JP6234743B2 - 熱式流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、熱式流量センサに関するものである。

従来の熱式流量センサとしては、特許文献１に示すように、流体が流れるメイン流路から分岐し、再度メイン流路に戻るセンサ流路の２箇所に、ヒータ兼温度センサである巻線コイルをそれぞれ巻回しておき、各巻線コイルに一定電流を流したときの温度差あるいは各コイルでの温度差を一定に保ったときの各コイルの消費電力差によって流体流量を算出するようにしたものが知られている。

より具体的に説明すると、メイン流路は、ブロック状をなすボディに貫通させてあり、このボディの２箇所に、該メイン流路に連通する一対のポートが設けてある。
一方、センサ流路は金属細管によって形成されており、この金属細管が専用の矩形状ケーシング内に収容されている。金属細管は、ケーシングの底面に設けた入口と出口に各端を開口させるようにして、内部でコの字型に曲げられて収容されており、そのコの字形の中間部分に前記巻線コイルが巻回されている。
そして、前記ボディにケーシングを取り付けることにより、前記各ポートに金属細管の各端がそれぞれ接続されて、メイン流路から試料流体の一部がセンサ流路である金属細管を通るように構成してある。

このような熱式流量センサにおいて、感度及び出力リニアリティを改善するためには、熱交換率の向上が必要であり、そのためには、巻線コイルの巻幅を大きくすることが有効な手法である。なぜならば、このことによって金属細管内の流体が巻線コイルの巻回領域を通過するための時間が長くなり、結果として熱交換率が向上するからである。

しかしながら、コイルの巻幅を大きくすべく、単純に前記ケーシングを大きくするのは好ましくない。例えば、ケーシングの入口と出口とのピッチを長くすることによって、巻線コイルが巻回される金属細管の中間部分を長くすると、メインボディとの取付態様が変わってしまい、既存のメインボディが使用できなくなる。

特開２００９−３００４０３号公報

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、巻幅を長くして、そのことによる感度・出力リニアリティの改善などを図る一方で、サイズの増大を抑制して、既存の部品をできるだけそのまま用いることができるようにした熱式流量センサを提供することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る熱式流量センサは、メイン流路から分岐し、該メイン流路を流れる流体のうちの所定比率分が流れるようにしたセンサ流路と、該センサ流路に巻きつけた、温度たる巻線コイルとを具備し、該巻線コイルの抵抗値が示す温度に基づいて前記メイン流路を流れる流体の流量を測定するものにおいて、
前記センサ流路の入口及び出口が設けられて、該センサ流路が内部に形成されるようにしたケーシングを具備してなり、該ケーシング内におけるセンサ流路の中間部分に前記巻線コイルが設けられているとともに、該ケーシング内においてセンサ流路の前部分の少なくとも一部が前記入口よりも外側方に位置づけられ、及び／又は、該ケーシング内においてセンサ流路の後部分の少なくとも一部が、前記出口よりも外側方に位置づけられていることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ケーシング内において、センサ流路の前部分及び／又は後部分が、ケーシングの入口及び／又は出口よりも外側方に広がるので、その間の、巻線コイルが設けられる中間部を大きくできる。その結果、巻線コイルの巻幅を長くできるので、上述したように、熱交換率が向上し、感度・出力リニアリティを改善できる。

しかも、ケーシング内においてセンサ流路が外側方に広がってその中間部分の長さを確保しているため、入口及び出口間の距離を広げることなく、従来のケーシングと同一にすることが可能となる。その結果、本発明に係るケーシングを既存のメインボディにそのまま取り付けることができ、設計変更や部品変更を最小限に留めることができる。

感度を向上させるには、巻線コイルの抵抗値を大きくすることによっても可能である。従来は、巻幅が小さく制限されていたために、巻線コイルの抵抗値を上げて感度向上を図るべく、二重巻、三重巻にするといった工夫がなされているが、本発明によれば、巻幅を大きくできるので、巻線コイルが一重巻であっても適正な抵抗値を得ることができ、従来の二重巻のものと同等以上の感度を得られる。

また、巻線コイルを二重巻にするには、二段目の巻線開始位置を人手によって設定せざるを得ず、そのために、スループットが制限されたり、あるいは、巻線状態のバラつきによる器差が生じたりするが、一重巻であれば、巻線コイルについて製造の完全自動化が可能となり、スループットの向上とセンサ特性における器差の減少を図ることができる。

巻線コイルの略全体を粘性が所定以下のポリイミド等の樹脂によってコーティングし、センサ流路の外周に固定するようにすれば、接着剤の点付けによる固定と比べ、巻線コイルがほどけるといった事態を可及的に防止できる。また、樹脂の粘性が低いので、粘性の高い接着剤を用いた場合と比べ、容易に均一量を塗布でき、熱容量のバラつきを抑制してやはりセンサ特性における器差の減少を図ることができる。

このように構成した本発明によれば、センサ流路の前部分及び／又は後部分が、ケーシングの入口及び／又は出口よりも外側方に広がるので、その間の、巻線コイルが設けられる中間部を長くできる。その結果、巻線コイルの巻幅を大きくできるので、上述したように、熱交換率が向上し、感度・出力リニアリティを改善できる。

しかも、ケーシング内においてセンサ流路が外側方に広がることによって中間部の長さを確保しているため、例えば、入口及び出口間の距離を広げることなく、従来のケーシングと同一にすることが可能となる。その結果、本発明に係るケーシングを既存のメインボディにそのまま取り付けることができ、設計変更や部品変更を最小限に留めることができる。

本発明の一実施形態に係る熱式流量センサの模式的外観図。 同実施形態における熱式流量センサの模式的構成図。 同実施形態におけるケーシング本体と、その内部に収容された細管を示す正面図。 同実施形態において、ケーシングを台座及びメインボディに取り付けた上体での内部構造を示す断面図。

以下に、本発明に係る熱式流量センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る熱式流量センサ１００は、その外観の一部を図１に示すように、正確には熱式質量流量センサであって、例えば半導体製造プロセスに用いられる流体である試料ガスＧ（例えばＳＦ_６等の半導体処理用ガス）の流量を測定するためのものである。

具体的に説明すると、この熱式流量センサ１００は、図２に示すように、前記試料ガスＧが流れるメイン流路２と、このメイン流路２から分岐し、その分岐点よりも下流側の合流点においてメイン流路２に戻る分岐流路３Ａの一部に設定されたセンサ流路３と、試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４と、メイン流路２における前記分岐点と合流点との間に設けられた抵抗体としての層流素子５とを具備したものである。層流素子５は、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比が所定の設計値となるようにするものであり、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材から構成されている。この層流素子５としては、複数本の細い管を外管の内部に挿入して形成したものや、多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を用いることができる。
メイン流路２は、図２に示すように、金属製（例えばステンレス製）のメインボディ２００に貫通させて形成したものである。

センサ流路３は、図２〜図４に示すように、金属製（例えばステンレス製）の細管３００により形成されたものであり、メインボディ２００に台座６００を介して取り付けた金属製（例えばステンレス製）のケーシング５００内を通過するように収容されている。

流量検出機構４は、図２に示すように、センサ流路３に分流した流量を検出するためのセンサ部４１と、当該センサ部４１からの出力信号を取得してメイン流路２を流れる試料ガスＧの少なくとも質量流量を算出する流量算出部４２とを備えている。

センサ部４１は、温度の変化に伴って電気抵抗値が増減する発熱抵抗線を、前記細管３００の外周面に巻き付けてなる上流側巻線コイル４１１と下流側巻線コイル４１２とを備えている。かかる上流側巻線コイル４１１及び下流側巻線コイル４１２はヒータと温度センサとを兼ねるものである。

流量算出部４２は、前記上流側巻線コイル４１１及び下流側巻線コイル４１２を構成の一部とする電気回路であり、ブリッジ回路、増幅回路、補正回路等を備えている。この流量算出部４２は、機能的にいえば、試料ガスＧの瞬時流量を上流側巻線コイル４１１及び下流側巻線コイル４１２からの電気信号（電圧値）として検出してセンサ流路３中の流量を算出するとともに、メイン流路２とセンサ流路３との分流比に基づいて、メイン流路２中の試料ガスＧの流量を算出し、その算出流量に応じたセンサ出力信号（流量測定信号）を出力するものである。具体的な流量算出部４２の回路構成は、定温度制御方式のものと定電流制御方式のものとで異なるが、これについては既知であるため、詳細な説明を省略する。

しかしてこの実施形態に係る熱式流量センサ１００は、前記ケーシング５００に特徴を有する。そこで、以下に、ケーシング５００及びその関連部材について詳細に説明する。

ケーシング５００は、図１、図３、図４に示すように、正面が開口する中空のケーシング本体５１と、前記開口を封止する蓋体５２とを貼り合わせて形成した扁平な矩形板状をなすものであり、前記台座６００上に起立させて取り付けてある。
図３は、前記ケーシング本体５１を開口側から視た状態を示している。

このケーシング本体５１の底面には、入口５ａ及び出口５ｂが所定の間隔をあけて形成してあり、この入口５ａ及び出口５ｂを介して前記細管３００がケーシング５００の内部を通るように配置されている。

なお、台座６００には、図４に示すように、その厚み方向に貫通する貫通孔６１が一対設けてあり、入口５ａ及び出口５ｂより外側に延出する細管３００は、この貫通孔６１を通って台座６００の裏面近傍でラッパ状に広がり、貫通孔６１の内周面に溶着させてある。この台座６００は、前記メインボディ２００にボルト止めされるが、このとき、メインボディ２００に設けられた前記分岐流路３Ａの端部開口が、貫通孔６１の裏面開口に合致して、分岐流路３Ａがセンサ流路３、すなわち細管３００に接続される。分岐流路３Ａの端部開口と細管３００の端部開口（貫通孔６１の裏面開口）との間に設けられているのは、漏れ防止のためのＯリングなどのパッキンＳである。

本論に戻ると、ケーシング５００内における前記細管３００を、上流側に相当する前部分３１、下流側に相当する後部分３２、及びその間の中間部分３３の３つに便宜上区分したとき、前部分３１及び後部分３２が、それぞれ前記入口５ａ及び出口５ｂから斜め外側方に延伸した後、鉛直に延び、その後内側に湾曲して中間部分３３に至るように構成してある。前部分３１及び後部分３２の形状は左右対称である。

なお、ここで、入口５ａよりも外側方とは、入口５ａから見て出口５ｂとは逆側のことを言い、出口５ｂよりも外側方とは、出口５ｂから見て入口５ａとは逆側のことを言う。外側方に相当する領域は、具体的には、図３において、入口５ａ及び出口５ｂの外側端をそれぞれ通る仮想線Ｌ１、Ｌ２で挟まれた領域の外側の領域のことであって、この外側領域を細管３００が通った場合、外側方を通ったと定義する。

前記中間部分３３は、入口５ａ及び出口５ｂを結んだ仮想ラインと平行な直管であり、この中間部分３３において左右対称の位置に、前記上流側巻線コイル４１１及び下流側巻線コイル４１２がそれぞれ巻きつけてある。

各巻線コイル４１１、４１２は一重巻きである。また、この実施形態では、巻線コイル４１１、４１２の全体をポリイミド樹脂によってコーティングし、細管３００の外周に固定している。コーティング材としては、断熱性と絶縁性に富むものが好ましく、機械的強度、粘性率、弾性、対化学薬品性等に関する評価も重要である。ポリイミド樹脂は、それに加えて、耐熱性、高温での機械的性質、耐薬品性に優れ、更に膨張係数が小さく、難焼性であるといった優れた点が多いことから、ここでは採用している。その他に、無機系セラミックコーティング材、シリコーンシーリング材、ガラスコーティング材、フッ素樹脂なども使用可能である。
各巻線コイル４１１、４１２から延出するケーブルは、ケーシング５００内に保持されている端子板７１を介して外部に延出する端子７２（図１に示す）に電気的に接続されており、この端子７２から巻線コイル４１１、４１２の電気信号を取り出すようにしてある。なお、図３、図４中の符号は、端子板７１を保持する絶縁板８である。

前記中間部分３３の各端部は、図３、図４に示すように、ケーシング５００の内壁から一体に内方に延伸させたリブ状をなす放熱部材９に熱的に接続させてある。この放熱部材９は、巻線コイル４１１、４１２からの熱が外部に逃げる経路を確保し、試料ガスの温度分布が安定するまでの時間を短くするためのものである。この実施形態では、巻線コイル４１１、４１２の外方端から放熱部材９までの離間距離を従来よりも大きく（１ｍｍ→１．５ｍｍ）に設定している。なお、図中符号９ａは、熱伝導性に富むパテ部材である。
次に、上記構成の熱式流量センサ１００について、その効果を説明する。

まず、ケーシング５００内において、細管３００がケーシング５００の入口５ａ及び出口５ｂよりも外側方に広がるので、巻線コイル４１１、４１２が設けられる中間部分３３を長くできる。その結果、巻線コイル４１１、４１２の巻幅ｔ１を長くできるので、熱交換率が向上し、感度及び出力リニアリティを改善できる。

しかも、ケーシング５００内において細管３００が外側方に広がってその中間部分３３の長さを確保しているため、入口５ａ及び出口５ｂ間の距離ｐ１を従来のケーシングと同一にすることが可能となる。その結果、このケーシング５００を既存のメインボディにそのまま取り付けることができ、設計変更や部品変更を最小限に留めることができる。

ケーシング５００内において、細管３００が入口５ａ及び出口５ｂよりも外側方に広がっているということは、逆に言えば、巻幅ｔ１を担保しつつ、入口５ａ及び出口５ｂの間隔を縮め、入口５ａ及び出口５ｂからケーシング５００の外方端までの距離ｐ２を大きく取れることでもある。この実施形態では、細管３００を収容したケーシング５００を台座６００に接合し、このケーシング付台座６００をメインボディ２００にボルト止めしているが、入口５ａ及び出口５ｂからケーシング５００の外方端までの距離ｐ２が短いと、ボルト止めによる歪が入口５ａ及び出口５ｂに作用し、不測の漏洩が生じ得るところ、このセンサ構成によれば、入口５ａ及び出口５ｂからケーシング５００の外方端までの距離ｐ２を大きく取れるので、前記漏洩の不具合を好適に防止することができる。

また、巻幅ｔ１が従来よりも大きいので、巻線コイル４１１、４１２が一重巻であっても適正な抵抗値を得ることができ、従来の二重巻のものと同等以上の感度を得られる。

さらに、一重巻なので、巻線コイル４１１、４１２について製造の完全自動化が可能となり、スループットの向上とセンサ特性における器差の減少を図ることができる。

加えて、巻線コイル４１１、４１２の全体をポリイミド樹脂によってコーティングし、細管３００の外周に固定しているので、接着剤の点付けによる固定と比べ、巻線コイル４１１、４１２がほどけるといった事態を可及的に防止できるし、ポリイミド樹脂の粘性が低いので、粘性の高い接着剤を用いた場合と比べ、容易に均一量を塗布でき、熱容量のバラつきを抑制してセンサ特性における器差の減少を図ることもできる。

一方、放熱部材９によって、前述したように、応答速度を速めることができるが、放熱部材９が巻線コイル４１１、４１２に近すぎると、熱容量が大きくなり、巻線コイル４１１、４１２での消費電力が大きくなるし、巻線コイル４１１、４１２は試料ガスと熱交換される電力以外にも常に多くの電力を消費していることから、流量に対する出力リニアリティが悪化してしまうことにもなる。

これに対し、本実施形態では、放熱部材９から巻線コイル４１１、４１２までの距離ｔ２を従来より若干大きくすることによって、応答速度は若干遅くなるが、出力リニアリティを改善できるうえ、製造時における前記距離のばらつきも吸収しやすくなって、応答速度における器差を減少させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られない。

細管の前部分及び後部分の形状は、図３、図４に示すものに限られず、その一部が入口及び出口よりも外側にある形状のものであればよい。例えば、曲がりくねったようなものでもかまわない。
前部分のみが入口より外側方にあって後部分は出口よりも内側方にあるもの、あるいは、後部分のみが出口よりも外側方にあって前部分は入口よりも内側方にあるものでもよい。
中間部分とは、少なくとも巻線コイルの巻かれている部分のことであり、その部分を境界にしてそれよりも上流側又は下流側がすぐに前部分又は後部分であってもよいし、前記実施形態のように、巻線コイルの巻かれている部分から所定距離だけ上流側又は下流側までが中間部分であってもよい。

巻線コイルが取り付けられる細管の中間部分は、直管に限らず、湾曲していても良い。また、この中間部分の端部が、入口及び出口よりも外側方にあってもよい。
巻線コイルは、複数重巻でもかまわない。
熱式流量センサの上流側又は下流側に、メイン流路の流量を調整する流量調整弁を設けて、流量制御装置を構成してもかまわない。

その他、本発明は、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・熱式流量センサ
２・・・メイン流路
２００・・・メインボディ
３・・・センサ流路
３００・・・細管
４・・・流量検出機構
４１１・・・上流側巻線コイル
４１２・・・下流側巻線コイル

Claims (3)

1. メイン流路から分岐し、該メイン流路を流れる流体のうちの所定比率分が流れるようにしたセンサ流路と、該センサ流路に巻きつけた温度センサたる巻線コイルとを具備し、該巻線コイルの抵抗値が示す温度に基づいて前記メイン流路を流れる流体の流量を測定するものにおいて、
   前記メイン流路が内部に形成されたメインボディと別体であって、前記センサ流路の入口及び出口が設けられて、該センサ流路が内部に形成されるようにしたケーシングを具備してなり、該ケーシング内におけるセンサ流路の中間部分に前記巻線コイルが設けられているとともに、該ケーシング内においてセンサ流路の前部分の少なくとも一部が前記入口よりも外側方に位置づけられ、及び／又は、該ケーシング内においてセンサ流路の後部分の少なくとも一部が、前記出口よりも外側方に位置づけられていることを特徴とする熱式流量センサ。
2. 前記巻線コイルが一重巻である請求項１記載の熱式流量センサ。
3. 巻線コイルの略全体を、粘性が所定以下のポリイミド等の樹脂によってコーティングし、前記センサ流路の外周に固定している請求項１又は２記載の熱式流量センサ。