対して直交配置されて該センサ部が本体ブロックの横側方へはみ出した形態となるために、スペース的な無駄を生じるだけでなく、流路変換ブロックが介在するために、センサ部を含め計器全体が嵩高くて大型化しやすく、その結果、設置場所が制約されるという問題がある。さらに、流体の流れ方向を９０°変換しただけでは、未だ本体ブロックの設置姿勢によっては、流量測定用導管のセンサ配設部分が垂直あるいは傾斜するケースがあり、したがって、どのような設置姿勢を採った場合でも、サーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を完全に低減可能であるとは言えないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、流路変換ブロックを用いたりすることなく、全体を構造簡単かつ小型、安価に構成し得るものでありながら、サーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を低減して流量測定精度の向上を図ることができるＭＦＭ及び所望の流体制御を高精度かつ安定的に行うことができるＭＦＣを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るＭＦＭは、内部に流体流路を有する本体ブロックに、前記流体流路と並列的に接続されるとともに一対のサーマル式センサを設けた流量測定用導管を備えたサーマル式質量流量センサ部を付設してなるＭＦＭにおいて、
前記流体流路及び流量測定用導管内を少なくとも大気圧以下の圧力に引いたときの測定値、その値と前記流体流路及び流量測定用導管内に実流体を封入したときの測定値との差、その実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに前記流体流路と前記流量測定用導管に流れる流体の流量比に基づいて流量値を算出する補正値演算手段と、この補正値演算手段で算出された補正値を記憶する記憶手段と、前記実流体を前記流体流路及び流量測定用導管に流動させたときの実測出力値を前記記憶手段から読み出された補正値で補正する出力補正手段とを具備していることを特徴としている。

また、本発明に係るＭＦＣは、内部に流体流路を有する本体ブロックに、前記流体流路と並列的に接続されるとともに一対のサーマル式センサを設けた流量測定用導管を備えたサーマル式質量流量センサ部を付設し、前記流体流路の上流側または下流側に、流体流量または圧力を制御するための流体制御部を設けてなるＭＦＣにおいて、
前記流体流路及び流量測定用導管内を少なくとも大気圧以下の圧力に引いたときの測定値、その値と前記流体流路及び流量測定用導管内に実流体を封入したときの測定値との差、その実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに前記流体流路と前記流量測定用導管に流れる流体の流量比に基づいて補正値を算出する補正値演算手段と、この補正値演算手段で算出された補正値を記憶する記憶手段と、この記憶手段から読み出された補正値と設定流量値と前記実流体を前記流体流路及び流量測定用導管流体流路及び流量測定用導管に流動させたときの実測出力値に基づいて前記流体制御部を制御する手段とを具備していることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、実流体を流動させてその質量流量を実測する前に、流体流路及び流量測定用導管内を少なくとも大気圧以下に引いた状態での測定→前記流量測定用導管への実流体封入による測定→前者の測定値、それら両測定値の差、実流体の種類、実流体封入時の圧力及び流体流路と流量測定用導管との流量比に基づく流量補正値の算出→その補正値の記憶といった手順の電気的な事前処理を行い、この事前処理で算出され記憶された流量補正値をも考慮した演算処理を行うことによって、本体ブロックを縦向きや傾斜向き姿勢など横向き姿勢以外で設置使用する際に発生不可避なサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差や流体制御誤差を無くする、あるいは、低減することができる。したがって、上述した従来技術のように、流体の流れ方向を９０°変換するために流路変換ブロックを使用することなく、全体を構造簡単かつ小型安価に構成することができ、また、設置スペースも小さくて済むものでありながら、どのような設置姿勢での使用時にも所定の質量流量を精度よく測定することができるという効果を奏し、また、所望の流体制御を高精度かつ安定的に行うことができるという効果を奏する。

本発明に係るＭＦＣ全体の縦断面図である。 図１のＡ部における拡大断面図である。 実流量補正演算処理動作を説明するフローチャートである。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明による誤差演算処理動作を実行した場合の流量測定データを示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は誤差演算処理動作を実行しない場合の流量測定データを示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はオートゼロ処理を実行した場合の流量測定データを示す図である。 設定流量補正演算処理動作を説明するフローチャートである。 本発明に係るＭＦＭ全体の縦断面図である。

符号の説明

１ 本体ブロック
１Ａ 本体ブロックの外面
４ 流体流路
５ サーマル式質量流量センサ部
６ 流体制御部
１１ 流量測定用導管
１２，１３ 一対の自己発熱型のセンサコイル（サーマル式センサ）
２０ ＭＦＣ
２２ 補正値演算手段
２３ ＲＡＭ（記憶手段）
２４ 出力補正手段
３０ ＭＦＭ

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るＭＦＣ２０全体の縦断面図であり、同図において、１は本体ブロックで、この本体ブロック１の両端には流体入口用の接続部材２と流体出口用の接続部材３が取り付けられ、これら接続部材２，３間の本体ブロック１の内部中心部には流体流路４が形成され、前記本体ブロック１の外面１Ａで前記流体流路４の一側寄り位置には、サーマル式質量流量センサ部５が付設されているとともに、このサーマル式質量流量センサ部５の下流側で前記流体流路４の他側寄り位置には、ガス流量または圧力を制御するための流体制御部６が付設されている。

前記本体ブロック１内部の流体流路４には、定分流比特性を有するバイパス部７が設けられており、その上流側及び下流側には、一端側が流体流路４の上流側に連通し、他端側が本体ブロック１の外面１Ａに開口し、流体流路４と下流側で接続する流路８，９が形成されている。

前記サーマル式質量流量センサ部５は、結合分離が可能なように互いに対称形状を有する２つのブロック体よりなるセンサケース１０内に、例えば細管よりなる略Ｕ字形状の流量測定用導管１１が設けられている。この導管１１は、水平面に沿った中央部分１１ａとその両側から下方へ折り曲げられて互いに平行に位置する垂直部分１１ｂ，１１ｂとからなり、それら両垂直部分１１ｂ，１１ｂの下端を前記流路８，９の上端開口に対応させてセンサケース１０を本体ブロック１の外面１Ａに固定することにより、導管１１が本体ブロック１の流体流路４に並列的に接続されている。そして、前記流量測定用導管１１の中央部分１１ａには、図２に明示するように、上流側及び下流側の一対のサーマル式センサとして自己発熱型のセンサコイル１２，１３が互いに絶縁された状態で巻設されている。なお、一対のセンサコイル１２，１３は図示省略したブリッジ回路に接続されている。

また、前記流体制御部６は、前記バイパス部７よりも下流側の流体流路４部分にオリフィス１４を備えたオリフィスブロック１５が設けられているとともに、ダイヤフラム１８を介して前記オリフィス１４を開閉する弁体１６が弁体駆動部となるピエゾスタック１７により保持されるように設けられて構成されている。

上記のような構成のＭＦＣ２０において、本発明は、本体ブロック１をその内部の流体流路４及びサーマル式質量流量センサ部５における略Ｕ字形状の流量測定用導管１１のうち中央部分１１ａが垂直になるような縦向き姿勢あるいは横向きと縦向きの中間の傾斜姿勢に設置して使用する際に発生不可避なサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を無くする、あるいは、低減するために、ＭＦＣ２０に実流体を流動させてその質量流量を実測する前の演算処理を実行し、質量流量を演算するとともに、流量制御信号を出力する制御演算処理部（以下、ＣＰＵと称する）２１が信号線を介してＭＦＣ２０に設けられている。このＣＰＵ２１は、ＭＦＣ２０の各部（サーマル式質量流量センサ部５、ピエゾスタック１７などの弁体駆動部等）と電気的に接続され、それら各部の制御も行うものである。

前記ＣＰＵ２１は、前記縦向き姿勢や傾斜姿勢での設置使用時に発生するサーマルサイフォン現象の影響による補正値を算出する補正値演算手段２２と、その算出された補正値等を記憶する記憶手段（以下、ＲＡＭと称する）２３と、実測時にそのＲＡＭ２３から読み出された補正値で実測出力値（流量センサ出力値）を補正する出力補正手段２４と、それら各手段２２，２３，２４による誤差演算処理プログラムを記憶させている記憶手段（以下、ＲＯＭと称する）２５と、前記出力補正手段２４から出力される補正実測出力値と流量設定値とを比較して前記流体制御部６の弁体１６の開度を算出し弁体駆動部となるピエゾスタック１７に制御信号を出力する弁開度算出手段３０とを具備している。

次に、前記ＣＰＵ２１によって流量の実測前に実行される補正演算及びその補正値による実測流量出力値の補正処理動作について、流体制御部６による流体制御動作も含めて図３に示すフローチャートを参照して順記する。
（１）まず、ＭＦＣ２０の本体ブロック１内部の流体流路４の上流側に接続部材２を介して接続された流体配管２６に介在のバルブ２７を閉弁した状態で流体流路４の下流側に接続部材３を介して接続された流体配管２８を通じてバイパス部７及び流量測定用導管１１内を少なくとも大気圧以下の圧力｛流体流路４（バイパス７）及び流量測定用導管１１内を流体が実質的に流動しない程度にまで減圧排気された状態で、大気圧より低い圧力がより好ましい。｝に真空引きする（ステップＳ１）。
（２）ＣＰＵ２１は、この真空引きしたときの測定値（指示値／流量センサ出力値）をＲＡＭ２３に記憶する。このときの測定値は、本体ブロック１の設置姿勢（縦向き姿勢あるいは傾斜姿勢と水平姿勢）のいかんにかかわらず、水平姿勢でのゼロ点とほぼ等しい（ステップＳ２）。
（３）次に、前記バルブ２７を開弁し、かつ、前記流体配管２８に介在のバルブ２９もしくは前記流体制御部６の弁体１６を閉弁して流量測定用導管１１内に実流体を封入する（ステップＳ３）。
（４）ＣＰＵ２１は、この実流体封入時の測定値と前記大気圧以下の圧力に真空引きしたときの測定値（ゼロ）とを比較して両値の差を求めるとともに、その差と実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに流体流路４／流量測定用導管１１の流量比（これらは既知）から流量補正値を補正値演算手段２２で算出し、この算出した補正値をＲＡＭ２３に格納する（ステップＳ４）。なお、このステップＳ４において、サーマル式質量流量センサ部５のゼロ補正を行ってもよい。
（５）上記のような補正演算処理動作後において、ＣＰＵ２１は、実流体をＭＦＣ２０に流動させたときの実測流量値を、出力補正手段２４において前記ＲＡＭ２３から読み出される補正値で補正して出力する（ステップＳ５）。
（６）そして、ＣＰＵ２１は、前記出力補正手段２４から出力され弁開度算出手段３０に入力される補正された実測流量値とこの弁開度算出手段３０に予入力される設定流量値とを比較して流体制御部６の弁体１６の開度を算出し（ステップＳ６）、それに基づいて弁体駆動部であるピエゾスタック１７に出力して流体制御部６の弁体１６の開度を調節することにより、所望の流体流量に制御する（ステップＳ７）。

ここで、上記ＣＰＵ２１による設定値に対する流量補正値の算出方法について説明すると、次のとおりである。補正値は、ＭＦＣの形態、例えば前記細管の長さや太さなどに依存する。すなわち、前記バルブ２７，２９を開弁して本体ブロック１の流体流路４に差圧が発生すると、この流体流路４及び流量測定用導管１１に一定流量の実流体が流れる。この差圧がかけられたときにおいても、流量測定用導管１１内ではその内部の流体が上下の位置関係にある一対のセンサコイル１２，１３で暖められ密度が低くなり浮力が発生しており、その結果、流量測定用導管１１には差圧と前記浮力の両者によって、差圧による流体流量と異なる流量が発生することになる。

そして、ＭＦＣ２０の全体を流れるガス流量は、前記流量測定用導管１１のサーマル式質量流量センサ部５による測定流量に、流体流路４と流量測定用導管１１の流量比を乗算した値で算出されるものである。従って、その実測流量を補正するための前記補正量は、実流体の種類、実流体封入時の圧力だけでなく、流体流路４と流量測定用導管１１の流量比にも依存するものであり、その流量比、具体的には、水平設置使用時におけるＭＦＣ２０全体の流量（流体流路４と流量測定用導管１１を流れる流量）と流量測定用導管１１を流れる流量との比もパラメータとして算出する必要がある。

このように実測流量補正値の算出に、流体流路４と流量測定用導管１１を流れる流量と流量測定用導管１１を流れる流量との比もパラメータに含めることにより、サーマルサイフォン現象による測定誤差を低減するための流量補正に、前記流量比を反映させて、特に微小流量の場合における実測流量補正も精度良く行うことができる。

以上のようにＣＰＵ２１によってステップＳ１〜Ｓ４で説明した電気的な事前の補正演算処理を行い、この補正演算処理で算出され記憶された補正値で実測流量出力値を補正することによって、本体ブロック１を縦向きや傾斜向き姿勢など水平姿勢以外で設置使用する際に発生不可避なサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を無くする、あるいは、低減することが可能である。それゆえに、流体の流れ方向を９０°変換するために流路変換ブロックを使用したりする必要もなく、ＭＦＣ２０全体を構造簡単かつ小型安価に構成することができ、また、設置スペースも小さくて済み、それでいて、どのような設置姿勢での使用時にも所定の質量流量を精度よく制御することができる。

因みに、図４の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、上述した補正演算処理動作を行った後に実ガスとしてＳＦ₆ を用い、これを０．１ＭＰａ，０．２ＭＰａ，０．３ＭＰａなる圧力下で流動させた場合の流量測定データを示し、図５の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、上述した補正演算処理動作を行わないで、上記と同様のガスを同様な圧力下で流動させた場合の流量測定データを示す。また、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、実ガス封入時の測定値をゼロ点と看做してＭＦＣとしてのゼロキャンセルを行う、いわゆる、オートゼロ（Ａｕｔｏ Ｚｅｒｏ）処理のみを実行した場合の流量測定データを示す。図４、５、６では、本体ブロック１を縦向き姿勢で設置したときの流量測定データとサーマルサイフォン現象の影響のない水平姿勢設置時の流量測定データとの差を示す。なお、各測定データは、系列１〜４で示す４系列の測定データである。

これら各流量測定データからも明らかなように、電気的な事前の補正演算処理を行う本発明の場合は、補正演算処理を行わない場合はもとより、オートゼロ処理を行う場合に比べても、水平姿勢設置時との誤差率（％）が非常に小さく、これによって、設置姿勢のいかんにかかわらず、サーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を無くする、あるいは、大幅に低減して所定の流量制御精度の著しい向上が達成可能であることを確認できた。

なお、上記実施の形態では、補正演算処理で算出され記憶された補正値を用いてＭＦＣにおける実測流量値を補正する場合の処理動作について説明したが、前記補正値を用いて流体制御部６の設定流量値を補正することも可能である。この場合の処理動作について図７に示すフローチャートを参照して順記する。
（１）〜（４）の真空引き（ステップＳ１）から流量補正値の算出及びその算出補正値のＲＡＭ２３への格納（ステップＳ４）までの動作は図３と同一である。
（５）上記のような補正演算処理動作後において、ＣＰＵ２１は、流体制御部６に入力される設定流量値を、出力補正手段２４において前記ＲＡＭ２３から読み出される補正値で補正して出力する（ステップＳ５）。
（６）そして、ＣＰＵ２１は、前記出力補正手段２４から出力され弁開度算出手段３０に入力される補正設定流量値と実測流量値（実測出力値）に基づいて流体制御部６の弁体１６の開度を算出し（ステップＳ６）、それに基づいて弁体駆動部であるピエゾスタック１７に出力して弁体１６の開度を調節することにより、流体制御部６の設定流量値を補正制御する（ステップＳ７）。

このような流体制御部６の設定流量値の補正制御時にも、流体流路４と流量測定用導管１１を流れる流量と流量測定用導管１１を流れる流量との比もパラメータに含めることにより、サーマルサイフォン現象による測定誤差を低減するための設定流量補正に、前記流量比を反映させて、特に微小流量の場合における設定流量補正も精度良く行うことができる。

また、上記実施の形態では、ＭＦＣの構成及び動作について説明したが、流体制御部が付設されていない図８に示すような構成のＭＦＭ３０においても上記したと同様な効果、すなわち、本体ブロック１を縦向きや傾斜向き姿勢など横向き姿勢以外で設置使用する際に発生不可避なサーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を無くする、あるいは、低減することが可能で、全体を構造簡単かつ小型安価に、また、設置スペースも小さくて済むものでありながら、どのような設置姿勢での使用時にも所定の質量流量を精度よく測定することができるという効果を奏するものである。

図８に示すＭＦＭ３０においては、ＣＰＵ２１が、前記補正値演算手段２２と、ＲＡＭ２３と、出力補正手段２４と、ＲＯＭ２５と、前記出力補正手段２４から出力される補正実測流量出力値を図示省略した表示部やプリンタ部へ出力する出力手段３１とを具備してなり、その他の構成は図１に示すものと同一であるため、該当する構成要素に同一の符号を付して、それらの詳細な説明は省略する。

また、上記実施の形態では、ＭＦＣまたはＭＦＭに圧力計が付属されていないものについて説明したが、圧力計を内蔵したＭＦＣやＭＦＭで、その圧力計の圧力指示値の補正演算や出力補正に使用してもよい。

さらに、ＭＦＣにおける流体制御部は、流体流路（流量センサ部）の下流側でなくとも、上流側に設けることもできる。

さらにまた、傾斜姿勢での設置使用時には、その設置角度を入力するか、もしくは、角度センサを付設し、そのセンサ信号を入力してもよい。

本発明に係るＭＦＭ及びＭＦＣは、全体構造簡単かつ小型、安価に構成し得るものでありながら、本体ブロックをどのような姿勢に設置して用いる場合でも、サーマルサイフォン現象の影響による測定誤差を低減して流量測定精度の向上を図れるようにしたものであるので、例えば半導体製造プロセスや液晶製造プロセス等の各種製造プロセスに送給される反応性ガスやキャリアガス等の流体の流量を測定するために用いられるＭＦＭ及びＭＦＣに適用することができる。

Claims (2)

1. 内部に流体流路を有する本体ブロックに、前記流体流路と並列的に接続されるとともに一対のサーマル式センサを設けた流量測定用導管を備えたサーマル式質量流量センサ部を付設してなるサーマル式質量流量計において、
   前記流体流路及び流量測定用導管内を少なくとも大気圧以下の圧力に引いたときの測定値、その値と前記流体流路及び流量測定用導管内に実流体を封入したときの測定値との差、その実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに前記流体流路と前記流量測定用導管に流れる流体の流量比に基づいて補正値を算出する補正値演算手段と、この補正値演算手段で算出された補正値を記憶する記憶手段と、前記実流体を前記流体流路及び流量測定用導管に流動させたときの実測出力値を前記記憶手段から読み出された補正値で補正する出力補正手段とを具備していることを特徴とするサーマル式質量流量計。
2. 内部に流体流路を有する本体ブロックに、前記流体流路と並列的に接続されるとともに一対のサーマル式センサを設けた流量測定用導管を備えたサーマル式質量流量センサ部を付設し、前記流体流路の上流側または下流側に、流体流量または圧力を制御するための流体制御部を設けてなるサーマル式質量流量制御装置において、
   前記流体流路及び流量測定用導管内を少なくとも大気圧以下の圧力に引いたときの測定値、その値と前記流体流路及び流量測定用導管内に実流体を封入したときの測定値との差、その実流体の種類、実流体封入時の圧力並びに前記流体流路と前記流量測定用導管に流れる流体の流量比に基づいて補正値を算出する補正値演算手段と、この補正値演算手段で算出された補正値を記憶する記憶手段と、この記憶手段から読み出された補正値と設定流量値と前記実流体を前記流体流路及び流量測定用導管に流動させたときの実測出力値に基づいて前記流体制御部を制御する手段とを具備していることを特徴とするサーマル式質量流量制御装置。

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