유량 측정 기구, 매스 플로우 콘트롤러 및 압력 센서

유량 측정 기구, 매스 플로우 콘트롤러 및 압력 센서{FLOW RATE MEASURING MECHANISM, MASS FLOW CONTROLLER, AND PRESSURE SENSOR}

본 발명은, 반도체 프로세스에서 이용되는 재료 가스 등의 유량을 제어하는 매스 플로우 콘트롤러, 그것에 이용되는 유량 측정 기구 및 압력 센서에 관한 것이다.

이 종류의 유량 측정 기구나 매스 플로우 콘트롤러에 이용되는 압력 센서로서, 특허 문헌 1에 도시하는 바와 같이, 유체의 압력을 다이어프램(diaphragm) 등에 마련한 감압면(感壓面)에서 받고, 그 감압면의 변위에 의해서 유체 압력을 측정하는 것이 알려져 있다. 이러한 방식의 압력 센서에서는, 수압(受壓) 부재에서의 감압면의 면적이 클수록, 감도가 향상한다.

그런데, 종래 매스 플로우 콘트롤러에는, 내부에 제어 대상 유체가 흐르는 유로를 형성한 몸체에 압력 센서나 유량 조정 밸브 등이 장착된 구성을 가진 것이 있다. 특히 최근에는, 복수의 매스 플로우 콘트롤러를 컴팩트하게 병렬시키고자 하는 요구 등으로부터, 도 10에 도시하는 바와 같이, 매스 플로우 콘트롤러(100')의 몸체(1')를 길고 가는 형상으로 하는 것과 아울러, 그 길이 방향과 평행한 일면에 설정한 부품 장착면(1c')에 압력 센서(2')나 유량 조정 밸브(4') 등을 상기 길이 방향을 따라서 직렬로 장착함으로 인해서, 매스 플로우 콘트롤러 전체의 폭방향 치수를 작게 억제하도록 도모한 것이 개발되고 있다.

그렇지만, 종래 매스 플로우 콘트롤러에서는, 압력 센서를, 그 감압면이 몸체의 부품 장착면에 대해서 평행이 되도록 배치하고 있으므로, 전체의 폭방향의 치수를 더 작게 하려고 하면, 감압면의 면적이 작게 되어 감도 저하를 초래할 우려가 있다. 그리고 이것이, 소형화, 특히 폭방향의 축소화에의 난관이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 압력 측정 감도의 저하를 초래하지 않고, 폭방향 치수를 종래에 비해 비약적으로 저감할 수 있는 압력 센서나 유량 측정 기구, 혹은 매스 플로우 콘트롤러를 제공하기 위하여 도모한 것이다.

즉, 본 발명에 관한 유량 측정 기구는, 측정해야 할 대상 유체가 흐르는 내부 유로를 가진 몸체 유닛과, 상기 내부 유로를 분단함과 아울러 분단된 상류측 내부 유로 및 하류측 내부 유로를 연통하는 저항 유로를 가진 유체 저항 부재와, 상기 몸체 유닛에 장착되어 상기 상류측 내부 유로 또는 하류측 내부 유로의 적어도 일방의 압력을 검지하는 압력 센서를 구비하고, 상기 저항 유로의 저항값 및 상기 압력 센서가 검지한 유체 압력에 근거하여 상기 유체의 유량을 산출 가능하게 구성한 것으로서,

상기 몸체 유닛이 길이 방향을 가짐과 아울러 그 길이 방향에 평행한 면에 부품 장착면을 설정한 것이며, 상기 부품 장착면에 상기 압력 센서를 그 감압면이 상기 부품 장착면에 대략 수직으로 또한 상기 길이 방향에 대략 평행이 되도록 장착하고 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 압력 센서의 감압면을 크게 하여 압력 감도 특성을 향상시키면서, 폭방향 치수, 즉 길이 방향에 직교하고 또한 부품 장착면에 평행한 치수를 비약적으로 작게 할 수 있다. 그리고, 이것에 의해서 복수의 유량 측정 기구를 컴팩트하게 병렬시키는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 유체 저항 부재에 연통로를 관통 형성함과 아울러, 상기 몸체 유닛과 압력 센서와의 사이에 상기 유체 저항 부재가 배치되도록 구성해 두고, 이 배치 상태에서 상기 상류측 내부 유로와 상기 압력 센서에 마련된 압력 도입구가, 상기 연통로를 매개로 하여 연통되도록 구성한 것이면, 압력 센서가 유체 저항 부재 상에 적층 배치되기 때문에, 몸체 유닛이 불필요하게 길어지는 것도 방지할 수 있다. 게다가 이와 같은 것이면, 압력 센서와 유체 저항 부재가 몸체 유닛의 동일한 측에 적층적으로 배치되므로, 그 사이의 내부 유로 길이를 가급적 짧게 할 수 있다. 따라서, 유량 센싱의 응답성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

상기 몸체 유닛에 압력 센서를 장착함으로 인해서 이들에 끼워져 상기 유체 저항 부재가 유지되도록 구성한 것이면, 압력 센서가 그대로 유체 저항 부재의 몸체 유닛에 대한 설치 수단으로서의 역할을 다하기 때문에, 부품의 삭감을 도모할 수 있다.

보다 컴팩트화가 가능하고, 또한 씰(seal) 등도 바람직하게 실시하는 구체적 형태로서는, 측면 또는 저면에 상기 상류측 내부 유로 및 하류측 내부 유로가 개구 하는 오목부를 상기 몸체 유닛의 외표면에 개구시켜 두고, 이 오목부 내에 상기 유체 저항 부재를 수용하여, 상기 압력 센서를 몸체 유닛에 장착함으로 인해서, 해당 압력 센서의 장착면이 오목부의 개구를 씰링하여 유체 저항 부재를 유지하도록 한 것을 들 수 있다.

이 유량 측정 기구를 이용하여 매스 플로우 콘트롤러를 형성하려면, 상기 몸체 유닛에 장착한 유량 조정 밸브와, 상기 유량 측정 기구에 의한 측정 유량이 미리 정한 목표 유량이 되도록 상기 유량 조정 밸브를 제어하는 제어 회로를 마련하면 좋다.

압력 센서로서는, 소정의 일면을 장착면으로 설정한 본체 부재를 구비하고, 그 본체 부재 내에 측정해야 할 유체의 압력을 검지하는 감압면이 형성된 것으로서, 상기 감압면을 상기 장착면에 대해서 대략 수직이 되도록 구성하고 있는 것을 들 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 본체 부재를 편평한 형상으로 하고, 그 편평면에 대해서 수직인 일면을 상기 장착면으로 하는 것과 아울러, 상기 편평면과 대략 평행으로 상기 감압면을 마련하고 있는 것이 바람직하다.

또, 측정해야 할 대상 유체를 도입하기 위한 압력 도입구와, 상기 유체가 충전되는 유체 충전실과, 상기 유체 충전실 및 압력 도입구를 연통하는 유체 도입로를 가지는 본체 부재를 구비하고, 상기 유체 충전실의 일면을 압력 검지를 위한 감압면으로 설정한 것으로서, 상기 유체 도입로의 유체 충전실에 대한 개구 부위가, 감압면에 대해서 대략 수직인 측면 부위에 설정되어 있는 것이나, 상기 감압면에 대해서 상기 유체 도입로가 평행 내지 경사지게 형성되어 있는 것도 본 발명의 과제를 바람직하게 해결할 수 있다.

본 발명에 의하면, 압력 센서의 감압면을 크게 하여 압력 감도 특성을 향상시키면서, 폭방향 치수, 즉 길이 방향에 직교하고 또한 부품 장착면에 평행한 치수를 비약적으로 작게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러의 유체 회로도
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러의 전체 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러의 내부 구조를 도시하는 종단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러의 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에서의 압력 센서의 내부 구조를 도시하는 횡단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러의 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에서의 유량 조정 밸브의 내부 구조를 도시하는 부분 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에서의 유량 조정 밸브의 내부 구조를 도시하는 부분 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에서의 유체 저항 부재를 오목부에 수용한 상태에서의 내부 구조를 도시하는 부분 단면도.
도 10은 종래 매스 플로우 콘트롤러를 도시하는 전체 사시도.
도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에서의 매스 플로우 콘트롤러를 도시하는 전체 사시도.

이하, 본 발명의 일 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시 형태에 관한 매스 플로우 콘트롤러(100)는, 예를 들면 가스 패널에 탑재되어 반도체 제조 장치의 재료 공급 라인의 일부를 구성하는 것으로, 도 1에 유체 회로도, 도 2에 전체 사시도를 도시하는 바와 같이, 유량 제어 대상인 유체가 흐르는 내부 유로(1a)를 가지는 몸체 유닛(1)과, 상기 내부 유로(1a) 상에 마련된 유량 조정 밸브(4)와, 이 유량 조정 밸브(4)보다도 하류측에 마련되어 해당 내부 유로(1a)를 흐르는 유체의 질량 유량을 측정하는 유량 측정 기구(10)와, 이 유량 측정 기구(10)에 의한 측정 유량이 미리 정한 목표 유량이 되도록 상기 유량 조정 밸브(4)를 제어하는 제어 회로(6, 도 1에는 도시하지 않음)로 구성되어 있다. 이하에 각 부를 상술한다.

몸체 유닛(1)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 길고 가는 직방체 형상을 이루는 것이다. 이 몸체 유닛(1)에서의 길이 방향과 평행한 1개의 면은, 부품 장착면(1c)으로서 설정하고 있고, 이 부품 장착면(1c)에만, 상기 유량 조정 밸브(4)나 압력 센서(21, 22) 등의 부품이 장착되도록 구성하고 있다. 또, 이 장착면(1c)의 반대측 면을, 해당 몸체 유닛(1)을 패널 등에 고정하기 위한 고정면으로 하고 있다. 게다가, 길이 방향과 평행한 다른 2면(이하, '측면'이라고 말함)에는 어느 것도 장착하지 않도록 하고, 복수의 몸체 유닛(1)의 측면끼리를 밀착 내지 근접시켜 배치할 수 있도록 구성하고 있다.

내부 유로(1a)는, 몸체 유닛(1)의 길이 방향에서의 일단부로부터 타단부를 향해 연장하는 것으로, 보다 구체적으로는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 그 유체 도입구(1d) 및 유체 도출구(1e)가, 상기 몸체 유닛(1)의 길이 방향에 직교하는 양단면에 각각 개구하도록 구성하고 있다. 그리고, 상기 부품 장착면(1c)과 직교하는 방향에서 볼 때(이하, '평면에서 볼 때'라고도 말함)에, 유체가 길이 방향과 대략 평행으로 흘러 가도록 구성하고 있다.

유량 조정 밸브(4)는, 도 3, 도 6, 도 7에 도시하는 바와 같이, 밸브 안착 부재(42)와 밸브 본체 부재(41)로 이루어지는 기둥 모양을 이루는 것이며, 상기 부품 장착면(1c)에서의 유체 도입구(1d)측의 일단부에 연직(鉛直)으로 장착되어 있다. 이 유량 조정 밸브(4)의 최대 폭치수는, 상기 부품 장착면(1c)의 폭치수(길이 방향과 직교하는 방향의 치수)보다도 작게 또는 동일하게 설정하고 있고, 도 4에 도시하는 바와 같이, 이 유량 조정 밸브(4)를 몸체 유닛(1)에 장착한 상태에서, 유량 조정 밸브(4)가 몸체 유닛(1)보다도 폭방향으로 돌출하지 않도록 구성하고 있다.

이 유량 조정 밸브(4)를 구성하는 부재 중, 상기 밸브 안착 부재(42)는, 도 6, 도 7 등에 도시하는 바와 같이, 그 정상면(頂面) 중앙부에 링 모양의 안착면(42a)을 돌출 형성한 개략 기둥 모양을 이루는 것이다. 또, 상기 밸브 안착 부재(42)에는, 일단이 해당 밸브 안착 부재(42)의 정상면 중앙부(구체적으로는 밸브 안착면(42a)의 내측)로 개구함과 아울러 타단이 해당 밸브 안착 부재(42)의 저면 중앙부로 개구하는 유체 도입로(42b)와, 일단이 해당 밸브 안착 부재(42)의 정상면 주연부(周緣部, 보다 구체적으로는 밸브 안착면(42a)보다도 외측)로 개구함과 아울러 타단이 해당 밸브 안착 부재(42)의 저면 주연부로 개구하는 유체 도출로(42c)를 관통시키고 있다.

이 밸브 안착 부재(42)는, 상기 부품 장착면(1c)의 일단부에 개구시킨 저면이 있는 오목부(1f)에 끼워 넣어진다. 이 저면이 있는 오목부(1f)는, 상기 내부 유로(1a)를 분단하는 위치에 마련해 있다. 구체적으로는, 해당 저면이 있는 오목부(1f)의 저면 중앙부에, 분단된 내부 유로(1a) 중 상류측 내부 유로(1a(1))의 종단(終端)이 개구하고 있고, 해당 저면이 있는 오목부(1f)의 저부측 둘레면에는, 하류측 내부 유로(1a(2))의 시단(始端)이 개구하고 있다.

그러나, 이 구성에 의해, 저면이 있는 오목부(1f)에 밸브 안착 부재(42)를 끼워 넣은 상태에서, 상기 유체 도입로(42b)의 타단이, 저면이 있는 오목부(1f)의 중앙으로 개구하는 상류측 내부 유로(1a(1))의 종단(終端)에 씰 부재(SL2)를 매개로 하여 연통하고, 또, 상기 유체 도출로(42c)의 타단이 밸브 안착 부재(42)의 저면 주연부로부터 측(側) 둘레면 저부에 걸쳐 저면이 있는 오목부(1f)의 내주면과의 사이에 틈새가 있기 때문에, 상기 하류측 내부 유로(1a(2))의 시단에 연통하도록 하고 있다.

한편, 상기 밸브 본체 부재(41)는, 도 3, 도 7, 도 8에 도시하는 바와 같이, 내부가 기밀 상태가 되도록 구성한 케이스(411)와, 이 케이스(411)의 내부에 수용한 기둥 모양을 이루는 적층 압전 소자(412)를 구비하고 있다.

케이스(411)은, 긴 통 모양을 이루는 하우징(411a)과, 이 하우징(411a)의 일단면을 기밀하게 폐색(閉塞)하는 탄성 변형 가능한 박판 모양의 다이어프램 부재(411b)와, 상기 하우징(411a)의 타단면을 기밀하게 폐색하는 폐색 부재(411c)를 구비한 것이다.

하우징(411a)은, 상기 저면이 있는 오목부(1f) 위를 덮도록 부품 장착면(1c)에 장착되는 원통 모양의 일단측 요소(411a.1)와, 이 일단측 요소(411a.1)에 연결되는 블록체 모양의 타단측 요소(411a.2)로 이루어진 것이다.

다이어프램 부재(411b)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 내측을 향해 돌출하는 돌기(411b.1)를 중앙에 가진 탄성 변형 가능한 박판(薄板)이며, 상기 일단측 요소(411a.1)와 일체로 성형되어 있다.

폐색 부재(411c)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 하우징(411a)의 타단면을 폐색 하도록 장착한 원판 모양을 이루는 부재 본체(411c.1)와, 이 부재 본체(411c.1)의 중앙에 관통시킨 암나사 구멍에 나사 맞춤하는 진퇴 폴(pole)인 조정 나사(411c.2)와, 그 나사 맞춤 부분을 둘러싸도록 부재 본체(411c.1)의 내면에 장착한 기밀 유지 부재(411c.3)를 구비한 것이다. 또한, 상기 부재 본체(411c.1)에는, 압전 소자 구동용 단자(T)가 기밀하게 관통하고 있어, 이른바 헤르메틱(hermetic) 구조로 되어 있다. 상기 기밀 유지 부재(411c.3)는, 축 방향으로 탄성 신축하는 통 모양의 벨로우즈부(411c.31)와, 이 벨로우즈부(411c.31)의 저부 부분에 기밀하게 접합된 기둥 모양 부재(411c.32)로 이루어진다.

상기 기둥 모양 부재(411c.32)는, 조정 나사(411c.2)와 적층 압전 소자(412)의 사이에 개재하는 것이며, 조정 나사(411c.2)를 나사 진퇴시키는 것에 의해서, 기둥 모양 부재(411c.32)를 매개로 하여 적층 압전 소자(412)의 축 방향의 위치를 조정할 수 있도록 구성하고 있다. 또한, 기둥 모양 부재(411c.32)의 선단면(先端面)과 적층 압전 소자(412)의 기단면(基端面)과는 접착하고 있다.

그리고, 상기 하우징(411a)의 일단면을 몸체 유닛(1)의 부품 장착면(1c)에 씰 부재(SL1)를 매개로 하여 장착함으로 인해서, 몸체 유닛(1)에 형성한 상기 저면이 있는 오목부(1f)의 개구를 해당 일단면에서 씰링함과 아울러, 밸브 안착면(42a)에 다이어프램 부재(411b)를 대향시켜, 상기 압전 소자(412)의 신축에 의해서 다이어프램 부재(411b)와 밸브 안착면(42a)과의 이간(離間) 거리가 변하여, 이 다이어프램 부재(411b)가 밸브 본체(41a)로서 기능을 하도록 하고 있다.

유량 측정 기구(10)는, 유체 회로적으로 말하면, 도 1에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(1a) 상에 마련한 저항 유로(3a)와, 해당 저항 유로(3a)의 상류측 및 하류측에서의 내부 유로(1a) 내의 유체 압력을 계측하는 한 쌍의 압력 센서(21, 22)로 이루어진 것이다. 그리고, 압력 센서(21, 22)에 의한 압력 계측값과 저항 유로(3a)의 저항값에 근거하여, 내부 유로(1a)를 흐르는 유체의 유량을 측정 가능하게 구성하고 있다.

상기 저항 유로(3a)는, 도 6, 도 9에 도시하는 바와 같이, 복수의 직사각형 모양의 박판(31 ~ 35)을 적층시킨 직방체 모양의 유체 저항 부재(3)에 형성한 것이다. 즉, 도 6에 도시하는 바와 같이, 각 박판 또는 일부의 박판에, 적층시켰을 때에 서로 겹쳐 적층 방향으로 관통하는 연통로(3c)가 되는 관통공(3b)과, 상기 연통로(3c)에 내측단이 연통하고 외측단이 길이 방향과 직교하는 측면으로 개구하는 슬릿(3d)을 마련하고, 상기 박판(31 ~ 35)을 적층시켰을 때에, 슬릿(3d)에 의해서 저항 유로(3a)가 형성되도록 한 것이다. 또한, 슬릿(3d)의 형상이나 개수를 다르게 하는 것에 의해서 유로 저항을 조정할 수 있다.

한편, 몸체 유닛(1)의 부품 장착면(1c)에서의 길이 방향 중앙부에는, 도 3, 도 5, 도 6, 도 9에 도시하는 바와 같이, 내부 유로(1a)를 분단하도록 직사각형 모양의 오목부(1h)가 마련해 있다. 그리고, 이 오목부(1h)에, 상기 유체 저항 부재(3)가, 폭 방향으로는 틈새가 없고, 몸체 유닛(1)의 길이 방향으로는 틈새를 가져 끼워 넣어지도록 설계되어 있다. 또, 이 오목부(1h)의 저면 중앙에는, 이 오목부(1h)에서 분단된 내부 유로(1a) 중 상류측 내부 유로(1a(2))의 종단이 개구하는 한편, 저면이 있는 오목부(1f)에서의 길이 방향의 저면 둘레부에는, 하류측 내부 유로(1a(3))의 시단이 개구하도록 구성하고 있다.

이 유체 저항 부재(3)가 오목부(1h)에 끼워 넣어진 상태에서는, 상기 연통로(3c)의 저측(底側)의 일단이 상류측 내부 유로(1a(2))의 종단에 씰 부재(SL3)를 매개로 하여 접속되고, 저항 유로(3a)의 외측단이 하류측 내부 유로(1a(3))의 시단에 연통한다. 즉, 상류측 내부 유로(1a(2))는, 연통로(3c) 및 저항 유로(3a)를 매개로 하여, 하류측 내부 유로(1a(3))에 접속된다.

압력 센서(21, 22)는, 도 2 ~ 도 6 등에 도시하는 바와 같이, 편평한 형상을 이루는 본체 부재(2A)와, 그 본체 부재(2A) 내에 내장한 압력 검지 소자(2B)를 구비하는 것이다. 그리고, 이 편평한 본체 부재(2A)를, 그 면판부(面板部, 편평면)가 부품 장착면(1c)에 수직으로 또한 몸체 유닛(1)의 길이 방향과 대략 평행, 즉 평면에서 볼 때, 유체의 흐름 방향과 대략 평행이 되도록, 해당 부품 장착면(1c)에 장착해 있다. 또, 압력 센서(21, 22)의 두께 치수는, 도 4 등에 도시하는 바와 같이, 부품 장착면(1c)의 폭방향 치수보다도 작게 또는 동일하게 설정하고 있고, 설치 상태에서 압력 센서(21, 22)가 몸체 유닛(1)보다도 폭 방향으로 돌출하지 않도록 구성하고 있다.

상기 본체 부재(2A) 내에는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 상기 면판부와 평행한 일면(2b1)을 탄성 변형하는 다이어프램 벽(2A1)에서 형성한 얇은 원판 모양을 이루는 유체 충전실(2b)과, 이 유체 충전실(2b) 및 압력 도입구(2a1)를 연통하는 유체 도입로(2c)가 형성되어 있다. 상기 압력 도입구(2a1)는, 몸체 유닛(1)에 대한 장착면(2a)에 개구시키고 있다. 유체 도입로(2c)는, 유체 충전실(2b)의 측면, 즉 상기 일면(2b1)에 수직인 면으로 개구하고 있고, 또한 유체 도입로(2c)의 연신 방향은 상기 일면(2b1)에 대해서 평행 또는 약간 경사지게 설정하고 있다.

상기 압력 검지 소자(2B)는, 예를 들면 압전 소자이며, 상기 다이어프램 벽 (2A1)의 이면(裏面)에 접촉시키고 있다. 그리고, 감압면(感壓面)인 상기 일면(2b1)이 유체 압력을 받아 변위하면, 그 양을 해당 압력 검지 소자(2B)가 검지하여 압력 신호로서 출력하도록 구성하고 있다. 또한, 압력 검지 소자로서, 예를 들면 다이어프램 벽의 변화에 수반하는 공간의 용량 변화를 전기적인 용량 변화로서 검지하도록 하는 것이라도 상관없다.

그리고, 이러한 한 쌍의 압력 센서(21, 22) 중 상류측 압력 센서(21)를, 몸체 유닛(1)의 부품 장착면(1c)에서의 길이 방향 중앙부에 장착함과 아울러, 하류측 압력 센서(22)를, 상기 부품 장착면(1c)에서의 길이 방향 타단부에 장착하도록 하고 있다.

특히 상기 상류측 압력 센서(21)는, 몸체 유닛(1)에 장착함으로 인하여, 그 장착면(2a)이 상기 오목부(1h)의 개구를 고리 모양의 씰 부재(SL4)를 매개로 하여 기밀하게 씰링함과 아울러, 오목부(1h) 내의 유체 저항 부재(3)를 오목부(1h)의 저면과의 사이에 눌러 끼우도록 구성하고 있다. 이것에 의해, 유체 저항 부재(3)를 전용의 뚜껑 등으로 씰링할 필요가 없고, 부품 개수의 삭감이나 조립의 간단화를 촉진하여 저비용화를 도모할 수 있다.

또, 이 상태에서, 유체 저항 부재(3)에서의 연통로(3c)가 상류측 압력 센서(21)의 압력 도입구(2a1)에 접속되고, 저항 유로(3a)보다도 상류측 내부 유로(1a(2))가 상기 연통로(3c)를 매개로 하여 상류측 압력 센서(21)에 연통되도록 구성하고 있다.

한편, 저항 유로(3a)보다도 하류측 내부 유로(1a(3))는, 몸체 유닛(1)의 길이 방향을 따라서 연신하여 유체 도출구(1e)에 도달함과 아울러, 그 도중에서 분기한 분기 유로(1i)에 의해서, 하류측 압력 센서(22)에 압력 도입구(2a1)에 접속되도록 하고 있다.

도 1에 도시하는 제어 회로(6)는, 몸체 유닛(1)과는 별개의 몸체 또는 부대(付帶)시켜 마련한 것이며, CPU, 메모리, I／O 채널, A／D 컨버터, D／A 컨버터, 그 외의 아날로그 내지 디지털 전기 회로로 구성되어 있다. 그리고, 메모리에 격납(格納)한 프로그램에 따라서 CPU나 그 외 주변기기가 협동함으로 인해서, 이 제어 회로(6)가, 상기 유량 조정 밸브(4)를 제어하여, 내부 유로(1a)의 유체 유량을 외부로부터 지시한 설정 유량이 되도록 조정한다. 이하에 그 동작의 개요를, 본 매스 플로우 콘트롤러의 동작 설명도 겸하여 간단하게 설명한다.

이 제어 회로(6)는, 각 압력 센서(21, 22)로부터의 출력 신호값을 수신하면, 그들 출력 신호값으로부터, 오프셋(offset)이나 계수 등을 고려한 소정의 변환식에 근거하여, 상기 저항 유로(3a)의 상류측 및 하류측에서의 유체의 압력을 산출한다. 그리고 그들 압력과 미리 측정하고 있는 저항 유로(3a)에서의 유체 저항값(저항 계수)이나 유체 점성 등에 근거하여, 저항 유로(3a)를 흐르는 유체의 유량을 산출한다.

한편, 오퍼레이터나 외부의 다른 기기로부터 설정 유량이 부여되면, 이 제어 회로(6)는 그 설정 유량과 상기 산출 유량과의 편차를 산출하고, 그 편차에 근거하여, 상기 산출 유량이 설정 유량에 근접하도록, 유량 조정 밸브(4)에 대해서 상기 적층 압전 소자(412)를 신축시키는 지령 신호를 출력한다. 이와 같이 하여, 밸브 안착면(42a)과 밸브 본체(41a)와의 이간 거리를 변동시켜, 이 유량 조정 밸브(4)를 흐르는 유체, 즉 이 내부 유로(1a)를 흐르는 유체의 유량을 조정한다.

그러나, 이와 같이 구성한 본 실시 형태에 의하면, 압력 센서(21, 22)를, 그 감압면(2b1)이 그 장착면(2a)에 대해서 수직으로 기립하도록 구성함과 아울러, 이들 압력 센서(21, 22)를, 평면에서 볼 때, 유체의 흐름 방향과 감압면(2b1)이 평행이 되도록, 부품 장착면(1c)에 직렬시켜 장착하고 있으므로, 감압면(2b1)을 대면적(大面積)으로 하여 고감도를 유지하면서도 폭방향의 치수를 작게 하여, 평면에서 볼 때, 가늘고 긴 형상으로 할 수 있다.

게다가, 유체 저항 부재(3)와 압력 센서(21)를, 씰 부재가 개재하지만, 실질적으로 직접 적층 배치하고 있으므로, 몸체 유닛(1)이 길이 방향으로 길어지는 것을 가급적 억제할 수 있어, 이 점에서도, 컴팩트화를 촉진할 수 있다.

또한, 그 외의 부수적인 효과로서는, 유량 조정 밸브(4)와 유체 저항 부재(3)가, 몸체 유닛(1)에서의 상기 부품 장착면(1c)에 나란히 마련되어 있으므로, 그 사이를 접속하는 내부 유로(1a)의 용적을 가급적 저감할 수 있는 것을 들 수 있다. 따라서, 유량의 검지와 유량의 제어와의 시간 차이를 저감할 수 있어, 매스 플로우 콘트롤러(100)의 제어 응답성을 큰폭으로 개선하는 것이 가능하게 된다.

또, 유량 조정 밸브(4)에 관하여 말하면, 다이어프램 부재(411b)가, 압전 소자(412)를 하우징(411a)에 기밀하게 씰링하기 위한 씰링 부재와 유량을 조정하는 밸브 본체로서의 기능을 겸비하기 때문에, 부품 개수를 삭감할 수 있고, 소형화나 공간 절약화를 도모하는 것이 가능하게 된다. 또, 하우징(411a)의 일단면에 다이어프램 부재(411b)를 일체로 성형함과 아울러, 타단면에는 기밀 유지 부재(411c.3)를 마련하고 있으므로 하우징 내의 기밀성을 확실하게 유지할 수 있다. 게다가 이 기밀 유지 부재(411c.3)를 매개로 하여 조정 나사(411c.2)에 의해 압전 소자(412)를 압인(壓引)할 수 있도록 구성하고 있으므로, 하우징 내의 기밀성을 유지하면서, 압전 소자(412)의 위치도 조정할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 감압면을 정확하게 길이 방향에 평행 또한 부품 장착면에 수직으로 할 필요는 없고, 약간 경사지게 해도, 종래에 비해 폭방향 치수를 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

또, 이론적으로는, 유량 조정 밸브를 압력 센서보다도 하류측에 마련하는 것도 가능하고, 이 매스 플로우 콘트롤러의 하류측 압력이나 상류측 압력이 일정 상태의 경우는, 압력 센서를 반드시 한 쌍 마련할 필요는 없고, 어느 한쪽에만 마련해도 상관없다. 매스 플로우 콘트롤러 뿐만 아니라, 유량 조정 밸브와 상류 또는 하류에 마련한 압력 센서에 의해서 압력 콘트롤러를 구성하는 것도 가능하다.

다시 말하면, 복수의 몸체 유닛을 그들의 측면(길이 방향에 평행한 면)끼리가 밀착 내지 근접하도록 배치하고, 복수의 유로가 병렬하도록 해도 상관없다. 또, 이와 같이 복수의 유로를 병설하는 경우에는, 각 몸체 유닛을 물리적으로 분리하지 않고, 도 11에 도시하는 바와 같이, 일체로 형성한 몸체 유닛 결합체로 해도 상관없다. 또한, 발명의 취지로부터 말하면, 이 경우에도, 1개의 유로마다 몸체 유닛이 존재하고 있다고 생각해야 하고, 해당 몸체 유닛의 길이 방향은, 평면에서 볼 때 유체의 흐름 방향과 평행한 방향인 것은 말할 필요도 없다.

그 외, 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명에 의해, 압력 측정 감도의 저하를 초래하지 않고, 폭방향 치수를 종래에 비해 비약적으로 저감할 수 있는 압력 센서나 유량 측정 기구, 혹은 매스 플로우 콘트롤러를 제공할 수 있다.

100 … 매스 플로우 콘트롤러 10 … 유량 측정 기구
1 … 몸체 유닛 1a … 내부 유로
1a(2) … 상류측 내부 유로 1a(3) … 하류측 내부 유로
1c … 부품 장착면 21, 22 … 압력 센서
2a1 … 압력 도입구 2b1 … 감압면
3 … 유체 저항 부재 3a … 저항 유로
3c … 연통로 4 … 유량 조정 밸브
6 … 제어 회로