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JP3291161B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

圧力式流量制御装置

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JP3291161B2
JP3291161B2 JP14472295A JP14472295A JP3291161B2 JP 3291161 B2 JP3291161 B2 JP 3291161B2 JP 14472295 A JP14472295 A JP 14472295A JP 14472295 A JP14472295 A JP 14472295A JP 3291161 B2 JP3291161 B2 JP 3291161B2
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JP
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flow rate
orifice
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valve
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信一 池田
明弘 森本
幸男 皆見
幸司 川田
亮介 土肥
浩幸 福田
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Fujikin Inc
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】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。
【0003】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は、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。
【0004】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12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。
【0005】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3
1、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。
【0006】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、圧力検出器を2基必要とするため、製造コ
ストの引下げを計り難いこと等の問題が残されている。
【0007】
【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、及び装置の小型化や製造コストの低減が困
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、一基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。
【0008】
【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)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。
【0009】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。
【0010】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 が気体の臨界圧力比以下の場
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P 1 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 が気体の臨界圧力比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P1 に正比例して変化することを見出し
た。
【0011】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。
【0012】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ると共に、圧
力検出器も1基でよく、流量制御装置の製造コストの引
下げが可能となる。
【0013】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。
【0014】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
が臨界圧力比以下の場合のバルブを通過する気体流量Q
c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。
【0015】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±20%
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。
【0016】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
側圧力P1 を下流側圧力P2 の約2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、金属薄板に微小な孔を穿設して形成され、上流側と
下流側の気体の圧力比が前記約2倍以上で且つ前記孔の
径が一定の場合には、気体の種類に拘わらず前記孔を通
過する気体の流量が上流側圧力P 1 に正比例する流量特
性を具備したオリフィス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,コントロール弁2とオリフ
ィス5間に設けた圧力検出器3と,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へ出力する演算制御装置6とか
ら構成され、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 を調整し、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。
【0017】
【作用】圧力検出器3によりオリフィス5の上流側の流
体圧力P1 が検出され、演算制御装置6へ入力される。
【0018】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。
【0019】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Q
cが設定流量(流量指令値)Qsに常時保持される。
【0020】
【実施例】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、圧
力検出器3、温度検出器4、オリフィス5、演算制御装
置6、増幅器7a・7b、A/D変換8a・8b、オリ
フィス対応弁9、ガス取出し用継手11等から形成され
ている。
【0021】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。
【0022】前記圧力検出器3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。
【0023】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。
【0024】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。
【0025】前記演算制御装置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、流量演算回路6
b、比較回路6c、増幅回路6d等が具備されている。
【0026】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。
【0027】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流量演算回路6
bへ入力される。
【0028】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6
aへ入力される。
【0029】前記演算制御回路6では、圧力信号P1
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。
【0030】一方、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。
【0031】即ち、演算流量信号Qcが流量指令信号Q
s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、
Qc=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。
【0032】尚、本発明に於いては、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、
2 /P1 が約0.5より小さいこと、即ちオリフィス
5の上流側圧力P1 が下流側圧力P2 の約2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こと
は勿論である。
【0033】そのため、図1の点線で示す如く、オリフ
ィス5の上流側気体圧力P1 と下流側気体圧力P2 とを
反転増幅器10へ入力し、圧力P1 と圧力P2 の大きさ
が逆転したような場合(即ち、逆流を生じる状態になっ
た場合)や、或いはP2 /P 1 >0.5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、コントロール弁2を自動的
に閉鎖するようにしてもよい。
【0034】図2及び図3は、本発明に係る装置の演算
制御装置6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4及び図5は圧電素子型駆動部の縦
断面図と横断面図である。尚、図2乃至図4に於いて、
2はコントロール弁、3は圧力検出器、5はオリフィ
ス、9はオリフィス対応弁、11はガス取出し用継手、
12は弁本体、13はダイヤフラム、14は駆動部であ
る。
【0035】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
c、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。
【0036】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2bへ
接当した状態となっている。
【0037】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2bから離間する
ことにより、弁が開状態となる。
【0038】尚、本実施例では図4に示すように変位量
16μm、5mm×5mm×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4及び図5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。
【0039】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
ーインバー材により形成されている。
【0040】図6は圧力検出器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。
【0041】尚、図6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。
【0042】更に、本実施例では、前記圧力検出器取付
孔12dを弁本体12の弁室12c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7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12
dを穿設するようにしてもよい。
【0043】前記オリフィス5は図2に示す如く、前記
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24を介して固定さ
れている。尚、図2及び図3に於いて、9cはオリフィ
ス対応弁9の流体出口である。
【0044】図8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2の場合と、全く同一
である。
【0045】図9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。
【0046】即ち、弁本体12のオリフィス取付孔12
f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27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。
【0047】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。
【0048】本発明では、コントロール弁2の弁本体1
2をブロック化し、これにオリフィス取付孔12fや圧
力検出器取付孔12d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。
【0049】図10及び図11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10はオリフィス5の下流側を約
10torrの真空とした場合、また、図11はオリフ
ィス5の下流側を大気圧とした場合を夫々示すものであ
る。
【0050】図10及び図11からも明らかなように、
上流側圧力P1 が下流側圧力P2 の約2倍を越える範囲
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10及び図11に於いて曲線A、B、
Cは夫々オリフィス内径を0.37mmφ、0.20m
mφ、0.07mmφとした場合を示すものである。
【0051】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。
【0052】
【表1】
【0053】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。
【0054】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。
【0055】
【表2】
【0056】
【発明の効果】本発明では上述の通り、オリフィスの上
流側圧力P1 をオリフィスの下流側圧力P2 の約2倍以
上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。
【0057】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。
【0058】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。
【0059】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。
【0060】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】圧力式流量制御装置の縦断面図である。
【図3】圧力式流量制御装置の横断面図である。
【図4】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5】図4のイ−イ視断面図である。
【図6】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7】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8】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
場合の更に他の例を示す部分縦断面図である。
【図10】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11】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12】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は圧力検出
器、4は温度検出器、5はオリフィス、6は演算制御装
置、7a・7bは増幅器、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は反転増幅器、11はガス取
出し用継手、12は弁本体、12aは流体入口、12b
は弁座、12cは弁室、12dは圧力検出器取付孔、1
2e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Oリング、23はスリーブ、24・27
はベアリング、25は取付ねじ、26は締付押え体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平8−335117(JP,A) 特開 平2−52035(JP,A) 特開 昭59−98217(JP,A) 特開 昭62−192810(JP,A) 実開 昭59−131663(JP,U) 実開 昭62−108670(JP,U) 実開 昭61−176609(JP,U) 実開 昭63−130806(JP,U) 米国特許5148829(US,A) 米国特許5365795(US,A) 米国特許5146941(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 7/00 - 7/06 G05D 16/00 F16K 31/00 - 31/04 F16K 17/20 - 17/34 F16K 37/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 オリフィスの上流側圧力P1 を下流側圧
    力P2 の約2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、金属薄板に微小な
    孔を穿設して形成され、上流側と下流側の気体の圧力比
    が前記約2倍以上で且つ前記孔の径が一定の場合には、
    気体の種類に拘わらず前記孔を通過する気体の流量が上
    流側圧力P 1 に正比例する流量特性を具備したオリフィ
    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,コントロール弁(2)とオリフィス
    (5)間に設けた圧力検出器(3)と,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
    る演算制御装置(6)とから構成され、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を調整
    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。
  2. 【請求項2】 演算制御装置(6)を、圧力検出器
    (3)の検出圧力P 1 から流量QcをQc=KP 1 (但
    しKは定数)として演算すると共に、演算した前記流量
    Qcの値をオリフィス(5)の上流側の気体温度T 1
    応じて補正するための温度補正回路(6a)を備え、流
    量指令信号Qsと前記温度補正回路(6a)からの演算
    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)へ出力する演算制御
    装置(6)とした請求項1に記載の圧力式流量制御装
    置。
  3. 【請求項3】 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。
  4. 【請求項4】 コントロール弁(2)の弁本体(12)
    に圧力検出器(3)の取付孔(12d)及びオリフィス
    (5)の取付孔(12f)を夫々設け、コントロール弁
    (2)の弁本体(12)をブロック化して成る請求項1
    に記載の圧力式流量制御装置。
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