JP2711577B2 - 質量流量制御器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、既存の質量流量制御器の取付寸法を変える
ことなく流量を倍増させる事の出来る質量流量制御器に
関する。

（従来技術とその問題点） 半導体、特に超LSI製造分野においては、生産増大、
コスト低減のためにウェハーサイズは直径が４インチか
ら６インチ更に８インチへと拡大の方向にある。これに
付随して超LSIの製造に使用されるガスの流量は増大化
しており、質量流量制御器もこの動向に対処することが
望まれている。

◎ 問題点（１） 一般に普及している質量流量制御器は、各メーカ間で
接続の互換性を持たせるために質量流量制御器のガスの
入り口（２）並びに出口（３）に継ぎ手及び前記継ぎ手
間の寸法がほぼ同一になるように統一されている。例え
ば、質量流量制御器のある機種では、5l/分の流量が限
度であり、より流量の大きい機種では20l/分が限度と言
うように同一寸法での流量の許容限度がほぼ決まってい
る。

従って、それ以上の流量を流さねばならない時は質量
流量制御器をより大型のものを選定し、ガスの入り口
（２）並びに出口（３）の継ぎ手及び前記継ぎ手間の寸
法を大きくしてやらねばならない。しかしながら、質量
流量制御器を大型化する事は、半導体製造装置のガス
供給系を大幅に改造しなければならない。質量流量制
御器が大型化すると後述する理由でコストが急増する。
質量流量制御器が大型化すると重くなるだけでなく、
配管への取付作業やメンテナンスに手間がかかるように
なる。従来機種との互換性がなくなるので、機種数を
増やさねばならず、メーカ・ユーザ共その分だけ管理が
繁雑になり、管理コストも増える事になる。

◎ 問題点（２） そこで、従来の機種をそのまま利用し、質量流量だけ
を拡大しようとする事も試みられたが、その場合に発生
する問題点は以下の通りである。

質量流量制御器に所定以上のガス流量を流すと、流量
とセンサ出力との関係が比例直線から外れたり、ある流
量以上では逆に出力が低下し、制御不能に陥る。

バイパス素子（８）の入り口（２）−出口（３）間の
差圧を増やして流量を拡大する場合、ガスの流れの状態
が層流から乱流に変わり、差圧対流量の特性が比例直線
から大幅に外れ、センサ流量とバイパス流量とが比例関
係から外れる。

又、ガスの種類により流れ方が異なり、流量の正確な
制御が困難となる。

更にセンサ流量とバイパス流量とが比例関係から外れ
るために、温度・圧力の影響を大幅に受け実用に耐え得
なくなる。

◎ 問題点（３） 更に、質量流量の増大を阻む要因が従来機種のバイパ
ス構造にも存在する。即ち、その問題点は以下の通りで
ある。

従来機種のバイパス素子（８）は第9,10図のようにセ
ンサ管（９）と同一の内径並びに長さを持つバイパス用
毛細管（13）を多数本束にして保護管（34）に充填して
バイパス素子（８）を構成するという方式であったた
め、大流量用には適さないと言う問題があった。

即ち、質量流量制御器ではバイパス素子（８）両端の
差圧と流量との関係がほぼ一直線になる事が必要であ
る。例えば、バイパス用毛細管（13）１本の流量が10ml
/分とすると、10l/分用の質量流量制御器では1,000本の
毛細管（13）を束にしなければならず、20l/分用の質量
流量制御器では2,000本、50l/分用の質量流量制御器で
は5,000本もの大量の毛細管（３）を束にしなければな
らず、非常にコスト高になると言う問題点がある。

又、逆に最大流量5l/分用の質量流量制御器に20l/分
を流そうとしてもバイパス断面積が限定されているため
不可能である。そこで、20l/分の流量を流そうとする場
合は必要なだけ断面積を拡大しなければならないが、前
述のように大量の毛細管（13）を必要としコスト高にな
って実用的でない。

（本発明の目的） 本発明は係る従来例に鑑みて為されたもので、その目
的とするところの第１は、既存の質量流量制御器の取付
寸法をほとんど変える事なく流量範囲を拡大することの
出来た質量流量制御器を提供するにあり、第２には多数
のバイパス用毛細管を必要とせず、廉価なコストで大流
量を確保する事の出来る質量流量制御器を提供するにあ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明装置は前記目的を達成するために請求項（１）
において、 ボディ（１）の一端にガス流入用の入り口（２）を設
けると共にボディ（１）の他端にガス流出用の出口
（３）を設け、 ボディ（１）内に入り口（２）から出口（３）に向か
って流れるガス流（４）方向にほぼ平行に隔壁（５）を
設け、 前記隔壁（５）を介して隔壁（５）の前方に前記入り
口（２）に連通する１次室（６）を形成すると共に隔壁
（５）の背方に前記出口（３）に連通する２次室（７）
をそれぞれ形成し、 １次室（６）と２次室（７）とを連通するバイパス素
子（８）を隔壁（５）に設け、 １次室（６）と２次室（７）との間にガス流量測定用
のセンサ管（９）を接続する。

；と言う技術的手段を採用しており、 請求項（２）はバイパス素子（８）とセンサ管（９）
の差圧の関係を更に明確化したもので、 センサ管（９）の両端の差圧よりバイパス素子（８）
の両端の差圧を増大させるために、１次室（６）とセン
サ管（９）の入り口（２）及びセンサ管（９）の出口
（３）と２次室（７）との間に差圧増大用管路（10）を
配設する。

；と言う技術的手段を採用している。

請求項（３）はバイパスの具体例で、 帯状体（11）の表面に幅方向に凹溝（33）を多数本凹
設し、 帯状体（11）を巻設して軸方向にバイパス孔が構成さ
れたバイパス素子（８）を形成し、 これを隔壁（５）内に嵌入する。

；と言う技術的手段を採用している。

（作用） 質量流量制御器にガスを流すと、ガスは１次室（６）
に流入し、大部分のガスはバイパス孔を通って２次室
（７）に流入し、ほんの一部のガスが差圧増大用管路
（10）を介してセンサ管（９）を流れ、続いて２次室
（７）に流入してバイパス側のガスと合流する。

この時、センサ管（９）を流れるガスは上流側ヒータ
（27a）の熱を奪って下流側に流れ、下流側ヒータ（27
b）の加熱量を抑制する。

上流側ヒータ（27a）では奪われた熱量を補給して平
衡温度に達するよう制御回路が上流側ヒータ（27a）を
制御する。これにより両ヒータ（27a）（27b）への供給
電力のバランスが崩れ、この差を検出演算する事により
センサ管（９）に流れるガスの質量流量を検出する。

バイパス側はセンサ管（９）の流量に比例しているか
ら全体のガス流量はセンサ管（９）の流量に所定の係数
を乗ずる事により簡単に知る事が出来る。そして、この
出力は制御バルブ部へフィードバックされ、制御部（2
9）によって制御弁（30）が駆動されて弁室（18）を流
れる質量流量が正確に制御される。

ここで、差圧増大用管路（10）を使用する事により、
バイパス素子（８）両端の差圧ΔＰ′がセンサ管（９）
の両端の差圧ΔＰより（ｎ）倍大きくなるようにする
と、バイパス素子（８）を流れるガス流量を（ｎ）倍に
する事が出来、同種類の機種で（ｎ）倍の流量を流せる
ようになるものである。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例を図示実施例に従って詳述
する。第１図は本発明にかかる質量流量制御器の一実施
例の平断面図であり、第２図はその正断面図、第３図は
その縦断面図である。質量流量制御器は、主としてボデ
ィ（１）と、ボディ（１）上に載設されたセンサー部
（Ａ）と制御バルブ部（Ｂ）とで構成されている。

ボディ（１）は、ボディ本体（16）と、その両端にそ
れぞれ固着された入り口フランジ（14）と出口フランジ
（15）とで構成されており、入り口フランジ（14）にガ
ス流入用の入り口（２）が設けられており、出口フラン
ジ（15）にガス流出用の出口（３）が設けられている。
ボディ本体（16）には一端に開口する円筒穴（17）が穿
設されており、円筒穴（17）の穴底中央には制御バルブ
部（Ｂ）の弁室（18）に連通する１次側Ｌ字孔（19）
と、弁室（18）から他端に連通する２次側Ｌ字孔（20）
とが穿設されている。又、円筒穴（17）の中央には円筒
穴（17）を仕切る隔壁（５）が気密状に嵌め込んであ
り、隔壁（５）にて円筒穴（17）を１次室（６）と２次
室（７）とに仕切っている。隔壁（５）の両端には円形
の鍔部（21）が設けてあり、この鍔部（21）の一方に前
記入り口（２）と１次室（６）とを連通する１次側連通
孔（22）が、他方の鍔部（21）に２次室（７）と前記１
次側Ｌ字孔（19）の入り口（２）とを連通する２次側連
通孔（23）が穿設してある。更に、隔壁（５）には複数
（図の実施例では８個）の通孔が穿設してあり、この通
孔に後述するバイパス素子（８）が嵌入されている。
又、隔壁（５）は金属製でもよいし樹脂製でもよい。

センサー部（Ａ）は、センサ管（９）と差圧増大用の
スペーサ（12）とで構成されており、ボディ（１）の上
面に前記スペーサ（12）が載設固定されており、このス
ペーサ（12）に２つの差圧増大用管路（10）が穿設され
ている。ボディ（１）には前記１次室（６）と２次室
（７）からボディ（１）の上面に開口するセンサ側通孔
（24）が穿設されており、前記差圧増大用管路（10）と
センサ側通孔（24）とがそれぞれ連通している。スペー
サ（12）の上面にはセンサブロック（25）が載設固定さ
れており、センサブロック（25）に穿設されたセンサ接
続孔（26）間にセンサ管（９）が架設されており、１次
側のガスがセンサ間（９）を通じて２次室（７）に流入
するようになっている。センサ間（９）の周囲には２本
のヒータ（27a）（27b）が巻設されている。

制御バルブ部（Ｂ）は、バルブハウジング（28）と制
御部（29）とで構成されており、バルブハウジング（2
8）に穿設された下面開口の弁室（18）に前記１次側Ｌ
字孔（19）の出口と２次側Ｌ字孔（20）の入り口が開口
している。又、弁室（18）内には制御弁（30）が昇降自
在に収納されており、バルブハウジング（28）の上面に
配設された駆動部（３）に接続されている。制御弁（3
0）の下面は１次側Ｌ字孔（19）の出口に一致してお
り、スプリング（32）にて常時離間方向に押し上げ付勢
されている。

バイパス素子（８）は、第４図のように帯状体（11）
の表面に幅方向に凹溝（33）をエッチングにて多数本凹
設し、この帯状体（11）を芯棒（35）の回りに巻設して
軸方向にバイパス孔の構成されたバイパス素子（８）を
形成している。勿論、凹溝（33）の形成された帯状体
（11）を樹脂の成形体としてもよい。第7,8図に示すよ
うにバイパス素子（８）の端部は若干テーパ状に削られ
ており、巻き上がりの姿が円形になるように工夫されて
いる。

この場合、第８図から分かるように凹溝（33）以外の
部分は通孔がないため凹溝（33）の数を規定する事によ
り流量が正確に設定される。これに対して従来例のよう
な毛細管（13）であれば毛細管（13）と毛細管（13）と
の間に出来る細い間隙を閉塞しない限り毛細管（13）の
本数を規定してもわずかであるが規定量以上の流量が流
れる事になり、精度が落ちる事になる。凹溝（33）の形
状は半月状でも良いし、隅部が弧状になった矩形に近い
ものでも良く、凹溝（33）総てがほぼ同じ流量となるよ
うにほぼ同じ断面を持つ事が望ましいが、その開口断面
形状は問わない。

尚、第８図のバイパス孔は凹溝（33）が外向きに巻設
されているが、第６図のように内向きに巻設してもよい
事は言うまでもない。このように形成されたバイパス素
子（８）は第２図に示すように隔壁（５）の通孔内に嵌
め込まれて使用される。バイパス孔の数は、流量に合わ
せて通孔の数を少なくした隔壁（５）を用いるか、通孔
を閉塞し必要な数の通孔にバイパス素子（８）を嵌め込
んだものを使用する。

尚、ここで、凹溝（33）の数を適宜変えて１個のバイ
パス素子（８）当たりに流れるガス流量を10ml/分、100
ml/分、１／分、10l/分と４種類製作しておけば、こ
れらを流量に応じて適宜選定して隔壁（５）に嵌め込ん
でやれば多種類の流量をカバーする事が出来るものであ
る。これに対して従来のバイパス素子（８）では10ml/
分、20ml/分、50ml/分、100ml/分、200ml/分、500ml/
分、１／分、2l/分、5l/分、10l/分、20l/分のように
11種類のバイパス素子（８）が必要であり、管理が面倒
であった。しかも、本発明の質量流量制御器にあっては
バイパス素子（８）の差圧をセンサ管（９）の差圧より
高くすることにより、最大流量は従来の流量の2.5〜４
倍に拡大する事ができるものである。

しかして、例えば半導体製造装置のような精密設備の
ガス供給系統に本発明にかかる質量流量制御器を接続
し、ガスを流すと、ガスは１次室（６）に流入し、大部
分のガスはバイパス孔を通って２次室（７）に流入し、
ほんの一部のガスが差圧増大用管路（10）を介してセン
サ管（９）を流れ、続いて２次室（７）に流入してバイ
パス側のガスと合流する。さて、センサ管（９）を流れ
るガスは上流側ヒータ（27a）の熱を奪って下流側に流
れ、下流側ヒータ（27b）の加熱量を抑制する。上流側
ヒータ（27a）では奪われた熱量を補給して平衡温度に
達するよう制御回路が上流側ヒータ（27a）を制御す
る。これにより両ヒータ（27a）（27b）への供給電力の
バランスが崩れ、この差を検出演算する事によりセンサ
管（９）に流れるガスの質量流量を検出する。バイパス
側はセンサ管（９）の流量に比例しているから全体のガ
ス流量はセンサ管（９）の流量に所定の係数を乗ずる事
により簡単に知る事が出来る。そして、この出力は制御
バルブ部へフィードバックされ、制御部（29）によって
制御弁（30）が駆動されて弁室（18）を流れる質量流量
が正確に制御される。

さて、ここでスペーサ（12）の差圧増大用管路（10）
の働きに付いて説明する。第13図の概略図は従来の質量
流量制御器を表しており、バイパス孔の両端のガス圧を
それぞれP₁，P₂とすると、その差圧ΔＰは、 ΔＰ＝P₁−P₂ ………（１）となる。

これに対して、第14図の概略図は本発明にかかる質量
流量制御器（ただし、図面作成上の都合からガス流
（４）に対して正対するように２個のバイパス素子
（８）を配置しているように記載しているが、このバイ
パス素子（８）はガス流（４）に対して直角に配置され
ているものである。）であり、差圧増大用管路（10）の
管抵抗により、センサ管（９）の両端の差圧よりバイパ
ス孔の両端の差圧の方が高くなる。

今、上記従来例と同様にセンサ管（９）の両端の差圧
ΔＰとし、センサ管（９）の両端のガス圧をP₁，P₂とす
ると第（１）式と同じ式が得られる。

次ぎに、差圧増大用管路（10）の効果により、センサ
管（９）の両端のガス圧P₁，P₂及びその差圧ΔＰとバイ
パス素子（８）の差圧とが相違する。そこで、バイパス
素子（８）の差圧をΔＰ′、両端の差圧をＰ′₁,P′₂と
すると、 ΔＰ′＝Ｐ′₁−Ｐ′₂ ……（２） となる。今、差圧増大用管路（10）の管抵抗のために、
ΔＰ′がΔＰの（ｎ）培地になったとすると、 ΔＰ′＝ｎ・ΔＰ ……（３） の関係が成立するとする。ここで、流量Ｑは両端の差圧
に比例するので、 Q₁（センサ管の流量）＝Ｋ・ΔＰ ……（４） Q₂（バイパス素子の流量）＝Ｋ・ΔＰ′ ……（５） ∴Q₂／Q₁＝ΔＰ′／ΔＰ＝（ｎ） ……（６） の関係が成立し、これにより、バイパス素子（８）の流
量を（ｎ）培地に増大させる事が出来る。

一方、センサ管（９）に流れる最大流量は、 ΔＰ＝P₁−P₂に比例し、これは従来のセンサ管（９）を
流れる流量と変わらない。

従って、差圧増大用管路（10）によってバイパス素子
（８）の差圧を増やしてもセンサ管（９）での差圧対流
量の特性は変わらない。

例えば、センサ管（９）と同一内径、長さ２倍の差圧
増大用管路（10）を用いた場合、バイパス素子（８）の
差圧は、 （l₀＋２×l₁）÷（l₀）＝（l₀＋２×２l₀）÷（l₀）＝
５倍 ……（５） 従って、実に同一寸法（換言すれば同種類の機種）で
５倍の流量を制御する事が出来る事になる。

尚、スペーサ（12）はの高さ寸法、差圧増大用管路
（10）の太さは流量によって適宜変更する事も出来る。
バイパス素子（８）の差圧を増やした為に、バイパス素
子（８）の部分が乱流とならぬように開口面積を広くと
り、流速を低下させる。エッチングプレートはこれに適
するもので、本発明ではこれらを並列に並べたバイパス
構造としている。

又、バイパス素子（８）をエッチングプレートにした
のは、ほぼ同一の断面積の凹溝（33）を一度に大量生産
が出来るため、低コスト化が可能となる。毛細管の
ように管の機械切断時に端面にバリが発生するというこ
とがない。肉厚を薄く出来るので、有効断面積を大き
くとる事が出来、コンパクト化が可能となる、など各種
の利点を有する。

第16図に本発明の他の実施例を示す。即ち、入り口
（２）から１次室（６）とをつなぐ１次側連通孔（22）
と２次室（７）と１次側Ｌ字孔（19）とをつなぐ２次側
連通孔（23）をボディ本体（16）内に形成し、１次室
（６）、２次室（７）の中央にそれぞれ開口させたもの
であるが、この場合も１次側及び２次側連通孔（22）
（23）を流れるガス流（４）の方向が隔壁（５）に平行
となっている。

（効果） 本発明の請求項（１）は、ボディの一端にガス流入用
の入り口を設けると共にボディの他端にガス流出用の出
口を設け、ボディ内に入り口から出口に向かって流れる
ガス流方向にほぼ平行に隔壁を設け、前記隔壁を介して
隔壁の前方に前記入り口に連通する１次室を形成すると
共に隔壁の背方に前記出口に連通する２次室をそれぞれ
形成し、１次室と２次室とを連通するバイパス素子を隔
壁に設け、１次室と２次室との間にガス流量測定用のセ
ンサ管を接続してあるので、バイパス素子に流さねばな
らない流量に合わせて隔壁のバイパス素子の数を増減す
れば足り、しかも、隔壁はボディ内部に入り口乃至出口
の少なくとも一方のガス流方向にほぼ平行に配設してあ
るので、質量流量制御器のガス流に平行な方向の寸法を
有効に活用する事が出来、しかもこのようにガス流に対
してほぼ直行する方向にバイパス素子を並列配置したの
であるから、層流領域でバイパス素子にガスを流す事が
出来、差圧や流量特性を損なう事なく必要に応じて流量
を大きくする事が出来る。又、単に流量に合わせて隔壁
にバイパス素子を嵌め込んで行くだけであるからバイパ
ス素子の種類を１種類に出来ると言う利点もある。

又、本発明の請求項（２）では、センサ管の両端の差
圧よりバイパス素子の両端の差圧を増大させるために、
１次室とセンサ管の入り口及びセンサ管の出口と２次室
との間に差圧増大用管路を配設してあるので、その結果
バイパス管により大量のガスを流す事が出来て同一寸法
で能力を（ｎ）培地に倍増する事が出来るという利点が
ある。

本発明の請求項（３）では、帯状体の表面に幅方向に
凹溝を多数本凹設し、帯状体を巻設して形成したバイパ
ス素子を隔壁内に嵌入してあるので、ほぼ同一の断面積
の凹溝を有するバイパス素子を一度に大量生産が出来、
その結果低コスト化が可能となり、又、エッチングに
よる製作であるので、毛細管のように管の機械切断時に
端面にバリが発生するということがない。更にエッチン
グで有るために肉厚を薄く出来、有効断面積を大きくと
る事が出来、コンパクト化が可能となる、など各種の利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図…本発明の一実施例の概略平断面図 第２図…第１図の中央縦断面図 第３図…第２図に対して直角方向の断面図 第４図…本発明に使用するバイパス素子の部分展開図 第５図…第４図のＸ拡大矢視図 第６図…本発明に使用するバイパス素子の巻取状態を示
す斜視図 第７図…本発明に使用するバイパス素子の正面図 第８図…本発明に使用するバイパス素子の逆巻きの場合
の拡大図 第９図…従来例に使用したバイパスの断面図 第10図…第９図の正面図 第11図…従来の小流量バイパス素子の概略斜視図 第12図…従来の大流量バイパス素子の概略斜視図 第13図…従来の質量流量制御器の概略正面図 第14図…本発明の質量流量制御器の概略正面図 第15図…本発明にかかる質量流量制御器の他の実施例の
平断面図 （１）……ボディ、（２）……入り口 （３）……出口、（４）……ガス流 （５）……隔壁、（６）……１次室 （７）……２次室、（８）……バイパス素子 （９）…センサ管、（10……差圧増大用管路 （11）……帯状体、（12）……スペーサ （13）……バイパス用毛細管、（14）……入り口フラン
ジ （15）……出口フランジ、（16）……ボディ本体 （17）……円筒穴、（18）……弁室 （19）……１次側Ｌ字孔、（20）……２次側Ｌ字孔 （21）……鍔部、（22）……１次側連通孔 （23）……２次側連通孔、（24）……センサ側通孔 （25）……センサブロック、（26）……センサ管接続孔 （27a）（27b）……ヒータ、（28）……ハウジングブロ
ック （29）……制御部、（30）……制御弁 （31）……駆動部、（32）……スプリング （33）……凹溝、（34）……保護管 （35）……心棒

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボディの一端にガス流入用の入り口を設け
   ると共にボディの他端にガス流出用の出口を設け、ボデ
   ィ内に入り口から出口に向かって流れるガス流方向にほ
   ぼ平行に隔壁を設け、前記隔壁を介して隔壁の前方に前
   記入り口に連通する１次室を形成すると共に隔壁の背方
   に前記出口に連通する２次室をそれぞれ形成し、１次室
   と２次室とを連通するバイパス素子を隔壁に設け、１次
   室と２次室との間にガス流量測定用のセンサ管を接続し
   て成る事を特徴とする質量流量制御器。
2. 【請求項２】請求項（１）の質量流量制御器において、
   センサ管の両端の差圧よりバイパス素子の両端の差圧を
   増大させるために、１次室とセンサ管の入り口及びセン
   サ管の出口と２次室との間に差圧増大用管路を配設して
   成る事を特徴とする質量流量制御器。
3. 【請求項３】請求項（１）乃至（２）の質量流量制御器
   において、帯状体の表面に幅方向に凹溝を多数本凹設
   し、帯状体を巻設して軸方向にバイパス孔が構成された
   バイパス素子を隔壁内に嵌入して成る事を特徴とする質
   量流量制御器。