JP2003504612A - 改良されたマスフローセンサインターフェイス回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改良されたマスフローセンサインターフェイス（「ＭＦＳＩ」）回路および方法は、ガスのマスフローレートを検知し、測定するために、およびマスフローコントローラのマスフローレートに比例する出力電圧を提供するために開示される。本発明の改良されたＭＦＳＩ回路は、上流および下流のマスフロー検知素子、回路を駆動するための精密電流源を含む。回路は、さらに、演算増幅器を含み、上流検知素子の上流電圧および下流検知素子の下流電圧を合計する。基準電圧は、演算増幅器の正のノードに電気的に接続される。上流分路抵抗器および下流分路抵抗器は、演算増幅器の負のノードにおいて共通の接合を共有し、上流および下流のマスフロー検知素子に電気的に並列接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の技術分野） 本発明は、概して、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）を操作するシステムお
よび方法に関し、より詳細には、ガスフローに対する検知抵抗器または複数の検
知抵抗器の抵抗の変化を検知することにより、マスフローコントローラ内のマス
フローを測定するシステムおよび方法である。

【０００２】 （発明の背景） 多くの製造過程は、処理ガスのフローが厳しく制御されることを要求する。そ
のためには、ガスのマスフローレートは、検知され、決定されなければならない
。ガスマスフローコントローラは、ガスの温度および圧力に実質的に依存しない
ガスのフローレートを感知し、測定をし、そのような感知および測定に基づいて
、マスフローレートを所望通りに適合させるために、ガスフローをメーターによ
って記録する。熱移動原理に基づいて操作するマスフローコントローラは、当該
分野において広く適合されている。

【０００３】 ガスのマスフローセンサの一般的な形式は、ワイヤの２つのコイルが、外側に
、互いに近接して、１つのコイルが他のコイルの上流に位置するように巻かれた
直径の小さなチューブ（毛細管チューブ）を含んでいる。コイルは、温度に敏感
な抵抗力を有する金属材料から形成される。センサに組み込まれているブリッジ
型電子回路の電子回路によってコイルが加熱され、ガスフローがない状態、つま
りブリッジ型回路についてのバランスコンディション、すなわちゼロ出力信号の
場合に、均等な抵抗が提供される。

【０００４】 毛細管チューブ内をガスが流れると、上流素子を流れ過ぎると同時に冷えた入
りガスが暖められ、この暖められたガスは次に、下流素子を通り過ぎ、結果とし
て２つの素子を差動によって冷却する。温度の差は、毛細管チューブ内を流れる
単位時間当たりの分子の数に比例する。熱したコイルの抵抗の既知の変化に基づ
いて、ブリッジ回路の出力信号は、ガスマスフローを測定し得る。

【０００５】 しかし、従来技術のマスフローセンサインターフェイス回路は、ある望ましく
ない特徴を有する。第１に、従来技術の回路は、回路が単純に検知素子を駆動す
る理想的な状態を含む。なぜなら、回路が、回路出力をゼロフローと共にゼロボ
ルトにトリムするために、検知素子と一緒に抵抗を含むからである。そうするこ
とによって、回路は、センサの明らかなゲインを含む。センサゲインは、ゼロボ
ルト／ゼロフローコンディションの制御可能であるためにトレードオフされる。
センサ出力を減衰させることは、通常望ましくない。検知抵抗器と並列に置かれ
た同じ単位で測定可能な値のインピーダンスが多すぎると、フローに対応して検
知抵抗器によって引き出され得る最大限の信号電圧は下がる。

【０００６】 第２に、従来技術の回路において、出力電力（フローに比例する）間ならびに
上流および下流の検知素子間の関係は線形ではなく、これは、従来技術の望まし
くない特徴である。上流および下流の検知素子と並列に配置される通常の抵抗値
は、検知素子の抵抗値より著しく大きくないので、検知素子と出力電圧の関係の
非線形性は、無視できない。

【０００７】 さらに、従来技術の回路は、通常３５〜７０ゲインのファクタのオーダで大量
の増幅を必要とし、ガスフローを示す０〜５ボルトの出力を生成する。これは、
追加の回路および複雑性を必要とする。これらの従来技術の回路は、検知回路か
らの出力が高入力インピーダンス増幅器段に接続されていることを必要とする。
なぜなら、上流および下流の検知素子の共通の接合ポイントに配置される任意の
ロードが、検知出力の低下および回路非線形性を増加させるからである。

【０００８】 さらに、従来技術の回路は、ゲイン制御ポテンシオメータ（ｐｏｔｓ）を用い
て手動で較正するように設計される。さらに、ゼロボルト／ゼロフローのコンデ
ィションも、オペレータによってマルチメータを用いて手動で調整される。これ
は結果として、ゲインおよびゼロ制御素子（ポテンシオメータ）のドリフトによ
って不正確なマスフロー値が生じる機会を増大させると共に、回路および複雑性
を増大させる。

【０００９】 従来技術の回路はさらに、両方の検知素子に共通の外界温度の逸脱の影響を受
けやすい。従来技術のマスフロー検知回路が、見掛け上の接地および可変抵抗器
によってゼロ出力に任意にトリムされ得る本質的な電圧分割器であるので、任意
の外界温度の変化は、回路出力電圧に反映される。これは、従来技術のシステム
が、検知抵抗器の抵抗の絶対変化を比較するから生じる。このような場合、両方
の素子が均等に冷却または過熱されても、それぞれの絶対抵抗変化は、異なるで
あろう。

【００１０】 図１は、従来技術のフロー検知ブリッジ回路１００の基本トポロジーを示す。
フロー検知ブリッジ回路１００は、理想的な電流源２０によって駆動される、修
正されたホイートストンブリッジである。理想的な電流源は、とても高い内部イ
ンピーダンスによって特徴づけられ、それは、その出力電流がロード全体におい
て、電圧低下の変化によって変化しないということである。理想的電流源２０は
、従って、ロード全体の電圧低下に関係なく、同じ電流を供給し得る。

【００１１】 図１の従来技術のフロー検知ブリッジ回路１００のある分岐は、２つの検知素
子、Ｒ_UおよびＲ_Dを含む。これらの検知素子は、ガスフローを検知するために用
いられ、毛細管チューブの外側に巻かれた上流および下流の検知コイルのそれぞ
れの動的抵抗値の典型である。Ｒ_Uは上流検知素子を表現し、Ｒ_Dは下流検知素子
を表現する。上流検知コイルは、ガス流フローによって、下流検知コイルよりも
冷却される。従って、Ｒ_Uの抵抗値は、Ｒ_Dの抵抗値より小さい。ガスフローがな
いと、Ｒ_UはＲ_Dと同等であり、ブリッジは可変抵抗器ＲＶ１によって平衡を保た
れる。ノンゼロフローコンディション下において、従来技術の検知ブリッジ回路
１００の出力電圧ｅ_out３０は、下記の式１によって得られる。式１に示される
ように、出力電圧ｅ_out３０と（Ｒ_U−Ｒ_D）との間の関係は、非線形である。

【００１２】

【数１】 フロー検知ブリッジ回路１００の別の分岐は、抵抗器Ｒ８、Ｒ９および可変抵
抗器ＲＶ１を含む。可変抵抗器ＲＶ１のインピーダンス値は、抵抗器Ｒ８および
Ｒ９の値のほんの一部分でしかない。可変抵抗器ＲＶ１は、出力電圧ｅ_out３０
がゼロとなるように、フロー検知ブリッジ回路１００のオフセットを適合させる
ために用いられる。抵抗値Ｒ１は、抵抗器Ｒ８および可変抵抗器ＲＶ１のワイパ
ーアームの抵抗器Ｒ８側の上にある可変抵抗器ＲＶ１の一部分を組み合わせた値
を表現する。そして、抵抗値Ｒ２は、抵抗器Ｒ９および可変抵抗器ＲＶ１のワイ
パーアームの抵抗器Ｒ９側の上にある可変抵抗器ＲＶ１の一部分を組み合わせた
値を表現する。通常、Ｒ１およびＲ２の値は、検知抵抗器Ｒ_UおよびＲ_Dの値も約
８倍大きい。さらに、抵抗器Ｒ_Pは、センサ抵抗器Ｒ_UおよびＲ_Dならびに抵抗器
Ｒ８およびＲ９と並列に接続される。Ｒ_Pの値は、Ｒ１およびＲ２の値より約４
倍も大きい。回路の非線形性は、従って、無視できない。

【００１３】 上記の式１に見られ得るように、出力電圧ｅ_out３０と検知素子抵抗Ｒ_Uおよび
Ｒ_Dとの間の関係は、もともと非線形である。さらに、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dと
並列に接続される抵抗器ＲＶ１、Ｒ８、Ｒ９およびＲ_Pは、検知素子Ｒ_UおよびＲ _D の影響を低下する。理論上、回路電流の全体は、最大出力信号を得るために、
検知素子Ｒ_UとＲ_Dとの間を通り抜けるべきである。図１は、従って、検知素子Ｒ _U およびＲ_Dと並列に抵抗を用いることによる出力電圧ｅ_out３０の削減と同様に
、従来技術の非線形特性も明示する。

【００１４】 図２は、図１の従来技術のフロー検知ブリッジ回路１００のさらに詳細な表現
である。理想的な電流源２０の各構成要素は、詳細に示される。フロー検知ブリ
ッジ回路１００に適用される電流の大きさは、抵抗器Ｒ１００の全体に適用され
る基準電圧源（＋５ Ｖｒｅｆ）３２から引き出される電圧によって制御される
。可変抵抗器ＲＶ１のワイパーは、演算増幅器Ｕ３およびトランジスタＱ２によ
って制御されるみかけの接地を提供する。キャパシタＣ１は、固定フィードバッ
ク（遅延保証）を提供する。ブリッジ出力電圧は、抵抗器Ｒ１１およびキャパシ
タＣ２によってフィルタリングされる。抵抗器Ｒ１１およびキャパシタＣ２から
なるフィルタは、約６００Ｈｚとおおよそ等しい−３ＤＢカットオフ周波数を提
供する。ｅ_out３０は、フィルタリングされた出力電圧である。

【００１５】 ＋５ボルト基準電圧３２は、−５ボルトになるように演算増幅器Ｕ１によって
反転される。演算増幅器Ｕ１の−５ボルト出力は、抵抗器Ｒ２００全体の電圧低
下と比較される。もっとも留意すべきは、演算増幅器Ｕ１の−５ボルト出力が、
演算増幅器Ｕ２の出力において名目的に＋１．２７７５ボルトになるまで、スケ
ールを縮小されることである。演算増幅器Ｕ２の出力は、ちょうど１．２７７５
ボルトではないが、トランジスタＱ１が、抵抗器Ｒ９全体の電圧低下が−５ボル
ト基準（演算増幅器Ｕ２によってスケールを低下され、反転された）と等しくな
る様態で、基準抵抗器Ｒ_rおよび残りのフロー検知ブリッジ回路１００を通して
電流を制御する原因となる。従って、１００キロオーム抵抗器であり得る基準抵
抗器Ｒ₈全体の低下は、精密に１．２７７５ボルトである。その結果、基準抵抗
器Ｒ_r全体の電流は、１２．７７５ｍＡ公称である。図２の残りの抵抗器は、前
記の別の抵抗器と同様にＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ１０、Ｒ１２および
Ｒ１４であり、全て１％抵抗器である。

【００１６】 理想的な電流源２０は、回路によって駆動されるロードに関係なく、一定な電
流減を提供する。これは、演算増幅器Ｕ２、トランジスタＱ１、電流基準抵抗器
Ｒ_rならびにスケーリング構成要素Ｒ３、Ｒ４、Ｒ６およびＲ７からなるフィー
ドバック制御回路が、電圧低下を電流基準抵抗器Ｒ_r全体で１．２７７５ボルト
公称に保持するからである。回路パラメータが、構成要素の値の線形演算範囲内
に残る限り、電流基準抵抗器Ｒ_r全体における電流の値は、精密に制御され、一
定の値のままである。

【００１７】 任意のインピーダンスが、図２にあるような理想的な電流源によって駆動され
、その結果の出力信号がさらなる処理に用いられる場合、信号処理増幅器のため
に別の電圧基準が必要である。従来技術の回路の電圧基準は、可変抵抗器ＲＶ１
によって提供される。電圧基準は、現実上のまたは仮想上のいずれでもあり得る
。図１に示されるように、回路は、可変抵抗器ＲＶ１のワイパーアームにおいて
接地をすることなく、まったく規定されない回路を表現する。

【００１８】 演算増幅器Ｕ３およびトランジスタＱ２からなる回路は、可変抵抗器ＲＶ１に
おいて仮想上の接地を生成する。仮想上の接地は、ＲＶ１のワイパーにおける電
圧を、演算増幅器Ｕ３の正の入力ノードにおける潜在的な接地と比較することに
よって生成される。演算増幅器Ｕ３の出力は、トランジスタＱ２を駆動し、演算
増幅器Ｕ３の正のノードと負のノードとの間の電圧をゼロまで低下するような様
態で制御される。

【００１９】 演算増幅器は通常、示差ノード電圧とよばれる、一万回から百万回までの任意
の回数の開ループゲインファクターを有する。理論上、可変抵抗器ＲＶ１の潜在
的なワイパーは、ゼロボルトに保持される。ゼロからの偏差は小さく、無視でき
る。フロー検知ブリッジ回路１００電圧は、従って、およそゼロボルトである。

【００２０】 フロー検知ブリッジ回路１００の出力は、上流および下流フローセンサ抵抗器
Ｒ_UおよびＲ_Dの接合において獲得される。フロー検知ブリッジ回路１００は、可
変抵抗器ＲＶ１によってゼロフローにおいて平衡を保持され、可変抵抗器ＲＶ１
のワイパーに存在するゼロ電圧は、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dの接合に反映される。
この特徴は、ホイートストンブリッジに固有の特性である。しかし、上流検知素
子Ｒ_Uの抵抗値が下流検知素子Ｒ_Dの抵抗値より小さくなることにより、平衡がオ
フセットされる場合、フロー検知ブリッジ回路１００の別の分岐が前設定バラン
スを保持する間、バランスの取れた状態からの偏差は、出力電圧、ｅ_out３０と
して現れる。

【００２１】 図１に戻って、いくつかの典型的なインピーダンス値は、それぞれ約４．０７
ｋΩであるＲ１およびＲ２に適して含まれる。抵抗器Ｒ８およびＲ９はそれぞれ
、４．０２ｋΩの抵抗器であり、可変抵抗器ＲＶ１は１００Ωである。回路が完
全にバランスが取れ、均等であれば、ＲＶ１の５０ΩはＲ８に振り分けられ、５
０ΩはＲ９に振り分けられ、従って、４．０７ｋΩ値はＲ１およびＲ２に振り分
けられる。Ｒ_Pは通常、約１７．４ｋΩであり、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dはそれぞ
れ、使用温度において約５００Ωである。

【００２２】 検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dを流れる電流の１つの目的は、ガスフローが検知素子Ｒ _U およびＲ_Dを示差的に冷却、従って、ガスフローを検知し得るように、それらを
加熱することであるとはっきり理解されたい。しかし、インピーダンスＲ１およ
びＲ２は、Ｒ_UおよびＲ_Dの約８倍でしかなく、従って、それらの分路効果は無視
できず、実際かなり大きい。分路効果は、従来技術の回路の制限である。なぜな
ら、出力電圧ｅ_out３０の値を低下するからである。

【００２３】 （発明の要旨） センサ出力電圧を増加させ、ずっと小さい分路効果を提供することによる出力
信号低下に関連した従来技術の問題点を排除する性能を提供する改良されたマス
フローインターフェイス回路の必要性が存在する。これは、上流検知素子および
下流検知素子と並列に接続された非常に大きな抵抗を使用することで達成され得
、し、それにより理想的な電流源の全体の有効性が増大する。

【００２４】 従来技術のマスフローセンサインターフェイス回路に存在する非線形性を排除
する改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のさらなる必要性が存在
する。検知素子と並列のずっと大きな抵抗を使用することで、非線形性効果は従
来技術の回路から大きく低減され得る。

【００２５】 ゼロ調整および利得調整を使用して回路を手動で較正する必要性を排除する改
良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる必要性が存在す
る。それにより、温度による従来技術の回路部に関連したドリフトの問題が排除
され、さらに調整可能な抵抗器により影響しそうな振動に対する敏感性が低減さ
れる。

【００２６】 同様に、周囲の温度変化に対して本来鈍感な改良されたマスフローセンサイン
ターフェイス回路のなおさらなる必要性が存在し、それにより、従来技術の回路
に関連した温度ドリフトの問題を排除する。これは、回路部が、周囲温度が変化
しやすい包囲された状態で作動する場合に特に有利である。

【００２７】 ガスフローを示す信号を生成するために、回路出力電圧の大規模な増幅を必要
としない改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる必要
性が存在し、従って、ブリッジインピーダンスよりもずっと大きな入力インピー
ダンスを有する増幅器による出力電圧信号をさらに処理する必要性が排除される
。

【００２８】 本発明によれば、以前に開発されたマスフローセンサインターフェイス回路に
関連した欠点および問題を実質的に排除または低減するマスフローセンサインタ
ーフェイス回路が提供される。特に、本発明は、改良されたマスフローセンサイ
ンターフェイス回路、およびマスフローコントローラ中のガスフローレートに比
例する出力電圧を提供するガスのマスフローレートを検知し、測定する方法を提
供する。

【００２９】 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路は、上流のマスフ
ロー検知素子、下流のマスフロー検知素子、および回路を駆動する精密電流源を
含む。回路はさらに、上流のマスフロー検知素子の上流電圧および下流のマスフ
ロー検知素子の下流電圧を合計する演算増幅器段をさらに含む。基準電圧は、演
算増幅器の正のノードに電気的に接続される。上流分路抵抗器および下流分路抵
抗器は演算増幅器の負のノードにおいて共通の接合を共有し、上流のマスフロー
検知素子および下流のマスフロー検知素子に並列に電気的に接続される。

【００３０】 本発明は、基準電圧源と演算増幅器の正のノードとの間で電気的に接続された
基準抵抗器、および出力と演算増幅器の正のノードとの間で電気的に接続された
フィードバック抵抗器をさらに含む。上流検知素子および下流検知素子にわたる
抵抗変化に比例する（従って、ガスマスフローレートに比例する）出力電圧は、
演算増幅器の出力として提供される。本発明の改良されたマスフローセンサイン
ターフェイス回路は、上記のような従来技術の回路に比べて、より線形性の出力
、より大きな感度、より大きな信頼性、およびより良好な精度を提供する。

【００３１】 上流検知素子の上流電圧および下流検知素子の下流電圧は＋２．５ボルトに基
準化され、演算増幅器によって加算される。演算増幅器のノード電圧は＋２．５
ボルトに維持され、負のノードは見掛け上の接地として働く。

【００３２】 本発明のマスフローセンサインターフェイス回路の感度は、このような従来技
術の回路の感度を大幅に上回ることが可能である。上流検知素子および下流検知
素子と並列に置かれた分路抵抗器が回路の感度に及ぼす影響は最小である。分路
抵抗器の値は、従来技術の回路における上流検知素子および下流検知素子のイン
ピーダンスの値の合計によって引き起こされた非線形応答が実質的に減少される
という結果により、典型的には検知素子の約１００倍になり得る。本発明の改良
された利得は、演算増幅器のフィードバック抵抗器の適切な選択によって増加さ
れ得る。

【００３３】 精密電流源は、上流検知素子および下流検知素子を通る一定電流を維持するよ
うに設計されたひと続きの抵抗器および演算増幅器をさらに含む。さらに、信号
調整増幅器は、出力信号をアナログ−デジタル変換器に送信する前に、上流検知
素子および下流検知素子における抵抗変化から誘導された出力信号を調整するた
めに使用され得る。

【００３４】 本発明は、センサ出力電圧を増加し、上流検知素子および下流検知素子と並列
に接続された非常に大きな抵抗の使用によるずっと小さな分路効果を提供するこ
とによって出力信号の低減に関連した従来技術の問題を排除する性能を提供する
改良されたマスフローインターフェイス回路に関する重要な技術的利点を提供し
、それにより、理想的な電流源の全体の有効性が増大する。

【００３５】 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる技
術的利点は、従来技術のマスフローセンサインターフェイス回路に存在する非線
形性を排除する。検知抵抗器と並列なずっと大きな抵抗を使用することにより、
非線形性効果は従来技術の回路を大きく下回る。回路を駆動する理想的な電流源
は、検知抵抗器がその電流源から見てより高いインピーダンスを示すので、より
理想的にされる。

【００３６】 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる技
術的利点は、ポテンシオメーターを使用して、ゼロフロー位置／ゼロトリム位置
について回路を手動で較正する必要性を排除し、それにより、ポテンシオメータ
を誤調整させ得る温度および回路のバンピング、またはジャーリング（ｊａｒｒ
ｉｎｇ）による従来技術の回路部に関連したドリフトの問題を排除する。

【００３７】 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる技
術的利点は、周囲の温度変化に対して本来鈍感であることであり、それにより、
従来技術の回路部に関連した温度ドリフトの問題を排除する。これは、回路部が
、周囲温度が変化しやすい包囲された領域で作動する場合に特に有利である。

【００３８】 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のなおさらなる技
術的利点は、ガスフローを示す信号を生成するために、回路出力電圧の大規模な
増幅を必要としないことであり、従って、ブリッジインピーダンスよりもずっと
大きな入力インピーダンスを有する増幅器による出力電圧信号をさらに処理する
必要性が排除される。

【００３９】 （発明の詳細な説明） 本発明の好適な実施形態を図に図示する。同じ参照符号を用いて、異なる図面
の同様および対応する部材を参照する。

【００４０】 本発明は、従来技術の任意の同様な回路より、感度が高く、複雑でなく、より
信頼性の高い、改良されたマスフローセンサーインターフェース回路を提供する
。本発明のマスフローセンサーインターフェース回路は、本質的に周囲温度の変
化に鈍感で、従来技術の回路における感度の約２倍の出力電圧信号を供給する。
本発明は、従来技術の回路において現存する非線形の影響を実質的に減らし、従
来技術の回路のゲインポット（ｇａｉｎ ｐｏｔ）における手動の調整および較
正の必要性をなくすことによって、信頼性および精度を向上させる。したがって
、本発明の改良されたマスフローインターフェース回路は、従来技術の回路より
も、簡単で、正確で、感度が高く、信頼性が高い。

【００４１】 図３は、本発明の改良されたマスフローセンサーインターフェース回路のブリ
ッジトポロジーを図示する。検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dならびにそれぞれ値Ｒのブリ
ッジ抵抗器４６、４８は、ｉ電流源２０に接続される。Ｒ_UおよびＲ_Dの接合は、
見掛け上の＋２．５Ｖソース５６に接続される。ブリッジ抵抗器４６および４８
の接合は、オペアンプＵ３の負のノードに接続される。別の抵抗器５０は、負の
ノードＵ３とその出力との間に接続される（フィードバック抵抗器）。見掛け上
の＋２．５Ｖソース５６は、値Ｒ／２の抵抗器５８を介してオペアンプＵ３の正
のノードに接続される。正のノードは、また、値２Ｒの抵抗器５４を介して２．
５Ｖ ＲＥＦ５２に接続される。このトポロジーは、＋２．５Ｖソース５６にお
ける変化によって生じる任意の共通モード電圧変動を拒否する、慎重な平衡差動
増幅器を形成する。上記の増幅器の出力―入力伝達関数は、 ｅ_out ＝ ２ ＊ （Ｖ_D―Ｖ_U）＋２．５Ｖ ＲＥＦ ［式２］ によって与えられ、ここで、Ｖ_Dは下流センサー電圧で、Ｖ_Uは上流センサー電圧
である。

【００４２】 したがって、本発明の改良されたマスフローセンサーインターフェース回路の
主な利点は、回路から利用可能な出力信号ｅ_out３０がほぼ２倍になり得ること
である。さらに、従来技術のｅ_out３０と並列抵抗器との間の関係によって生じ
る非線形の影響は、約１００倍減少する。出力電圧ｅ_out３０のバイアスは、ま
た、２．５ボルトまで上昇し、本発明によって使用されるように意図されるアナ
ログ―デジタルコンバータに対して新たなシステム基準を作成し得る。

【００４３】 さらに、図３に示される本発明の改良されたマスフローセンサーインターフェ
ース回路は、オフセット平衡を提供するための従来技術のゲインポットの手動調
整に関連する問題を排除する。図１の可変抵抗器ＲＶ１のような可変抵抗器の使
用を排除することによって、本発明は、可変抵抗器に関連する時間における安定
性の欠如および温度の問題を排除する。したがって、異なる温度で必要とされ得
るのと同じ平衡をある温度において有しないという問題が、排除される。

【００４４】 従来技術の回路において使用される可変抵抗器は、本発明において使用される
精密、高耐性、高安定性抵抗器と同じほどには、温度または時間のいずれかに対
して安定ではない。したがって、本発明の改良されたマスフローインターフェー
ス回路は、自動ゼロを提供することによって、温度に応じて、または、経時的に
発達し得る多くの潜在的なエラーを排除する。本発明の回路は、極性が反対であ
る上流検知素子Ｒ_Uおよび下流検知素子Ｒ_Dにわたる電圧降下を実質的に加える。
したがって、センサーの出口が等しい場合、回路は本質的にゼロにトリム（ｔｒ
ｉｍ）される。明らかに、その出力にはわずかに変動が存在し得るが、これらの
変動は無視できる。なぜなら、これらの変動は、回路の外部で補償され得るから
である。ゼロオフセットは、本発明の改良されたマスフローセンサーインターフ
ェース回路がその一部であるマスフローコントローラを制御するために使用され
るソフトウェアによって、除去され得る。

【００４５】 さらに、固有の線形回路を提供することによって、本発明の改良されたマスフ
ローセンサーインターフェース回路は、理想に極めて近い回路を提供する。本発
明の改良されたマスフローセンサーインターフェース回路からの出力電圧信号に
対する式は、 ｅ_out＝２．５―２ｉ（Ｒ_U―Ｒ_D）／（１＋（Ｒ_U＋Ｒ_D）／２Ｒ） ［式３］ で与えられる。

【００４６】 上の式３は、項（Ｒ_U―Ｒ_D）に対する感度が従来技術の約２倍であることを示
す。また、感度に関する抵抗器４６および抵抗器４８の影響は非常に小さく、項
（Ｒ_U＋Ｒ_D）によって生じる非線形応答を減らす際に重要である。最後に回路ゲ
インは、フィードバック抵抗器５０の適切な選択によって増加され得る。典型的
には、フィードバック抵抗器５０および基準抵抗器５４の値は、抵抗器４６およ
び４８の２倍である。実際的には、本発明の改良されたマスフローセンサーイン
ターフェース回路は、出力電圧に対する［２ｉ（Ｒ_U―Ｒ_D）］値にほぼ近くなる
。これは、式３の分母における（Ｒ_U＋Ｒ_D）項がＲの２倍で減少し、（Ｒ_U＋Ｒ_D ）／（２Ｒ）の比は、約０．０１であるからである。したがって、この非線形の
影響は、１００倍減少する。抵抗器４６および抵抗器４８の抵抗値は、回路設計
制限内の任意の選択である。抵抗値は極めて大きくなり得、Ｒが極めて大きくな
るにつれて、分母における項（Ｒ_U＋Ｒ_D）／（２Ｒ）はゼロになり、さらに回路
の非線形性を減少させる。図３の因子「２」は、また、式３の抵抗器５０および
抵抗器５４の値を２Ｒより大きな値に増加させることによって、増加させ得る。
信号調整ステージのゲインは抵抗器５０と抵抗器４６（４８）の比によって制御
される。抵抗器５４の値は、増幅器回路の平衡を維持するために、常に５０の抵
抗値にマッチングされる。

【００４７】 図４は、本発明の改良されたマスフローセンサーインターフェース回路が検知
素子Ｒ_Uおよび検知素子Ｒ_Dを通る電流をどのように正確に制御するかを図示する
精密電流源４０の回路図である。図４に示されるように、精密基準電圧源５２を
用いて、制御電流を制御し、かつ、オペアンプＵ₃の負のノードにおいて２．５
ボルトのダイナミックな見掛け上の接地を確立する。

【００４８】 図４に示される精密源のインプリメンテーションにおいて、従来技術と同様に
、電流測定抵抗器Ｒ_rにわたる電圧降下は、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dを流れる電流
を測定するように生じる。しかし、電流測定抵抗器Ｒ_rの配置は、電流測定抵抗
器Ｒ_rがトランジスタＱ１のエミッタに続く従来技術（図２に示す）とは変更さ
れる。図４に示される本発明の実施形態において、電流測定抵抗器Ｒ_rは、トラ
ンジスタＱ２のエミッタに接触するように配置され、それにより、回路の負の端
部に存在する。これは、本発明の改良されたマスフローセンサー回路がペデスタ
ル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）基準電圧を＋２．５ボルト上昇させるので必要である。

【００４９】 回路を通る電流は、演算増幅器ステージＵ１およびＵ２、トランジスタＱ１、
基準電圧源５２、電流測定抵抗器Ｒ_rによって制御される。電流測定抵抗器Ｒ_rは
、中心に対して回路の負の端部に配置され、演算増幅器Ｕ１のために正の供給電
圧余裕を確保する。マスフローインターフェース回路１００は、２．５ボルトで
基準にされるので、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dの各々の電圧降下は約５ボルトであり
、トラジスタＱ１のエミッタ電圧は＋７．５ボルトであり、トラジスタＱ１のベ
ース電圧は＋８．２ボルトである。正の供給電圧は、＋１２ボルトまで低くあり
得るので（＋１５ボルト供給電圧値は公称である）、演算増幅器ステージＵ１は
、最大の正の出力近傍で作用される。トランジスタＱ１のエミッタ電圧を押出す
任意のさらなる電圧降下およびそれとともに演算増幅器Ｕ１の出力電圧は、オペ
アンプＵ１の線形動作範囲のマージンを減少させ得る。演算増幅器Ｕ１およびＵ
３は線形範囲に作用し、それで、一般的に、これらの２つの演算増幅器に対する
供給電圧が切れる問題がない。

【００５０】 電流測定抵抗器Ｒ_rの位置は変更されたが、回路を流れる電流はトラジスタＱ
１を通って制御されるままである。従来技術と同様に、演算増幅器Ｕ１が電流測
定抵抗器Ｒ_rにわたる差を検知するように、精度＋２．５ボルトの基準電圧のあ
るレベルの変換は行なわれるが、オペアンプＵ１は、ある量の電圧分、下方にシ
フトしたこの差を検知する。しかし、演算増幅器Ｕ１は、電流測定抵抗器Ｒ_rに
わたる差に対してのみ敏感であり、それにより、演算増幅器Ｕ２とともに、さら
に電流を制御する。演算増幅器Ｕ２は、トランジスタＱ２のエミッタ電圧（すな
わち、電流測定抵抗器Ｒ_rの下端）を越える正確な２．５ボルトであり、演算増
幅器Ｕ１の正のノードに与えられる、出力を生成する。電流測定抵抗器Ｒ_rの上
の電圧は、オペアンプＵ１の負のノードに与えられる。これに起因して、演算増
幅器Ｕ１は、電流検知素子Ｒ_rにわたる正確な２．５ボルト降下を生成するトラ
ンジスタＱ１の補助により電流を生成しなければならない。検知素子Ｒ_Uおよび
Ｒ_Dの接合点において存在する電圧は、演算増幅器Ｕ４およびトランジスタＱ２
によって制御される。これは、Ｕ４の負のノードにおいて検知素子Ｒ_UおよびＲ_D の接合電圧と組み合わされた演算増幅器Ｕ４の正のノードに接続される基準電圧
源５２によって、為される。

【００５１】 抵抗器Ｒ２および抵抗器Ｒ７は値（約５０ｋΩ）において等しく、上記の図３
の一部として議論されるようなノードバイアス電流によって生じる電圧降下を排
除するように使用され得る。規格１％値抵抗器は、回路全体にわたって使用され
得る。他の抵抗値抵抗器が使用され得るが、それらの全ては、図４に示される同
じ抵抗値または比率である必要がある。抵抗器Ｒ２は、キャパシタＣ４に安定化
フィードバックを提供するために、演算増幅器Ｕ４の負のノードに必然的に取り
付けられ、抵抗値をマッチングさせることによって演算増幅器Ｕ４のノード間の
オフセット電圧にマッチングするためにオペアンプＵ４の正のノードにおいて使
用される。

【００５２】 周波数敏感フィードバックは、マスフローセンサー回路１００の高周波数ノイ
ズの影響を最小化する必要がある。マスフローセンサー回路１００は高周波ノイ
ズの幾つかのソース含み、演算増幅器Ｕ１、Ｕ２、Ｕ４を含む。同様に、トラン
ジスタＱ１およびＱ２は、高周波ノイズを生成し得る。回路における抵抗器でさ
え、ある高周波ノイズを生成し得る。さらに、マスフローセンサー回路１０には
示さないが、演算増幅器Ｕ１、Ｕ２、Ｕ４およびトランジスタＱ１およびＱ２の
本質的な部分である時間遅延および他のフィルタリング効果が回路に対して暗示
的に存在する。これらの時間遅延およびフィルタリング効果が、極めて高い周波
数で生じ、マスフローセンサー回路１００はある程度高い周波数で不安定になり
得、回路を通る定電流において望ましくない発振を生成し得る。演算増幅器Ｕ３
の負のノードに取りつけられた抵抗Ｒ２およびＣ４によって提供された負のフィ
ードバックは、比較的に低い周波数において全体の応答を規定し、回路のノイズ
寄与構成要素を圧倒する。

【００５３】 この点に関して、演算増幅器Ｕ３および抵抗器Ｒ２に関連するキャパシタＣ４
の全体の影響は、マスフローセンサー回路１０を安定化する。時間遅延または他
の寄与要因に起因してマスフローセンサー回路１００における任意の発振傾向が
存在する場合、このフィードバック回路部によってそれらは削減または排除され
る。

【００５４】 演算増幅器Ｕ２の出力は、トランジスタＱ２のエミッタ電圧より正確に＋２．
５ボルトだけ正である。演算増幅器Ｕ１はレベルトランスレータであり、その出
力はトランジスタＱ１のベース電圧を制御し、それにより、トランジスタＱ１の
エミッタ電流は、電流測定抵抗器Ｒ_rを介して正確に２．５ボルトの電圧降下を
生成する。

【００５５】 演算増幅器Ｕ４は、レベルトランスレータとして機能する。その正のノードは
、＋２．５ボルト基準電圧源５２に接続され得、その負のノードは、上流検知素
子Ｒ_Uおよび下流検知素子Ｒ_Dの共通接合点に接続され得る。演算増幅器Ｕ４の出
力は、ＰＮＰトランジスタＱ２のベースを駆動し、それにより、上流検知素子Ｒ _U および下流検知素子Ｒ_Dは、＋２．５ボルト（すなわち、見掛け上の＋２．５ボ
ルト）である。示されるように、図４の精密電流源に関連するすべての抵抗器は
、摂氏温度当たり０．１％、２５ｐｐｍの精密構成要素である。他の構成要素値
は、また、使用され得る。

【００５６】 図５は、図３の演算増幅器Ｕ３の詳細回路図である。図５の演算増幅器Ｕ３は
、図３の演算増幅器Ｕ３と同様である。演算増幅器Ｕ３は、信号調整増幅器とし
て機能し、ツェナーダイオードＤ１、Ｄ２ならびにキャパシタＣ５、Ｃ６および
抵抗器Ｒ９〜Ｒ１４を含む。抵抗器Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ
１４は精密抵抗構成要素である。演算増幅器Ｕ３の公称ゲインは、×２．００４
である。キャパシタＣ４およびＣ６は、１．５９ｋＨｚにおけるカットオフ周波
数を有するアクティブフィルタ機能を提供する。別の低域通過フィルタは、抵抗
器Ｒ１１およびキャパシタＣ５で形成される。このフィルタのカットオフ周波数
は１５．９ｋＨｚである。

【００５７】 ダイオードＤ１およびＤ２は、演算増幅器Ｕ３の最大出力電圧を＋２．５ボル
ト±２．４ボルトに制限する。これは、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dの一方が開回路ま
たは断線されるようになる場合に必要である。その場合、演算増幅器Ｕ３の出力
は、演算増幅器Ｕ３によって駆動されるサブアセンブリ（例えば、アナログ―デ
ジタルコンバータ）を破壊し得る電圧レベルにされ得る。

【００５８】 入力における開回路において、ツェナーダイオードＤ１およびＤ２は、ツェナ
ー電圧で極めて早く、極めて正確に破壊され得る。したがって、演算増幅器Ｕ３
は高い正になる場合、ツェナーダイオードＤ１はツェナーダイオードとして機能
する。しかし、ツェナーダイオードＤ２は、従来のダイオードのように順方向に
動作し、それにわたる降下は約０．６ボルトである。全体の影響は、回路がノー
ド電圧を越える２．５ボルトで演算増幅器Ｕ３の出力をクランプ（ｃｌａｍｐ）
し、それは２．５ボルトで維持されることである。したがって、マスフローセン
サー回路１００は、演算増幅器Ｕ３からの＋２．５ボルト±２．４ボルトの出力
を提供する。本質的に、その出力電圧は、ゼロから５ボルトまで制限される。こ
のように、演算増幅器Ｕ３の出力に接続されたアナログ―デジタルコンバータの
入力は保護され、オーバードライブされない。

【００５９】 図５の抵抗器Ｒ９および抵抗器Ｒ４は、図３の抵抗器５０および５４と同様で
ある。同様に、抵抗器Ｒ１２およびＲ１３は、図３にラベルされた抵抗器４６お
よび４８の加算抵抗器である。

【００６０】 したがって、図５に示されるような本発明の演算増幅器Ｕ３は、アナログ―デ
ジタルコンバータに接続されたマスフローセンサー回路１００の出力３０を制限
する利点を提供する。これは、検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dならびにマスフローセンサ
ー回路１００を含む回路基板が、２つの異なる物理アセンブリであり得る確率が
存在するので、為され得る。したがって、回路基板は、検知素子Ｒ_UまたはＲ_Dの
いずれかが接続されることなく、電源供給され得ることが想像され得る。したが
って、ある保護は、例えば、上流検知素子Ｒ_Uが接続されるが、下流検知素子Ｒ_D が切断された（またはその逆）等の、さまざまな組み合わせに提供され、これは
、ある極めて変な電圧の揺れを回路部に導入する。

【００６１】 この危険は、検知素子の一方、他方、または両方が回路基板から切断される場
合に存在する。

【００６２】 要するに、本発明は、改良されたマスフローセンサーインターフェース回路を
提供する。本発明の改良された改良されたマスフローセンサーインターフェース
回路は、また、出力電圧と分路抵抗器との間の回路部における非線形性を減少し
、回路を平衡にするための手動調整可変抵抗器に対する必要性を排除し、従来技
術の回路に影響を与え得、そして、実際に与え、周囲温度の変化に本質的に鈍感
である。本発明において、正確に制御された電流は、直列に接続された上流検知
素子Ｒ_Uおよび下流検知素子Ｒ_Dを通過し、それにより、電流は、始めに上流検知
素子Ｒ_Uを通過し、次いで、下流検知素子Ｒ_Dを通過する。２つの検知素子の接合
は＋２．５ボルトで保持され、その結果、＋２．５ボルトよりも大きい上流検知
素子Ｒ_Uにわたる電圧降下Ｖ_Uおよび＋２．５ボルトよりも小さい下流検知素子Ｒ _D にわたる電圧降下Ｖ_Dが生じる。電圧Ｖ_UおよびＶ_Dは、演算増幅器Ｕ３の加算ノ
ードで加算される。マスフローインターフェース回路電流制御ループにおける演
算増幅器ステージおよびトランジスタが確実で十分な動作範囲であるように、検
知素子Ｒ_UおよびＲ_Dならびに電流制御抵抗器Ｒ_rは配置される。同じ＋２．５ボ
ルト基準電圧源は、測定電流、センサー出力のバイアス点、回路出力に接続され
たアナログ―デジタルコンバータの感度を決定する。したがって、基準電圧にお
ける任意の変化は、回路の全体の性能に最小の影響を与えるか、または、まった
く影響を与えない。より大きい感度およびプログラム可能なゲインを有するアナ
ログ―デジタルコンバータが、マスフローコントローラシステムにおいて使用さ
れるという事実は、より低いゲイン増幅器Ｕ３の使用において暗示的である。

【００６３】 本発明は、マスフローコントローラにおいて使用され得る。さまざまなマスフ
ローコントローラは、市場に存在している。マスフローコントローラは、フロー
検知信号を線形化するのを支援するための線形化回路を含み得る。１９９９年７
月９日にＴ．Ｔ． Ｐａｔｔａｎｔｙｕｓらによって出願された、タイトル「Ｓ
ｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｒｅｓｐｏｓｅ
Ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ」の米国特許出願第０９／３５０，７４７号を特に
参照する。マスフローコントローラは、また、検知されたフロー信号を補正して
、マスフローコントローラを通る実際の流量をより正確に概算する微分コントロ
ーラを含み得る。１９９９年７月９日にＥ． Ｖｙｅｒｓによって出願された、
タイトル「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ
Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」の米国特許出願第０９／３５１
，１２０号に開示される微分コントローラを特に参照する。ＰＩコントローラは
、また、マスフローコントローラにおけるバルブを制御するためのバルブ駆動信
号を生成するために、マスフローコントローラ内に含まれ得る。そのＰＩコント
ローラは、マスフローコントローラの応答速度を増加し得、バルブ駆動信号に対
するバルブの非線形応答を補償し得る。１９９９年７月９日にＥ． Ｖｙｅｒｓ
によって出願された、タイトル「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ
Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ―Ｉｎｔｅｇｒａｌ
（ＰＩ） Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」の米国特許出願第０９／３５１，０９８号に
開示されたＰＩコントローラを特に参照する。最後に、マスフローコントローラ
のバルブ駆動信号はバルブ駆動回路部に入力され、ソレノイド活性化バルブを制
御する。１９９９年７月９日にＴ．Ｔ． Ｐａｔｔａｎｔｙｕｓによって出願さ
れた、タイトル「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄｒｉｖｉｎ
ｇ ａ Ｓｏｌｅｎｏｉｄ」の米国特許出願第０９／３５１，１１１号に開示さ
れたバルブ駆動回路部を特に参照する。マスフローコントローラは閉ループ制御
アルゴリズムをインプリメントし得る。１９９９年７月９日にＫ． Ｔｉｎｓｌ
ｅｙによって出願された、タイトル「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏ
ｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」の米国特許出願第０９／３５０，７４４号に開示された前
進デジタル制御アルゴリズムを参照する。本発明が上記の構成要素を含むマスフ
ローコントローラにおいて使用するために制限されないことを留意することは、
重要である。

【００６４】 本発明は、例示的な実施形態を参照して本明細書において詳細を記載したが、
その記載は例示の目的のみであり、限定的に解釈されないことを理解すべきであ
る。したがって、本発明の実施形態の詳細における多くの変更および本発明のさ
らなる実施形態は、この記載を参照した当業者にとって明らかであり、当業者に
よって為され得ることをさらに理解すべきである。全てのそのような変更および
さらなる実施形態は、上掲で請求される本発明の精神および真の範囲内にあると
企図される。

【００６５】 本発明および本発明の利点のより完璧な理解のために、次に、付随の図面と併
せて下記の記載を参照する。図中、同じ参照番号は、同じ機能を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、従来技術のマスフローセンサブリッジ回路を示す。

【図２】 図２は、従来技術の理想的な電流源およびゼロ基準制御回路の回路図である。

【図３】 図３は、本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路のブリッ
ジ位相の簡易化した回路図である。

【図４】 図４は、図３に示される本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイ
ス回路の精密な電流源のより詳細な回路図を示す。

【図５】 図５は、図３に示される本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイ
ス回路の信号調整増幅器の詳細な回路図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年８月２３日（２００１．８．２３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２２】 検知素子Ｒ_UおよびＲ_Dを流れる電流の１つの目的は、ガスフローが検知素子Ｒ _U およびＲ_Dを示差的に冷却、従って、ガスフローを検知し得るように、それらを
加熱することであるとはっきり理解されたい。しかし、インピーダンスＲ１およ
びＲ２は、Ｒ_UおよびＲ_Dの約８倍でしかなく、従って、それらの分路効果は無視
できず、実際かなり大きい。分路効果は、従来技術の回路の制限である。なぜな
ら、出力電圧ｅ_out３０の値を低下するからである。 別の従来技術は、例えば、下記の刊行物：１９９２年１０月１６日のＤｏｌｙ
ｅらによるＰＣＴ特許出願番号ＷＯ ９４ ０９３４４、１９９７年９月１６日
のＤｉｅｔｅｒらによる米国特許出願第５，６６８，３１３号、１９９０年１０
月３日のＯｎｅｒａによる仏国特許第２，４５１，０２２号、１９９１年１２月
２６日のＤｏｙｌｅによるＰＣＴ特許出願番号ＷＯ ９１ １９９５９に記載さ
れる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２３】 （発明の要旨） センサ出力電圧を増加させ、ずっと小さい分路効果を提供することによる出力
信号低下に関連した従来技術の問題点を排除する性能を提供する改良されたマス
フローインターフェイス回路および対応する方法の必要性が存在する。これは、
上流検知素子および下流検知素子と並列に接続された非常に大きな抵抗を使用す
ることで達成され得、し、それにより理想的な電流源の全体の有効性が増大する
。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２４】 従来技術のマスフローセンサインターフェイス回路に存在する非線形性を排除
する改良されたマスフローセンサインターフェイス回路および対応する方法のさ
らなる必要性が存在する。検知素子と並列なずっと大きな抵抗を使用することで
、非線形性効果は従来技術の回路から大きく低減され得る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２５】 ゼロ調整および利得調整を使用して回路を手動で較正する必要性を排除する改
良されたマスフローセンサインターフェイス回路および対応する方法のなおさら
なる必要性が存在する。それにより、温度による従来技術の回路部に関連したド
リフトの問題が排除され、さらに調整可能な抵抗器により影響しそうな振動に対
する敏感性が低減される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２６】 同様に、周囲の温度変化に対して本来鈍感な改良されたマスフローセンサイン
ターフェイス回路および対応する方法のなおさらなる必要性が存在し、それによ
り、従来技術の回路に関連した温度ドリフトの問題を排除する。これは、回路部
が、周囲温度が変化しやすい包囲された状態で作動する場合に特に有利である。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２７】 ガスフローを示す信号を生成するために、回路出力電圧の大規模な増幅を必要
としない改良されたマスフローセンサインターフェイス回路および対応する方法
のなおさらなる必要性が存在し、従って、ブリッジインピーダンスよりもずっと
大きな入力インピーダンスを有する増幅器による出力電圧信号をさらに処理する
必要性が排除される。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２８】 本発明によれば、以前に開発されたマスフローセンサインターフェイス回路に
関連した欠点および問題を実質的に排除または低減するマスフローセンサインタ
ーフェイス回路および対応する方法が提供される。特に、本発明は、改良された
マスフローセンサインターフェイス回路、およびマスフローコントローラ中のガ
スフローレートに比例する出力電圧を提供するガスのマスフローレートを検知し
、測定する方法を提供する。 本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス回路は、マスフローコ
ントローラ中のマスフローレートに比例する出力信号を提供するためにガスのマ
スフローレートを検知し、測定する回路を備える。この回路は、回路を駆動する
ための精密電流源、上流マスフロー検知素子、下流マスフロー検知素子、上流マ
スフロー検知素子の上流電圧と下流マスフロー検知素子の下流電圧とを合計し、
出力信号を提供する演算増幅器、演算増幅器の正のノードに電気的に接続された
基準電圧源、演算増幅器の負のノードにおける共通の接合を共有し、上流マスフ
ロー検知素子および下流マスフロー検知素子と並列に電気的に接続された上流分
路抵抗器および下流分路抵抗器であって、ここで、各分路抵抗器は検知素子の抵
抗よりも実質的に大きい抵抗を有する、上流分路抵抗器および下流分路抵抗器、
基準電圧源と演算増幅器の正のノードとの間に電気的に接続された基準抵抗器、
演算増幅器の負のノードと出力との間に電気的に接続されたフィードバック抵抗
器、ならびに演算増幅器の正のノードと上流検知抵抗器および下流検知抵抗器の
接合との間に電気的に接続されたブリッジ抵抗の半分の値の基準抵抗器を含む。 本発明はまた、マスフローコントローラ中のマスフローレートに比例する出力
信号を提供するためにガスのマスフローレートを検知し、測定する方法を包含す
る。この方法は、精密電流を用いて回路を駆動する工程、回路でガスのマスフロ
ーレートを検知する工程、および回路の出力で出力信号を提供する工程を本質的
に包含する。本発明の方法で用いられる回路は、回路を駆動するための精密電流
源、上流マスフロー検知素子、下流マスフロー検知素子、上流マスフロー検知素
子の上流電圧と下流マスフロー検知素子の下流電圧とを合計し、出力信号を提供
する演算増幅器、演算増幅器の正のノードに電気的に接続された基準電圧源、演
算増幅器の負のノードにおける共通の接合を共有し、上流マスフロー検知素子お
よび下流マスフロー検知素子と並列に電気的に接続された上流分路抵抗器および
下流分路抵抗器、基準電圧源と演算増幅器の負のノードとの間で電気的に接続さ
れた基準抵抗器、演算増幅器の正のノードと出力との間に電気的に接続されたフ
ィードバック抵抗器、ならびに演算増幅器の正のノードと上流検知抵抗器および
下流検知抵抗器の接合との間で電気的に接続された基準抵抗器を含む。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２９】 一つの実施形態では、本発明の改良されたマスフローセンサインターフェイス
回路は、上流のマスフロー検知素子、下流のマスフロー検知素子、および回路を
駆動する精密電流源を含む。回路はさらに、上流のマスフロー検知素子の上流電
圧および下流のマスフロー検知素子の下流電圧を合計する演算増幅器段をさらに
含む。基準電圧は、演算増幅器の正のノードに電気的に接続される。上流分路抵
抗器および下流分路抵抗器は演算増幅器の負のノードにおいて共通の接合を共有
し、上流のマスフロー検知素子および下流のマスフロー検知素子に並列に電気的
に接続される。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００６４】 本発明は、例示的な実施形態を参照して本明細書において詳細を記載したが、
その記載は例示の目的のみであり、限定的に解釈されないことを理解すべきであ
る。したがって、本発明の実施形態の詳細における大きな変更および本発明のさ
らなる実施形態は、この記載を参照した当業者にとって明らかであり、当業者に
よって為され得ることをさらに理解すべきである。全てのそのような変更および
さらなる実施形態は、上掲で請求される本発明の範囲内にあると企図される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスフローコントローラ中のマスフローレートに比例して出
   力信号を提供するようにガスのマスフローレートを検知し、測定する回路であっ
   て、 前記回路を駆動する精密電流源と、 上流のマスフロー検知素子と、 前記上流のマスフロー検知素子と直列に接続されている下流のマスフロー検知
   素子と、 前記上流のマスフロー検知素子と前記下流のマスフロー検知素子との間での接
   合における電圧をモニタリングし、前記出力信号を提供する演算増幅器と、 前記演算増幅器の正のノードに電気的に接続された基準電圧源と、 前記演算増幅器の負のノードにおいて共通の接合を共有し、前記上流のマスフ
   ロー検知素子および下流のマスフロー検知素子に並列に電気的に接続された上流
   分路抵抗器および下流分路抵抗器であって、ここで、前記分路抵抗器に対する前
   記上流のマスフロー検知素子および下流のマスフロー検知素子の抵抗の比が約０
   ．０１を超えない、上流分路抵抗器および下流分路抵抗器と、 前記基準電圧と前記演算増幅器の正のノードとの間で電気的に接続された第１
   の基準抵抗器と、 前記負のノードと前記演算増幅器の出力との間で電気的に接続されたフィード
   バック抵抗器と、 前記演算増幅器の正のノードと前記上流検知抵抗器および前記下流検知抵抗器
   の接合との間で電気的に接続されたブリッジ抵抗の半分の値の第２の基準抵抗器
   と を備えた、回路。
2. 【請求項２】 前記精密電流源は、 前記電流を測定する測定抵抗器と、 前記測定抵抗器とともに、前記回路を通る前記電流を制御する少なくとも一つ
   の他の演算増幅器および第１のトランジスタと、 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知素子の接合におけ
   る電圧を維持するための第２のトランジスタと をさらに備える、請求項１に記載の回路。
3. 【請求項３】 前記信号出力の増幅を制御する信号調整増幅器をさらに備え
   る、請求項１に記載の回路。
4. 【請求項４】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知
   素子は温度依存性の抵抗値を有する、請求項１に記載の回路。
5. 【請求項５】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知
   素子は精密抵抗器である、請求項１に記載の回路。
6. 【請求項６】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知
   素子は導電性のワイヤである、請求項１に記載の回路。
7. 【請求項７】 前記出力信号は前記マスフローコントローラ内のアナログ−
   デジタル変換器に送られる、請求項１に記載の回路。
8. 【請求項８】 前記基準電圧源は＋２．５ボルトの基準電圧源である、請求
   項１に記載の回路。
9. 【請求項９】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知
   素子は、前記上流マスフロー検知素子が前記下流マスフロー検知素子の電気的お
   よび物理的な上流にあるように、電気的に接続される、請求項１に記載の回路。
10. 【請求項１０】 前記上流抵抗器と前記負のオペアンプノードとの間で接続
    された第１のオペアンプ抵抗器と、前記下流抵抗器と前記負のオペアンプノード
    との間で接続された第２のオペアンプ抵抗器とをさらに備える、請求項１に記載
    の回路。
11. 【請求項１１】 前記第１の基準抵抗器および前記フィードバック抵抗器は
    抵抗値が等しく、前記第２の基準抵抗器は前記第１のオペアンプ抵抗器および前
    記第２のオペアンプ抵抗器のパラレル等価に等しい値を有する、請求項１に記載
    の回路。
12. 【請求項１２】 前記フィードバック抵抗器の抵抗値は前記演算増幅器の利
    得を制御するように変更可能である、請求項１に記載の回路。
13. 【請求項１３】 前記演算増幅器の正のノードに電気的に接続された前記基
    準電圧源によって形成されたバイアスは、前記演算増幅器の前記上流検知抵抗器
    および前記下流検知抵抗器の前記接合において見掛け上＋２．５ボルトの電圧源
    を形成する、請求項１に記載の回路。
14. 【請求項１４】 マスフローコントローラ中のマスフローレートに比例して
    出力信号を提供するようにガスのマスフローレートを検知し、測定する方法であ
    って、 精密電流を用いて回路を駆動する工程と、 前記回路を用いて前記ガスマスフローレートを検知し、前記回路の出力で前記
    出力信号を提供する工程とを包含し、ここで前記回路は、 前記回路を駆動する精密電流源と、 上流のマスフロー検知素子と、 下流のマスフロー検知素子と、 前記上流のマスフロー検知素子の上流電圧および前記下流のマスフロー検知素
    子の下流電圧を合計し、前記出力信号を提供する演算増幅器と、 前記演算増幅器の正のノードに電気的に接続された基準電圧源と、 前記演算増幅器の負のノードにおいて共通の接合を共有し、前記上流のマスフ
    ロー検知素子および下流のマスフロー検知素子に並列に電気的に接続された上流
    分路抵抗器および下流分路抵抗器であって、ここで、前記分路抵抗器に対する前
    記上流のマスフロー検知素子および下流のマスフロー検知素子の抵抗の比が約０
    ．０１を超えない、上流分路抵抗器および下流分路抵抗器と、 前記基準電圧と前記演算増幅器の正のノードとの間で電気的に接続された基準
    抵抗器と、 前記負のノードと前記演算増幅器の出力との間で電気的に接続されたフィード
    バック抵抗器と、 前記演算増幅器の正のノードと前記上流検知素子および前記下流検知素子の接
    合との間で電気的に接続されたブリッジ抵抗の半分の値の基準抵抗器と を備えた、方法。
15. 【請求項１５】 前記精密電流源は、 前記電流を測定する測定抵抗器と、 前記測定抵抗器とともに、前記回路を通る前記電流を制御する少なくとも一つ
    の他の演算増幅器および第１のトランジスタと、 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検知素子の接合におけ
    る電圧を維持するための第２のトランジスタと をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記回路は前記出力信号の利得を制御するための信号調整
    増幅器をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検
    知素子は温度依存性の抵抗値を有する、請求項１４に記載の方法。
18. 【請求項１８】 前記上流検知素子および前記下流検知素子は精密抵抗器で
    ある、請求項１４に記載の方法。
19. 【請求項１９】 すべての抵抗器が１％の精密抵抗器である、請求項１８に
    記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検
    知素子は導電性のワイヤである、請求項１４に記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記出力信号は前記マスフローコントローラ内のアナログ
    −デジタル変換器に送られる、請求項１４に記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記基準電圧源は＋２．５ボルトの基準電圧源である、請
    求項１４に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記上流マスフロー検知素子および前記下流マスフロー検
    知素子は、前記上流マスフロー検知素子が前記下流マスフロー検知素子の電気的
    および物理的な上流にあるように、電気的に接続される、請求項１４に記載の方
    法。
24. 【請求項２４】 前記回路は、前記演算増幅器の正のノードと前記基準電圧
    源との間で電気的に接続された第１のオペアンプ抵抗器と、前記演算増幅器の負
    のノードと前記基準電圧源に等しい電圧との間で電気的に接続された第２のオペ
    アンプ抵抗器とをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記第１のオペアンプ抵抗器および前記第２のオペアンプ
    抵抗器は抵抗値が等しい、請求項２４に記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記フィードバック抵抗器の抵抗値は前記演算増幅器の利
    得を制御するように変更可能である、請求項１４に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記演算増幅器の正のノードに電気的に接続された前記基
    準電圧源によって形成されたバイアスは、前記演算増幅器の前記負のノードにお
    いて見掛け上接地を形成する、請求項１４に記載の方法。