JP2003523507A

JP2003523507A - 抵抗値を平衡させる方法および装置

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Publication number: JP2003523507A
Application number: JP2001560630A
Authority: JP
Inventors: ルル，ジョン・マイケル; アーダネータ，ニールソン
Original assignee: ユニット・インストゥルメンツ・インコーポレーテッド
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2003-08-05
Also published as: US6539792B2; AU2001238204A1; US20010052261A1; KR100808727B1; WO2001061284A1; KR20020075417A; TW514720B; EP1257790A1

Abstract

(57)【要約】第１の抵抗と第２の抵抗と第１の回路と第２の回路とを含むセンサ。第１の抵抗および第２の抵抗はそれぞれ、物理特性の変化に応答して変化する抵抗値を有する。第１の回路は、第１の抵抗に電気的に結合されて第１の抵抗の抵抗値を設定する。第２の回路は、第２の抵抗に電気的に結合されて、第２の抵抗の抵抗値を第１の抵抗の抵抗値に等しくなるよう調整する。第１の抵抗および第２の抵抗に対し第１の回路および第２の回路により与えられるエネルギ量の差を計測するように、処理回路が第１の回路および第２の回路に結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野本発明は、抵抗の平衡化に関し、特に、上流側および下流側の温度センサの抵
抗値を平衡させることにより流体の質量流量を検出することができる質量流量セ
ンサに関する。

【０００２】関連技術の記述質量流量センサは、気体その他の流体の質量流量を計測する広範囲の用途に用
いられる。質量流量センサが用いられる１つの用途は、質量流量コントローラで
ある。従来の質量流量コントローラにおいては、主要な流体流路内を流れる流体
の質量流量が、質量流量センサの一部をなす典型的には小型の導管へ分配される
一部の流体の質量流量に基いて調整または制御される。主要流路とセンサの導管
とにおける層流を仮定すると、主要流路を流れる流体の質量流量は、センサ導管
を流れる流体の質量流量に基いて決定（および調整または制御）され得る。

【０００３】２つの異なる形式の質量流量センサ、すなわち定電流質量流量センサと定温質
量流量センサとが伝統的に用いられてきた。定電流質量流量センサの一例が図１
に示される。図１において、流体はセンサ配管すなわち導管内を矢印Ｘの方向に
流れる。大きな熱抵抗係数を有する加熱抵抗または「コイル」Ｒ₁およびＲ₂が、
それぞれセンサ導管の下流部と上流側部でセンサ導管周囲に配置され、定電流源
９０１から定電流が提供される。定電流ＩがコイルＲ₁、Ｒ₂に流れる結果、電圧
Ｖ₁、Ｖ₂がコイルの両端に生成される。電圧Ｖ₁、Ｖ₂間の差（Ｖ₁−Ｖ₂）が差動
増幅器９０２から取り出され、増幅器９０２の出力はセンサ導管内の流体の流量
に比例する。

【０００４】図１の回路は、流量ゼロにおいて、コイルＲ₁の抵抗値（従って、温度）がコ
イルＲ₂の抵抗値（従って、温度）に等しくなって増幅器９０２の出力がゼロに
なるように構成される。流体がセンサ導管を流れると、コイルＲ₂により生成さ
れて流体へ与えられる熱がＲ₁へ伝えられる。この流体の流れの結果、コイルＲ₂ の温度は低下し、コイルＲ₁の温度は上昇する。これらの抵抗における電圧低下
は、これら抵抗の温度に比例するので、電圧Ｖ₁は流体の流量と共に増加し、電
圧Ｖ₂は低下して、電圧差はセンサ導管内の流体の質量流量に比例する。

【０００５】定電流質量流量センサの利点は、該センサが広範囲の温度にわたって動作し得
ること、構造が比較的簡単であること、およびセンサ導管を流れる流体の周囲温
度の変化に応答することである。この点に関しては、センサ導管を流れる流体の
周囲温度が変化すると、コイルＲ₁、Ｒ₂のそれぞれの抵抗値も変化する。しかし
、コイルＲ₁、Ｒ₂の温度（従って、抵抗値）が流体の流量の変化に応答して安定
するのには比較的長い時間を要する。

【０００６】しばしば用いられる他の形式の質量流量センサは定温質量流量センサであり、
その例が図２ないし図４に示される。図２の定温質量流量センサに示されるよう
に、加熱用抵抗または「コイル」Ｒ_1a、Ｒ_1bが、矢印Ｘの方向に流体が通過する
センサ導管の下流部および上流部にそれぞれ配置される。図１の定電流質量流量
センサにおけると同様に、下流側のコイルＲ_1aおよび上流側のコイルＲ_1bは大き
な熱抵抗係数を有する。コイルＲ_1a、Ｒ₁の各抵抗値（従って、温度）は、別の
独立の回路により、抵抗値Ｒ_2a、Ｒ_3a、Ｒ_4aおよびＲ_2b、Ｒ_3b、Ｒ_4bによりそれ
ぞれ支配される所定の同じ値へ固定される。センサ導管内の流体の流量とは独立
にコイルＲ_1a、Ｒ_1bを所定の同じ抵抗値（従って、温度）に維持するため、制御
回路が設けられる。

【０００７】流体の流れがない場合、図２の回路は、下流側のコイルＲ_1aおよび上流側のコ
イルＲ_1bの抵抗値（および温度）が所定の同じ値へ設定され且つ回路出力がゼロ
であるように構成される。流体がセンサ導管を流れると、上流側のコイルＲ_1bか
らの熱がＲ_1aへ運ばれる。その結果、上流側のコイルＲ_1bを一定の温度に維持す
るのに要するよりも、下流側のコイルＲ_1aを同じ一定の温度に維持するのに要す
るエネルギの方が少なくて済む。コイルＲ_1a、Ｒ_1bを所定の温度に維持するのに
要するエネルギ差が計測され、これはセンサ導管を流れる流体の質量流量に比例
する。

【０００８】図２に関して述べた定温質量流量センサは、構成が比較的容易でもある。更に
、図２の回路は、図１に関して述べた定電流質量流量センサよりも、センサ導管
を流れる流体の質量流量の変化に応答して迅速に安定化する。しかし、コイルＲ _1a 、Ｒ_1bがそれぞれセンサ導管内へ流入する流体の周囲温度とは独立して所定の
温度に設定されてこの温度に維持されるため、センサ導管に流入する流体の周囲
温度が上昇するときに問題が生じる。特に、センサ導管を流れる流体の周囲温度
が上流側および下流側のコイルにより維持される所定の温度に近づくとき、回路
は流体の流量の差を認識する能力を失い、流体の周囲温度がこの所定の温度を越
えて上昇するときは、センサが動作できない状態になる。

【０００９】これらの欠点を克服するために、多くの代替的な定温質量流量センサが提供さ
れてきた。例えば、図３の回路は、気体あるいは流体の周囲温度の変化に少なく
とも或る程度は応答することが可能な定温質量流量センサを提供する。この場合
も、Ｒ_1b、Ｒ_2bが、大きな温度抵抗係数を持つ下流側および上流側の温度検知コ
イルである。しかし、図２の回路におけるようにコイル温度を所定の一定値に維
持するのではなく、図３の回路は、センサ・コイルＲ_1b、Ｒ_2bの温度をセンサ導
管に流入する流体の周囲温度よりも高い温度に維持する。これは、下流側および
上流側の回路におけるセンサ・コイルＲ_1b、Ｒ_2bと類似する抵抗係数を持つ別の
コイルＲ_3b、Ｒ_4bの挿入によって達成される。流体の周囲温度が変化すると、温
度設定抵抗Ｒ_5b、Ｒ_6bに対してコイル抵抗Ｒ_3b、Ｒ_4bを直列に付設することで、
上流側および下流側の抵抗コイルが維持される温度をセンサ導管へ流入する流体
の周囲温度より高くする結果となる。図２の回路におけるように、コイルＲ_1b、
Ｒ_2bの温度を同じ温度に維持するため下流側および上流側の回路により供給され
るエネルギ差は、センサ導管を通る流体の質量流量に比例する。

【００１０】当業者に理解されるように、図３の回路が適正に動作するためには、下流側の
回路における各要素の値および熱特性が上流側の回路における対応の要素のそれ
と整合することが重要である。このため、下流側のコイルＲ_1bおよび上流側のコ
イルＲ_2bの抵抗値は同じ値を持たねばならず、同じ熱抵抗係数を持たねばならな
い。更に、抵抗Ｒ_3bは抵抗Ｒ_4bと同じ値と同じ（理想的には、大きい）熱抵抗係
数とを持たねばならず、抵抗Ｒ_5bは抵抗Ｒ_6bと同じ値と同じ（理想的には、ゼロ
の）熱抵抗係数を持たねばならず、抵抗Ｒ_7bは抵抗Ｒ_10bと同じ値と同じ（理想
的にはゼロの）熱抵抗係数とを持たねばならず、抵抗Ｒ_9bは抵抗Ｒ_8bと同じ値と
同じ（理想的には、ゼロの）熱抵抗係数とを持たねばならず、増幅器９１１、９
１２は同じ動作特性と温度特性とを持たねばならない。

【００１１】抵抗Ｒ_3b、Ｒ_4bの付設にも拘わらず、図３の回路に伴う問題は、センサ導管に
流入する流体の周囲温度が上昇すると、周囲流体の温度と上流側および下流側の
コイルの温度との間の比例差が小さくなるので、センサの精度が低下することで
ある。更に、何らかの補償回路なしには、１つの温度におけるセンサの校正を他
の周囲温度において必ずしも使用することができないという、ドリフトに起因す
る問題が存在する。

【００１２】上記の諸問題の幾つかを解決するため、米国特許第５，４０１，９１２号は、
定温上昇型（周囲温度より高い）質量流量センサを堤案し、その例が図４に示さ
れる。図４の回路は、上流側のセンサ・コイルＲ₂および下流側のセンサ・コイ
ルＲ₁を、センサ導管へ流入する流体の周囲温度よりも高い所定の値に維持する
よう動作する。図４の回路は、実質的にゼロの熱抵抗係数を持つ図２の固定値抵
抗Ｒ_3a、Ｒ_3bが特定の大きな熱抵抗係数を持つ抵抗Ｒ₅、Ｒ₆でそれぞれ置換され
ることを除いて、図２の回路と同じである。このような変更の結果、図４の回路
は、センサ導管へ流入する流体の周囲温度よりも高い一定の温度を意図的に維持
する。従って、図４に示されるような質量流量センサは、（周囲温度に対する）
定温差型質量流量センサあるいは（周囲温度に対する）定温上昇型質量流量セン
サと呼ばれる。

【００１３】上記の定温質量流量センサの各々は、上流側および下流側のコイルの温度を特
定の値に、あるいはセンサ導管へ流入する流体の周囲温度よりも高い特定の値に
設定するため、別の独立の上流側および下流側の回路を用いる。これら回路のそ
れぞれの欠点は、上流側および下流側の回路における対応回路要素（すなわち、
抵抗、コイルおよび増幅器）の厳密な整合を必要とすることである。

【００１４】発明の概要本発明の一つの実施の形態によれば、第１の抵抗と、第２の抵抗と、第１の回
路と、第２の回路とを備えるセンサが提供される。第１の抵抗および第２の抵抗
はそれぞれ、物理的特性の変化に応答して変動する抵抗値を有する。第１の回路
は第１の抵抗に電気的に結合され、第１の抵抗の抵抗値を設定する。第２の回路
は第２の抵抗に電気的に結合され、第２の抵抗の抵抗値を第１の抵抗の抵抗値に
等しくなるよう調整する。それぞれ第１の抵抗および第２の抵抗に対し第１の回
路および第２の回路により与えられるエネルギ量の差を計測するため、処理回路
を第１および第２の回路に結合してもよい。温度の変化に応答して第１の抵抗お
よび第２の抵抗の抵抗値が変化し、第１の抵抗および第２の抵抗が流体の流れる
導管の周囲に配置される場合、センサは導管を流れる流体の質量流量を計測する
ことができる。

【００１５】本発明の別の実施の形態によれば、質量流量センサが提供される。このセンサ
は、第１の感熱コイルと、第２の感熱コイルと、第１の回路と、第２の回路と、
処理回路とを備える。第１の感熱コイルおよび第２の感熱コイルは、流体が通過
する導管の周囲の離れた位置に配置され、各コイルは温度と共に変化する抵抗値
を有する。第１の回路は、第１の感熱コイルに電気的に結合され、第１の感熱コ
イルの抵抗値を所定の温度に対応する値に設定する。第２の回路は、第２の感熱
コイルに電気的に結合され、第２の感熱コイルに与えられる電流量を、第２の感
熱コイルの抵抗値が第１の感熱コイルの抵抗値に等しくなるように調整する。処
理回路は第１の回路および第２の回路に結合され、第１の感熱コイルに対して第
１の回路により与えられるエネルギと第２の感熱コイルに対して第２の回路によ
り与えられるエネルギとの量の差を計測する。

【００１６】本発明の別の実施の形態によれば、第１の抵抗の抵抗値と第２の抵抗の抵抗値
とを平衡させる方法が提供される。第１の抵抗および第２の抵抗の抵抗値は温度
と共に変動するものであり、当該方法は、第１の抵抗の抵抗値を第１の値へ設定
するステップと、第２の抵抗の抵抗値が第１の抵抗の第１の値と整合するように
電流量を第２の抵抗に対して提供するステップとを含む。

【００１７】本発明の別の実施の形態によれば、抵抗の抵抗値を設定する方法が提供される
。当該方法は、（ａ）周囲に抵抗が配置される導管に流入する流体の温度を計測
するステップと、（ｂ）ステップ（ａ）により計測された周囲温度を所定の量だ
け増分して、抵抗が設定されるべき温度を識別するステップと、（ｃ）ステップ
（ｂ）において識別された温度に対応する抵抗値を計算するステップと、（ｄ）
プログラム可能な分圧器により与えられるべき分割比を決定して、抵抗の抵抗値
をステップ（ｃ）において計算された値にするステップと、（ｅ）ステップ（ｄ
）において決定された分割比を提供するプログラム可能な分圧器を構成するステ
ップとを含む。

【００１８】詳細な記述本発明の実施の形態は、同じ参照番号が同じ構造を指示する添付図面と結合し
て読むべき以降の記述により完全に理解されよう。

【００１９】図５、図６Ａ、図７ないし図９は、本発明の様々な実施の形態による多数の異
なる質量流量センサを示している。図５、図６Ａ、図７ないし図９においては、
参照番号Ｒ₁は上流側のコイルを表わし、参照番号Ｒ₂は下流側のコイルを表わす
。従来技術におけるように、コイルＲ₁、Ｒ₂は、流体が通過するセンサ導管（図
示せず）の隔てられた位置に配置されている。ここで定義されるように、流体な
る用語は固体、液体あるいは気体の状態における任意の物質あるいは物質の組合
わせを含む。コイルＲ₁、Ｒ₂は、各々の抵抗値が温度と共に変化よう、大きく且
つ実質的に同じ熱抵抗係数を持つ。

【００２０】図２ないし図４の定温質量流量センサとは対照的に、本発明の実施の形態によ
る質量流量センサは、上流側および下流側のコイルの温度を同じ値に独立に設定
する個々の上流側および下流側の回路を使用しない。その代わり、本発明の実施
の形態は、共通の回路を用いて上流側および下流側のコイルのうちの一方を所定
の温度または周囲温度よりも高い所定の温度に設定し、上流側および下流側のコ
イルのうちの他方へ電流を供給して上流側および下流側コイルの抵抗値、従って
温度を等しくする。その結果、本発明の実施の形態は、図２ないし図４の別個の
上流側および下流側の回路で要求される構成要素の値および特性の厳密な整合を
必要としない。

【００２１】図５は、本発明の一つの実施の形態による質量流量センサの概略図を示す。図
５の回路は、広い観点から、２つの主機能、すなわち、下流側のコイルＲ₂の温
度を所定の温度へ、あるいはセンサ導管へ流入する流体の周囲温度より高い所定
の温度へ設定すること、および、上流側のコイルＲ₁の抵抗値、従って温度を下
流側のコイルＲ₂のそれに等しくさせることを実行する。動作において、図５の
回路は、下流側コイルＲ₂が設定される実際の抵抗値とは独立に上流側コイルＲ₁ の抵抗値を下流側コイルＲ₂の抵抗値に等しくさせる。理解されるように、図５
の回路の動作は、上流側のコイルＲ₁の温度を所定の温度へ、あるいはセンサ導
管へ流入する流体の周囲温度より高い所定の温度へ設定され、下流側のコイルＲ ₂ の抵抗値、従って温度は上流側のコイルＲ₁のそれに等しくされるよう、逆にし
ても良い。図２ないし図４の質量流量センサと同様に、上流側および下流側のコ
イルへ供給されるエネルギ量の差は、センサ導管を流れる流体の質量流量に比例
する。

【００２２】図５において、高利得の演算増幅器５１により生成される電流が回路の２つの
異なる抵抗分岐へ与えられ、第１の抵抗分岐はＲ’とＲ’’の直列接続で形成さ
れ、第２の抵抗分岐はＲ’’’とＲ₂の直列接続によって形成される。図５に示
された実施の形態において、演算増幅器５１の出力は、エミッタ・フォロワとし
て構成され且つ抵抗Ｒにより電源Ｖ_ccに接続されるトランジスタＴ₅によってバ
ッファされる。トランジスタＴ₅と抵抗Ｒとの組合わせは、バッファ回路５５と
して動作する。本発明はバッファ回路５５の特定の構成に限定されるものでない
ので、他の形式のバッファ回路も用いることができる。更に、理解されるように
、演算増幅器５１の出力能力に応じて、バッファ回路の使用を省いてもよい。従
って、バッファ回路５５が図５、図６Ａ、図７ないし図９のそれぞれに示されて
いるからといって、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２３】演算増幅器５１の入力の一方は第１の抵抗分岐のＲ’とＲ’’との直列接続の
中間に接続され、他方は第２の抵抗分岐のＲ’’’とコイルＲ₂との直列接続の
中間に接続される。図５に示された実施の形態においては、演算増幅器５１の非
反転（＋）入力は第１の抵抗分岐の中間点に接続され、演算増幅器５１の反転（
−）入力は第２の抵抗分岐の中間点に接続される。代替的な実施の形態（図示せ
ず）においては、演算増幅器５１の非反転（＋）入力は第２の抵抗分岐の中間点
に接続され、演算増幅器５１の反転（−）入力は第１の抵抗分岐の中間点に接続
される。

【００２４】コイルＲ₂には、コイルＲ₁と、調整可能電流ΔＩを提供する調整可能な電流源
５２と、高利得演算増幅器５３とが接続される。演算増幅器５３の反転（−）入
力はコイルＲ₂、コイルＲ₁および調整可能な電流源５２に接続される。演算増幅
器５３の非反転（＋）入力は接地されているので、コイルＲ₂とコイルＲ₁と調整
可能な電流源５２との間の接続点もまた接地電位にある（すなわち、「仮想接地
」である）。図５には示されないが、バッファ回路５５に似たバッファ回路を演
算増幅器５３の出力とコイルＲ₁との間に接続してもよく、あるいはまた、演算
増幅器５３がバッファ出力段を備えていてもよい。

【００２５】演算増幅器５１の各入力を各抵抗分岐の中間点に接続し、コイルＲ₂を仮想接
地に結合すると、各抵抗分岐の中間点における電圧が等しくなり、その結果、Ｒ
’／Ｒ’’＝Ｒ’’’／Ｒ₂となる。このように、Ｒ’とＲ’’の第１の抵抗分
岐は、比Ｒ’’’／Ｒ₂を設定する分圧器として働く。

【００２６】比Ｒ’’／Ｒ’の値を調整することにより、コイルＲ₂の抵抗値、従って温度
を任意の所望の値へ設定することができる。一つの実施の形態においては、抵抗
Ｒ’’は、コイルＲ₂の抵抗値、従って温度をセンサ導管へ流入する流体の周囲
温度よりも高い所定の値へ設定するよう計算される抵抗値を持つプログラム可能
な抵抗を含む。コイルＲ₂の温度は、センサ導管へ流入する流体の周囲温度より
も約３０°ないし１００°高く設定されることが好ましいが、本発明は特定の値
に限定されるものでない。別の実施の形態においては、抵抗Ｒ’’は、センサ導
管に流入する流体の周囲温度が変化するとコイルＲ₂の抵抗値、従って温度が比
例的に変化するよう、高い熱抵抗係数を持つ抵抗を含む。無論、理解されるよう
に、Ｒ₂＝（Ｒ’’Ｒ’’’）／Ｒ’であるから、抵抗Ｒ’、Ｒ’’およびＲ’
’’のうちの１つ以上が可変抵抗または温度依存抵抗を代替的に含むことができ
る。以下に更に詳細に述べるように、本発明の他の実施の形態においては、Ｒ’
とＲ’’の直列構成を、コイルＲ₂の抵抗値を所望の値に設定するためのディジ
タル／アナログ・コンバータを備えるプログラム可能分圧器で置換することもで
きる。

【００２７】動作において、図５の回路は、コイルＲ₁の抵抗値、従って温度をコイルＲ₂の
それに等しく維持するため、電流量△Ｉを注入する。その結果、下式

【００２８】

【数１】Ｒ₁＝Ｖ₁／Ｉ₁ （１）Ｒ₂＝Ｖ₂／Ｉ₂ （２）Ｉ１＝ΔＩ＋Ｉ２（３）が成り立つ。従って、

【００２９】

【数２】 ΔＩ／Ｉ₂＝（Ｖ₁−Ｖ₂）／Ｖ₂ （４）となる。

【００３０】このように、コイルＲ₁の抵抗値（従って、温度）がコイルＲ₂の抵抗値（従っ
て、温度）に等しいとき、比ΔＩ／Ｉ₂は、Ｖ₁とＶ₂の差をＶ₂で割ったものに等
しく、これはセンサ導管内を流れる流体の質量流量に比例する。

【００３１】図２ないし図４の回路におけるように、出力電圧Ｖ₁、Ｖ₂は、出力電圧Ｖ₁、
Ｖ₂の値に基いて流体の質量流量を計算し、監視し、表示しまたは調整する他の
処理回路（図示せず）へ与えられる。例えば、出力電圧Ｖ₁、Ｖ₂は増幅器の入力
へ与えられ、その増幅器の出力および出力電圧Ｖ₂が比（Ｖ₁−Ｖ₂）／Ｖ₂を形成
する除算回路へ与えられる。これらの他の処理回路は周知であって当業者に理解
されるものであるから、こうした処理回路の詳細については省略する。

【００３２】好都合なことに、図５の回路は、従来の定温型および（周囲温度に対する）定
温上昇型の質量流量センサが要求する別個の上流側および下流側の回路における
対応構成要素の厳密な整合を必要としない。例えば、図２ないし図４の温度セン
サの各々においては、上流側および下流側のコイルの抵抗値（および温度）が別
個の独立の上流側および下流側の回路により特定の数値へ設定されるので、上流
側および下流側の回路における対応構成要素は、流体の周囲温度の変化に関して
同じように整合し且つ変化しなければならない。構成要素の値および特性におけ
る不整合は、流体の流量の変化と解されることになる。このため、図４のセンサ
においては、Ｒ₁はＲ₂に等しくなければならず、Ｒ₃はＲ₄に等しくなければなら
ず、Ｒ₅はＲ₆に等しくなければならず、Ｒ₇はＲ₈に等しくなければならず、トラ
ンジスタ１１２および差動増幅器１１４の電気的特性はトランジスタ１１３およ
び差動増幅器１１５のそれと整合しなければならず、上流側の回路における全て
の構成要素の理論的特性は下流側の回路におけるそれらの対応構成要素と整合し
なければならない。実際、構成要素の値および特性のこのような厳密な整合は、
高精度な（従って高価な）構成要素を用いたとしても達成し難い。

【００３３】従来の定温型質量流量センサとは対照的に、図５の質量流量センサは回路構成
要素の厳密な整合を必要としない。特に、抵抗Ｒ’’’が温度に対して安定であ
る限り、また比Ｒ’／Ｒ’’が温度に対して安定である限り（例えば、比Ｒ’／
Ｒ’’＝Ｋ（但し、Ｋは定数）である限り）、抵抗Ｒ’、Ｒ’’、Ｒ’’’の実
際の抵抗値は重要でない。また、図５の回路は、実際には達成し難いがために、
下流側および上流側のコイルＲ₁、Ｒ₂が同じであることを要求せず、また、同じ
抵抗値におけるコイルＲ₁、Ｒ₂間の温度差が異なる抵抗値に対して相対的に一定
である限り、これら２つのコイルの実際の温度は同じ抵抗値において同じである
必要はない。

【００３４】図６Ａは、本発明の別の実施の形態による質量流量センサの概略図を示してい
る。図６Ａにおいて、参照番号６２により示される回路の部分は、図５における
調整可能な電流源５２の１つの構成例に対応している。参照番号６１を持つ回路
の残部は、図５における回路の残部に対応する。

【００３５】図５に関して述べたと同様に、バッファ５５（図５に示されたエミッタ・フォ
ロワ回路を含む）は、演算増幅器５１により生成された電流を回路の２つの抵抗
分岐、すなわち、抵抗Ｒ’およびＲ’’を含む第１の抵抗分岐および抵抗Ｒ’’
’とコイルＲ₂とを含む第２の抵抗分岐に与える。図５の回路におけるように、
高利得の演算増幅器５１の入力の一方は第１の抵抗分岐の直列接続Ｒ’とＲ’’
との間に接続され、他方は第２の抵抗分岐の直列接続Ｒ’’’とＲ₂との間に接
続される。コイルＲ₂には、コイルＲ₁および高利得の演算増幅器５３の反転（−
）入力が接続され、演算増幅器５３の非反転（＋）入力は接地される。図５の回
路におけると同様に、各抵抗分岐の中間点に対する演算増幅器５１の各入力の接
続、および仮想接地に対するコイルＲ₂の結合により、各抵抗分岐の中間点にお
ける電圧は等しくされ、その結果Ｒ’／Ｒ’’＝Ｒ’’’／Ｒ₂となる。再び、
Ｒ’およびＲ’’の直列接続は分圧器として働き、Ｒ’’の値を調整することに
よりコイルＲ₂の抵抗値、従って温度は任意の所望値へ設定される。

【００３６】図６Ａに示された実施の形態においては、調整可能な電流源５２（図５）は、
利得１の計装増幅器６３、ディジタル／アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）６４、
利得１の演算増幅器６６、アナログ／ディジタル・コンバータ（Ａ／Ｄ）６５お
よび比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラ６９を備えている。

【００３７】計装増幅器６３の反転（−）入力は、演算増幅器５１の反転（−）入力および
電圧Ｖ₂に接続され、計装増幅器６３の非反転（＋）入力はバッファ５５の出力
に接続される。このような構成の結果、ＤＡＣ６４に対する基準電圧入力として
与えられる計装増幅器６３の出力（Ｖ_Ref）は

【００３８】

【数３】Ｖ_Ref＝［（Ｖ₂＋Ｉ₂Ｒ’’’）−Ｖ₂］＝Ｉ₂Ｒ’’’ （５）により与えられる。

【００３９】当業者には周知のように、ディジタル／アナログ・コンバータの出力電圧（Ｖ _DAC ）は

【００４０】

【数４】Ｖ_DAC＝［Ｖ_Ref×Ｘ］／２ⁿ （６）の関係により支配される。但し、Ｖ_RefはＤＡＣへ与えられる電圧基準入力、Ｘ
はＤＡＣへ与えられるディジタル入力ワード、２ⁿは入力ワードＸの最大許容値
である。従って、図６Ａにおいて、ＤＡＣ６４により与えられる出力電圧は

【００４１】

【数５】Ｖ_DAC＝［Ｉ₂Ｒ’’’ ×Ｘ］／２ⁿ （７）により与えられる。調整可能な電流源６２により与えられる電流ΔＩの値はＶ_DA _C ／Ｒに等しいので、Ｒ’’’＝Ｒであるとき、

【００４２】

【数６】 ΔＩ／Ｉ₂＝Ｘ／２ⁿ （８）が成り立つ。

【００４３】ここで図６Ａの下側部分を参照すると、ＤＡＣ６４に対する入力として与えら
れるとき、コイルＲ₁の抵抗値がコイルＲ₂のそれに等しくなるように、ＤＡＣ６
４の出力をして適正な電流量（ΔＩ）をコイルＲ₁へ与えさせる２進ワードＸを
生成する回路が提供される。図６Ａに示すように、演算増幅器６６の非反転（＋
）入力は電圧Ｖ₁を受取り、演算増幅器６６の反転（−）入力は電圧Ｖ₂を受取る
。また、電圧Ｖ₂は基準電圧としてＡ／Ｄ６５の基準電圧入力に対しても与えら
れる。従って、演算増幅器６６は、Ｖ₁とＶ₂との差に等しい出力をＡ／Ｄ６５の
入力に与える。Ｖ₁とＶ₂との間の差（すなわち、Ｖ₁−Ｖ₂）を与える回路の更に
詳細な構成が、図６Ａに参照番号６６’で示される。

【００４４】当業者には周知のように、アナログ／ディジタル・コンバータ（Ａ／Ｄ）の２
進出力ワードＸは

【００４５】

【数７】Ｘ＝Ｙ２ⁿ／Ｖ_Ref （９）により支配される。但し、Ｖ_RefはＡ／Ｄへ与えられる基準入力電圧、ＹはＡ／
Ｄへ与えられるアナログ入力電圧、２ⁿは出力ワードＸの最大許容２進値である
。従って、図６Ａにおいて、Ａ／Ｄ６５により生成される２進出力ワードは

【００４６】

【数８】Ｘ＝（Ｖ₁−Ｖ₂）２ⁿ／Ｖ₂ (１０）より与えられる。

【００４７】式（１０）を式（８）へ代入すると、

【００４８】

【数９】 △Ｉ／Ｉ₂＝［（Ｖ₁−Ｖ２）２ⁿ／Ｖ₂］２ｎ＝(Ｖ₁−Ｖ₂)／Ｖ₂ （１１）が得られる。これは式（４）と同じである。このため、Ａ／Ｄ６５は、Ｖ₂に対
する（Ｖ₁−Ｖ₂）の比を表わす２進数Ｘを生成し、２進数Ｘは、別の処理後にＤ
ＡＣ６４の入力へ与えられるとき、コイルＲ₁の抵抗値がコイルＲ₂の抵抗値に等
しくなるようにコイルＲ₁に対する電流ΔＩの適正量を生じる。

【００４９】当業者には明らかなように、２進数ＸがＤＡＣ６４に対する入力として直接与
えられるとき、図６Ａの回路は不安定になる傾向がある。特に、流体流量ゼロの
状態から流体流量がゼロでない状態になるとき、あるいはその逆の場合、Ａ／Ｄ
６５により与えられる出力Ｘは、コイルＲ₁の抵抗値をコイルＲ₂の抵抗値から異
ならせる。この問題を正すため、Ａ／Ｄ６５からの出力（図６ＡにＸ’として示
される）が比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラ６９へ入力され、ＰＩＤコ
ントローラ６９からの出力はＤＡＣ６４の入力Ｘへ与えられる。図６Ａの回路で
は、Ａ／Ｄ６５の出力Ｘ’はＰＩＤコントローラ６９のフィードバック入力へ与
えられ、ＰＩＤコントローラ６９の出力はＰＩＤコントローラ６９の設定点入力
に接続される。ＰＩＤコントローラおよび類似形式の制御回路の使用および構成
は当業者には周知であるから、ＰＩＤコントローラ６９のこれ以上の検討はここ
では省略する。

【００５０】理解されるように、図６Ａの回路は、比ΔＩ／Ｉ₂を、Ｖ₁とＶ₂との差をＶ₂で
割った値に等しくするので、図６Ａの回路は質量流量センサにおけるドリフトの
検出を可能にする。特に、ΔＩに所与の変化がある場合、センサ導管へ流入する
流体の流量と周囲温度とに無関係に、量（Ｖ₁−Ｖ₂）／Ｖ₂が比例的に変化する
。或る時点Ｔ₁においてΔＩの変化が量（Ｖ₁−Ｖ₂）／Ｖ₂の特定の変化値を生じ
、それよりも遅い時点Ｔ₂でΔＩの同じ変化が量（Ｖ₁−Ｖ₂）／Ｖ₂の異なる変化
値を生じるならば、質量流量センサにドリフトが生じたものと決定される。これ
が重要なのは、典型的な質量流量センサにおいては、センサにおけるドリフトと
検出される流量の変化との間の差を決定することがほとんど不可能であるからで
ある。理解されるように、図６Ａの質量流量センサにおけるドリフトの検出は可
能であるので、多くの補正処置が可能である。例えば、センサにおけるドリフト
の検出時に、要員に対しセンサがドリフトしたことを通知するように警報条件を
設定することができる。当該センサは、再校正のため製造業者へ返品される。あ
るいは、センサにおけるドリフトの検出時に、ドリフトの補償のため補正係数を
与えることもできる。

【００５１】次に、図６Ｂにより、図６Ａの定温型質量流量センサで用いられる例示の温度
設定ルーチンのフローチャートについて説明する。当業者には周知のように、質
量流量センサはしばしば質量流量コントローラの一部のみを形成する。質量流量
コントローラの他の部分は、典型的には、１つ以上の弁、主要流路、および、質
量流量センサにより検出される質量流量に従って弁を監視・調整して主要流路を
流れる流体の量を制御するプロセッサ（例えば、ＣＰＵ）を備える。

【００５２】本発明の一つの実施の形態によれば、センサの上流側のコイルＲ₁と下流側の
コイルＲ₂のうちの一方の抵抗値を設定するよう質量流量コントローラのプロセ
ッサで実行するソフトウエアで実現される温度検知ルーチンが提供される。セン
サの上流側のコイルＲ₁と下流側のコイルＲ₂のうちの一方を特定値に設定した後
、図５および図６Ａに関して記述した抵抗値平衡用センサ回路を用いて、センサ
の上流側のコイルＲ₁と下流側のコイルＲ₂のうちの他方の抵抗値を等しくさせる
。次いで、上流側のコイルＲ₁と下流側のコイルＲ₂の抵抗値が等しいときにこれ
らコイルの各々へ供給されるエネルギ量の差を検出することにより、センサ導管
を流れる流体の質量流量、従って主要流路を流れる流体の質量流量が決定される
。理解されるように、以下に述べる温度設定ルーチンはソフトウエアで実現され
る必要はなく、専用の状態マシンその他の制御ロジックにより代替的に実現する
ことができる。更に理解されるように、図６Ｂの温度設定ルーチンは、上流側の
コイルＲ₁および下流側のコイルＲ₂のうちの一方の温度を、センサ導管に流入す
る流体の周囲温度よりも高い所定の温度に設定するのではなく、所定の温度に設
定するように変更され得る。

【００５３】ステップ６０１において、温度設定ルーチンは、センサ導管へ流入する流体の
周囲温度を計測する。このステップは、例えば、センサ導管へ流入する流体と熱
接触状態にある温度計（図示せず）を監視したり、主要流路と熱接触状態にある
温度計を監視したりすることによって実施される。センサ導管へ流入する流体の
周囲温度を計測した後、ルーチンはステップ６１１へ進み、上流側のコイルＲ₁
あるいは下流側のコイルＲ₂のうちの一方が設定される温度が決定される。例え
ば、Ｒ₂＝（Ｒ’’Ｒ’’’）／Ｒ’の値に基いて下流側のコイルＲ₂が所定の温
度に設定され、且つ上流側のコイルＲ₁の抵抗値を下流側のコイルＲ₂の抵抗値に
等しく設定するように電流量ΔＩが調整される図６Ａの実施の形態においては、
下流側のコイルＲ₂が設定される温度は、

【００５４】

【数１０】Ｔ＝Ｔ_Ambient＋Ｔ_Rise （１２）の関係に基づく。但し、Ｔ_Ambientはステップ６０１において計測された周囲温
度、Ｔ_Riseは３０°ないし１００°のような固定値である。一般に、Ｔ_Riseの値
は、センサ導管へ流入する流体の周囲温度よりも少なくとも１０分の数度ほど高
くなければならないが、高反応性の流体と問題を生じるほどには高くてはならな
い。

【００５５】ステップ６１１において、下流側のコイルＲ₂が設定される温度を決定した後
、ルーチンはステップ６２１へ進む。ステップ６２１において、当該ルーチンは
、ステップ６１１で決定されたコイル（例えば、Ｒ₂）の温度に基いて、下流側
のコイルＲ₂が設定されるべき適正な抵抗値を決定する。当業者には知られてい
るように、コイルの抵抗値の２次近似は

【００５６】

【数１１】Ｒ_coil＝Ｒ₀（１＋αＴ＋βＴ）（１３）で与えられる。但し、Ｒ₀は０℃におけるコイル（Ｒ₂）の抵抗値、αおよびβは
定数、Ｔはステップ６１１で決定されたコイルの所望温度である。ステップ６２
１においてコイル抵抗値を決定した後、ルーチンはステップ６３１へ進み、ここ
で比Ｒ’’／Ｒ’により設定される分割比が決定される。図６Ａに関して先に述
べたように、分割比の設定は、１つ以上の抵抗の抵抗値を調整することにより、
ディジタル／アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を含むプログラム可能な電圧分割
回路を用いることにより、あるいは、当業者に公知の他の方法において行われる
。例えば、Ｒ’およびＲ’’の直列の組み合わせは、バッファ回路５５の出力を
受取る入力基準電圧と、演算増幅器５１の非反転（＋）入力に結合された出力と
、所望の分割比を生じるよう適正な値の入力ワードＸを受取る入力とを有するＤ
ＡＣ（図示せず）によって置換することができる。

【００５７】コイルＲ₂の抵抗値を決定された値に設定するのに必要な分割比を決定した後
、ルーチンはステップ６４１へ進み、ステップ６３１で決定された比Ｒ’’／Ｒ
’の値が設定され、ルーチンは終了する。

【００５８】図７は、本発明の別の実施の形態による質量流量センサを示している。図６Ａ
の質量流量センサとは対照的に、図７の質量流量センサは、調整可能な電流源（
例えば、図６Ａにおける調整可能な電流源６２）により与えられる電流ΔＩの量
を設定するのに計算回路を用いない。その代わり、図７の回路は、上流側のコイ
ルＲ₁と下流側のコイルＲ₂とを同じ抵抗値に維持するよう、回路の種々の抵抗分
岐における電流を平衡させる。

【００５９】図５および図６Ａに関して述べたと同様な方法で、演算増幅器５１からの電流
は、バッファ回路５５を介して回路の２つの抵抗分岐、すなわち、抵抗Ｒ’およ
びＲ’’を含む第１の抵抗分岐と抵抗Ｒ’’’およびコイルＲ₂を含む第２の抵
抗分岐とに対して与えられる。図５および図６の回路におけるように、高利得演
算増幅器５１の入力の一方は第１の抵抗分岐の直列接続Ｒ’およびＲ’’の間に
接続され、他方は第２の抵抗分岐の直列接続Ｒ’’’およびＲ₂の間に接続され
る。コイルＲ₂には、コイルＲ₁と高利得演算増幅器５３の反転（−）入力とが接
続され、演算増幅器５３の非反転（＋）入力は接地される。図５および図６の回
路におけるように、各抵抗分岐の中間点に対して演算増幅器５１の各入力を接続
し、コイルＲ２を仮想接地することにより、第１の抵抗分岐の中間点における電
圧を第２の抵抗分岐の中間点における電圧と等しくなるようにし、その結果、Ｒ
’／Ｒ’’＝Ｒ’’’／Ｒ₂となる。再び、Ｒ’およびＲ’’の直列接続は分圧
器として働き、Ｒ’’の値を調整することにより、コイルＲ₂の抵抗値、従って
温度を任意の所望値に設定することができる。

【００６０】図６Ａの回路とは対照的に、図７の回路は、演算増幅器５１の反転（−）入力
に接続される非反転（＋）入力と、演算増幅器７１の出力からフィードバックさ
れる反転（−）入力とを持つ高利得の演算増幅器７１を備える。動作において、
演算増幅器７１は、電圧Ｖ₂をミラーリングしてこの電圧をＲ₂’へ与えるバッフ
ァとして働く。Ｒ₂’とＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の中間点には、高
利得の演算増幅器７２が接続される。演算増幅器７２の反転（−）入力は第３の
抵抗分岐の中間点に接続され、演算増幅器７２の非反転（＋）入力は接地される
。演算増幅器７２の出力はＲ₁’を介してフィードバックされるとともにコイル
Ｒ₁に接続される。第４の抵抗分岐がＲ₂およびＲ₁の直列接続により形成される
。演算増幅器７２は、Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の中間
点における電圧を、Ｒ₂およびＲ₁により形成される第４の抵抗分岐の中間点にお
ける電圧に等しくなるようにするよう働くので、その結果、同じ比例電流がＲ₂
’とＲ₂およびＲ₁’とＲ₁に流れる。その結果、比Ｒ₂’／Ｒ₁’はＲ₂／Ｒ₁と等
しくなる。

【００６１】参照番号７５により示される図７の回路の残部は、上流側のコイルＲ₁の抵抗
値がコイルＲ₂の抵抗値に等しくなるようにコイルＲ₁に電流量ΔＩを与えるよう
調整可能な電流源として機能する。図示のように、抵抗Ｒ₃が演算増幅器５３の
反転（−）入力と出力との間に接続され、抵抗Ｒ₃’は演算増幅器５３の出力と
、Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の中間点との間に接続され
、演算増幅器５３の非反転（＋）入力は接地される。

【００６２】Ｒ₂とＲ₁とにより形成される第４の抵抗分岐の中間点における電流は、

【００６３】

【数１２】Ｉ₂＋ΔＩ−Ｉ₁＝０（１４）なる関係により支配される。−Ｖ₀＝ΔＩＲ₃、Ｖ₂＝Ｉ₂Ｒ₂、Ｖ₁＝Ｉ₁Ｒ₁である
から、これらの関係を式１４へ代入すると、Ｒ₁＝Ｒ₂＝Ｒ₁であるとき、

【００６４】

【数１３】Ｖ₀＝（Ｖ₂／Ｒ₂−Ｖ₁／Ｒ₁）×Ｒ₃＝（Ｖ₂−Ｖ₁）×Ｒ₃／Ｒ（１５） ΔＩ／Ｉ₂＝（Ｖ₂−Ｖ₁）／Ｖ₂ （１６）なる関係が成り立つ。この関係は、式４および１１に示される関係と同じ関係で
ある。

【００６５】先に述べたように、図７の回路は、上流側のコイルＲ₁の抵抗値が下流側のコ
イルＲ₂の抵抗値に等しくなるように、電流量ΔＩを上流側のコイルＲ₁へ与える
ように働く。理解されるように、演算増幅器５３の出力Ｖ₀が変化するとき、比
Ｒ₁／Ｒ₁’＝Ｒ₂／Ｒ₂’＝Ｒ₃／Ｒ₃’＝Ｋである限り、図７の回路は平衡状態を
維持する。但し、Ｋは定数である。このように、従来の定温型質量流量センサと
は対照的に、図７の回路は、構成要素の値の比が温度に関して等しく且つ安定し
ている限り、構成要素の値の厳密な整合を必要としない。

【００６６】理解されるように、図７の回路は、回路の基本動作から逸脱することなく多く
の方法で変更し得る。例えば、高利得の演算増幅器７１は利得１のバッファで置
換することができる。あるいはまた、高利得の演算増幅器７１は除去することも
でき、また、Ｒ₂とＲ₂’の並列接続によりＲ’’’を割ったものと比Ｒ’／Ｒ’
’とが等しいように抵抗Ｒ₂’を演算増幅器５１の反転（−）入力に直接接続す
ることもできる。更に、図７ならびに図５、図６Ａにおいて、直接接地されるよ
うに示される接続は、代替的に、１つ以上の抵抗を介して接地することができる
。また理解されるように、演算増幅器７２、５３は第３の抵抗分岐および第４の
抵抗分岐の中間点を特定のレベルに維持するように機能するので、同様の結果を
達成するために他の回路形態を用い得る。例えば、演算増幅器７２の非反転（＋
）入力を接地する代わりに、この入力をコイルＲ₂およびＲ₁により形成される第
４の抵抗分岐の中間点に接続することができ、あるいは、演算増幅器５３の非反
転（＋）入力を抵抗Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の中間点
に接続することができる。これらの代替的な構成のそれぞれは、抵抗分岐の中間
点を、接地電位であることを必要としない既知のレベルにする。加えて、これら
の代替的な各構成は、演算増幅器５３、７２間の差異に起因するオフセット誤差
を低減するのに役立つが、回路を不安定にする傾向がある。

【００６７】図７の質量流量センサは、図６Ａのような（先に述べた）定温上昇型センサで
はなく、定温型質量流量センサである。このため、図７の回路は、ディジタル／
アナログ・コンバータあるいはアナログ／ディジタル・コンバータを必要としな
い。無論、理解されるように、図７の回路は、図６Ａと類似の方法で（先に述べ
た）定温上昇型センサを提供するように変更できる。例えば、ディジタル／アナ
ログ・コンバータは、比Ｒ’’／Ｒ’および比Ｒ₃／Ｒ₃’を所望の値へ設定する
のに用いることができる。あるいはまた、高い熱抵抗係数を持つ１つ以上の抵抗
（例えば、Ｒ’’）を用いて、センサ導管へ流入する流体の周囲温度の変化を自
動的に補償することができる。

【００６８】図８は、本発明の別の実施の形態による質量流量センサを示している。図８の
質量流量センサは、図７に関して先に述べた質量流量センサと動作が類似する。
しかし、高利得の演算増幅器７１は、Ｒ’’’およびＲ₂を含む第２の抵抗分岐
の中間点と演算増幅器５１の反転（−）入力と抵抗Ｒ₂’との間に接続された利
得１のバッファ７１’で置換されている。その結果、演算増幅器５１の反転（−
）入力は、図７におけるように演算増幅器７１を介してではなく、抵抗Ｒ₂’に
対し直接に接続される。利得１のバッファ７１′は電圧Ｖ₂をミラーリングし、
この電圧をＲ₂’およびＲ₁’の直列接続により形成される第３の抵抗分岐へ与え
る。その結果、Ｒ₂’とＲ₂を流れる電流およびＲ₁’とＲ₁を流れる電流は等しく
なり、比Ｒ₂’／Ｒ₁’はＲ₂／Ｒ₁に等しくなる。

【００６９】図７と類似の方法で、図８の回路は、上流側のコイルＲ₁の抵抗値がコイルＲ₂ の抵抗値に等しくなるように、コイルＲ₁に対し電流量ΔＩを与えるよう動作す
る。演算増幅器５３の出力電圧Ｖ₀が変化すると、図８の回路もまた、比Ｒ₁／Ｒ ₁ ’＝Ｒ₂／Ｒ₂’＝Ｒ₃／Ｒ₃’である限り、平衡状態を維持する。このように、
従来の定温型質量流量センサとは対照的に、構成要素の厳密な整合は要求されな
い。

【００７０】図７の回路のように、図８の回路は、回路の基本動作から逸脱することなく多
くの方法で修正することができる。このため、例えば、演算増幅器７２の非反転
（＋）入力は、接地されるのでなく、コイルＲ₂およびＲ₁により形成される第４
の抵抗分岐の中間点に接続され、あるいはまた、演算増幅器５３の非反転（＋）
入力は、接地されるのではなく、抵抗Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される第３の
抵抗分岐の中間点に接続される。更にこの他、図８の回路は、定温型質量流量セ
ンサではなく、（周囲温度に対する）定温上昇型質量流量センサを提供するよう
修正され得る。例えば、抵抗Ｒ’およびＲ’’の直列の組み合わせは、演算増幅
器５１の出力を受取る基準電圧入力と、演算増幅器５１の非反転（＋）入力に接
続される出力と、Ｒ₂の値を所望の値に設定するよう適正値にされた入力ワード
を受取る入力とを有するディジタル／アナログ・コンバータで置換してもよい。
同様に、比Ｒ₃／Ｒ₃’をＲ₂／Ｒ₂’の値に等しいように調整するため（あるいは
比ΔＩ／ΔＩ’が比Ｉ₂／Ｉ₂’に等しくなるように）、別のディジタル／アナロ
グ・コンバータを用いることもできる。これは、演算増幅器５３の出力を受取る
基準電圧入力と、抵抗Ｒ₃に結合された出力と、コイルＲ₃の値を所望値に設定す
るよう適正値にされた入力ワードを受取る入力とを有するディジタル／アナログ
・コンバータを、演算増幅器５３の出力と抵抗Ｒ₃との間に付設することによっ
て行われる。

【００７１】図９は、本発明の別の実施の形態による質量流量センサを示している。図９の
質量流量センサは、動作において、図８に関して先に述べた質量流量センサに類
似する。しかし、図９における演算増幅器５３、７２の構成は、図８における構
成と実質的に逆である。図９において、演算増幅器７２の反転（−）入力はＲ₂
’およびＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の中間点に接続され、演算増幅
器７２の非反転（＋）入力は接地される。しかし、図８の回路とは対照的に、演
算増幅器７２の出力は、コイルＲ₁およびコイルＲ₂により形成される第４の抵抗
分岐の中間点に抵抗Ｒ₃’を介して接続されるとともに演算増幅器７２の反転（
−）入力に対し抵抗Ｒ₃を介してフィードバックされる。演算増幅器５３の反転
（−）入力は、コイルＲ₁およびコイルＲ₂により形成される第４の抵抗分岐の中
間点にも接続され、演算増幅器の非反転（＋）入力は接地される。このため、図
９においては、コイルＲ₁の抵抗値がコイルＲ₂の抵抗値に等しくなるように必要
量の電流ΔＩを上流側のコイルＲ₁へ与える回路の部分は、演算増幅器７２と抵
抗Ｒ₃、Ｒ₃’とを含む。有利なことに、抵抗Ｒ₃’は、センサ導管へ流入する流
体の周囲温度における変化に拘わらず利得／温度係数を除去して一定利得を提供
する値へ設定することができる可変抵抗であってよい。

【００７２】図８と類似の方法において、図９の回路は、コイルＲ₁の抵抗値がコイルＲ₂の
抵抗値と等しくなるように、上流側のコイルＲ₁に対し電流量ΔＩを与えるよう
動作する。ここでも、演算増幅器５３の出力Ｖ₀が変化すると、図９の回路もま
た、比Ｒ₁／Ｒ₁’＝Ｒ₂／Ｒ₂’＝Ｒ₃／Ｒ₃’である限り、平衡状態を維持する。
このように、従来の定温型質量流量センサとは対照的に、構成要素の厳密な整合
は要求されない。

【００７３】図８の回路のように、図９の回路もまた、回路の基本動作を維持ながら多くの
方法で修正することができる。つまり、例えば、演算増幅器７２の非反転（＋）
入力は、接地されるのではなく、コイルＲ₂とＲ₁とにより形成される第４の抵抗
分岐の中間点に接続され、あるいは、演算増幅器５３の非反転（＋）入力は、接
地されるのではなく、抵抗Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される第３の抵抗分岐の
中間点に接続されてもよい。更に、用途によっては、演算増幅器７２の反転（−
）入力が接地され、非反転（＋）入力が抵抗Ｒ₂’およびＲ₁’により形成される
第３の抵抗分岐の中間点に接続されるように、演算増幅器７２の接続を逆にする
ことが望ましい。図７および図８の回路のように、図９の回路は、Ｒ₂およびＲ₃ の値を所望値へ調整および／または設定することができるディジタル／アナログ
・コンバータを用いるように変更してもよい。

【００７４】理解されるように、図５、図６Ａおよび図７ないし図９の質量流量センサの各
々は、オーバーシュートあるいはリンギングを生じることなくセンサの過渡的応
答を改善する１つ以上の安定化回路の使用から利益が得られる。当該技術におい
て周知であり図５、図６Ａおよび図７ないし図９に関して述べた質量流量センサ
と関連して用いられる広範囲の安定化回路が存在するので、こうした回路の詳細
な記述はここでは省略される。

【００７５】ここまで、本発明の実施の形態を、下流側のコイルの温度、従って抵抗値を所
定の値へ設定し、次いで、上流側のコイルへ与えられる電流量を下流側のコイル
の抵抗値、従って温度と等しくなるよう調整することに関して説明してきたが、
理解されるように、本発明はこれに限定されるものでない。この点においては、
図５、図６Ａおよび図７ないし図９の回路におけるコイルＲ₁およびＲ₂の位置は
、これら回路が上流側コイルの温度、従って抵抗値を所定の値へ設定し、次いで
、下流側のコイルへ与えられる電流量を上流側のコイルの抵抗値、従って温度に
等しくなるよう調整するように、反対にすることができる。

【００７６】更に、本発明の実施の形態を、半導体の製造プロセスに特に適する質量流量セ
ンサに関して記述したが、理解されるように、本発明の実施の形態は他の用途お
よびプロセスにおいて用いられ得る。例えば、本発明の実施の形態は、燃焼室へ
供給されるガソリン、ディーゼル燃料あるいは空気のような流体の量を計測する
自動車の用途において用いることができる。更に、本発明の実施の形態は、質量
流量センサに限定されるものではない。他のセンサおよび検出回路においても用
いることができるからである。例えば、本発明の実施の形態は、加熱抵抗線型風
力計や、抵抗値と共に変動する特性の変化を抵抗ブリッジ回路の脚の抵抗値の変
動が表わす任意の他の用途における使用のため容易に適合され得る。

【００７７】本発明の幾つかの実施の形態について詳述したが、当業者には種々の変更およ
び改善が容易に想起されよう。このような変更および改善は、本発明の範囲内に
含まれるものとする。従って、上記の説明は単なる例示に過ぎず、限定的なもの
ではない。本発明は、請求の範囲およびその等価物によって定義されたものとし
てのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による定電流型質量流量センサである。

【図２】従来技術による定温型質量流量センサである。

【図３】従来技術による、流体の周囲温度の変化に対応することが可能な定温型質量流
量センサである。

【図４】従来技術による、流体の周囲温度の変化に対応することが可能な別の定温型質
量流量センサである。

【図５】本発明の一つの実施の形態による定温型質量流量センサである。

【図６】図６Ａは、本発明の別の実施の形態による定温型質量流量センサである。図６Ｂは、図６Ａの定温型質量流量センサにおいて用いられる温度設定ルーチ
ンのフローチャートである。

【図７】本発明の更に別の実施の形態による定温型質量流量センサである。

【図８】本発明の更に別の実施の形態による定温型質量流量センサである。

【図９】本発明の更に別の実施の形態による定温型質量流量センサである。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者アーダネータ，ニールソンアメリカ合衆国カリフォルニア州92626，コスタ・メサ，ノーズ・アヴェニュー 2401 Ｆターム(参考） 2F035 AA02 AA06 EA01 EA04 EA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサであって、物理特性の変化に応答して変動する抵抗値をそれぞれ有する第１の抵抗および
第２の抵抗と、前記第１の抵抗に電気的に結合され、該第１の抵抗の抵抗値を設定する第１の
回路と、前記第２の抵抗に電気的に結合され、該第２の抵抗の抵抗値を前記第１の抵抗
の抵抗値と等しくなるよう調整する第２の回路と、を備えるセンサ。
【請求項２】前記第１の回路および前記第２の回路に結合された処理回路
であって、前記第１の抵抗に対し前記第１の回路により与えられるエネルギと前
記第２の抵抗に対し前記第２の回路により与えられるエネルギとの量の差を計測
する処理回路を更に備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】前記第２の回路が、前記第２の抵抗へ与えられる電流量を変
化させることにより、前記第２の抵抗の抵抗値を調整する、請求項１記載のセン
サ。
【請求項４】前記第１の抵抗および前記第２の抵抗が配置される導管を流
れる流体の質量流量を計測する質量流量センサである、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】前記第１の抵抗が設定される抵抗値が、前記導管に流入する
流体の周囲温度より高い温度に対応するよう設定される、請求項４記載のセンサ
。
【請求項６】前記第１の抵抗が設定される抵抗値が、前記導管に流入する
流体の周囲温度より約３０ないし１００°高い温度に対応するよう設定される、
請求項４記載のセンサ。
【請求項７】前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の抵抗値が温度の変化
に応じて変動する、請求項１記載のセンサ。
【請求項８】前記第１の回路が、前記第１の抵抗の抵抗値を設定するプロ
グラム可能な分圧器を含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】前記第１の回路が、前記第１の抵抗の抵抗値を設定するディ
ジタル／アナログ・コンバータを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】前記第１の回路が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ増幅器と、前記増幅器の第１の入力に電気的に結合され、前記第１の抵抗が設定される抵
抗値を決定する電圧基準と、前記増幅器の前記第２の入力と該増幅器の前記出力との間に電気的に結合され
た第３の抵抗と、を含み、前記第１の抵抗が、前記第２の抵抗および前記第３の抵抗との間に電気
的に直列に結合される、請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】前記電圧基準がプログラム可能な分圧器を含む、請求項１
０記載のセンサ。
【請求項１２】前記増幅器が第１の増幅器であり、前記第２の回路が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第２の増幅器であって、該第２の増幅
器の前記第１の入力が基準電位端子に電気的に結合され、前記第２の入力が前記
第１の抵抗および前記第２の抵抗に電気的に結合され、前記第２の抵抗が前記第
２の増幅器の前記第２の入力と該第２の増幅器の前記出力との間に電気的に結合
される第２の増幅器と、前記第２の増幅器の前記第２の入力と前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とに電
気的に結合される電流源と、を含む、請求項１０記載のセンサ。
【請求項１３】前記電流源が、出力を持つディジタル／アナログ・コンバータと、前記ディジタル／アナログ・コンバータの出力と、前記第２の増幅器の前記第
２の入力との間に電気的に結合された第４の抵抗と、を含む、請求項１２記載のセンサ。
【請求項１４】前記電流源が更に、入力と出力とを持つアナログ／ディジタル・コンバータと、前記アナログ／ディジタル・コンバータの前記出力に電気的に結合される入力
を持ち、前記ディジタル／アナログ・コンバータの前記入力に電気的に結合され
る出力を持つ比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラと、を含む、請求項１３記載のセンサ。
【請求項１５】前記第１の抵抗および前記第２の抵抗を前記第１の増幅器
の前記第２の入力に電気的に結合するバッファと、前記第１の増幅器の前記第２の入力と前記第２の増幅器の前記出力との間に電
気的に直列に結合される第４の抵抗および第５の抵抗と、を更に備える、請求項１２記載のセンサ。
【請求項１６】前記基準電位端子が第１の基準電位端子であり、前記電流源が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第３の増幅器であって、該第３の増幅
器の前記第１の入力が、前記第１の基準電位端子と同じ基準電位を持つ第２の基
準電位端子に電気的に結合された第３の増幅器と、前記第３の増幅器の前記出力と前記第１の抵抗と前記第２の抵抗と前記第２の
増幅器の前記第２の入力との間に電気的に結合された第６の抵抗と、前記第３の増幅器と前記第４の抵抗と前記第５の抵抗との間に電気的に結合さ
れる第７の抵抗と、を含む、請求項１５記載のセンサ。
【請求項１７】前記増幅器が第１の増幅器であり、前記第２の回路が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第２の増幅器であって、該第２の増幅
器の前記第１の入力が基準電位端子に電気的に結合された第２の増幅器と、前記第１の増幅器の前記第２の入力と前記第２の増幅器の前記出力との間に電
気的に直列に結合され、且つ、前記第２の増幅器の前記第２の入力が電気的に結
合された前記第４および第５の抵抗と、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とに電気的に結合された電流源と、を含む、請求項１０記載のセンサ。
【請求項１８】前記基準電位端子が第１の基準電位端子であり、前記電流源が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第３の増幅器であって、該第３の増幅
器の前記第１の入力が、前記第１の基準電位端子と同じ基準電位を持つ第２の基
準電位端子に電気的に結合された第３の増幅器と、前記第３の増幅器の前記出力と該第３の増幅器の前記第２の入力との間に電気
的に結合され、且つ、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とに電気的に結合された
第６の抵抗と、前記第３の増幅器の前記出力と前記第２の増幅器の前記第２の入力との間に電
気的に結合され、且つ、前記第４の抵抗および前記第５の抵抗に電気的に結合さ
れる第７の抵抗と、を含む、請求項１７記載のセンサ。
【請求項１９】質量流量センサであって、流体が通過する導管の隔てられた位置に配置され、それぞれ温度と共に変化す
る抵抗値を持つ第１の感熱コイルおよび第２の感熱コイルと、前記第１の感熱コイルに電気的に結合され、該第１の感熱コイルの抵抗値を所
定の温度に対応する値へ設定する第１の回路と、前記第２の感熱コイルに電気的に結合され、該第２の感熱コイルの抵抗値が前
記第１の感熱コイルの抵抗値と等しくなるように、前記第２の感熱コイルへ与え
られる電流量を調整する第２の回路と、前記第１の回路および前記第２の回路に結合され、前記第１の感熱コイルに対
し前記第１の回路により与えられるエネルギと前記第２の感熱コイルに対し前記
第２の回路により与えられるエネルギとの量の差を計測する処理回路と、を備える質量流量センサ。
【請求項２０】前記第１の感熱コイルが設定される抵抗値が、前記導管に
流入する流体の周囲温度より高い所定の温度に対応する、請求項１９記載の質量
流量センサ。
【請求項２１】前記第１の感熱コイルが設定される抵抗値が、前記導管に
流入する流体の周囲温度より約３０ないし１００℃高い所定の温度に対応する、
請求項１９記載の質量流量センサ。
【請求項２２】前記第１の回路が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ増幅器と、前記増幅器の前記第１の入力に電気的に結合され、前記第１の感熱コイルが設
定される抵抗値を決定する電圧基準と、前記増幅器の前記第２の入力と該増幅器の前記出力との間に電気的に結合され
た第１の抵抗と、を含み、前記第１の感熱コイルが、前記第２の感熱コイルと前記第１の抵抗との
間に電気的に直列に結合される、請求項１９記載の質量流量センサ。
【請求項２３】前記増幅器が第１の増幅器であり、前記第２の回路が、第１の入力と第２の入力との出力とを持つ第２の増幅器であって、該第２の増
幅器の第１の入力が基準電位端子に電気的に結合され、前記第２の入力が前記第
１の感熱コイルおよび前記第２の感熱コイルに電気的に結合され、前記第２の感
熱コイルが前記第２の増幅器の前記第２の入力と該第２の増幅器の前記出力との
間に電気的に結合された第２の増幅器と、前記第２の増幅器の前記第２の入力と前記第１の感熱コイルと前記第２の感熱
コイルとに電気的に結合された電流源と、を含む、請求項２２記載の質量流量センサ。
【請求項２４】前記電流源が、出力を持つディジタル／アナログ・コンバータと、前記ディジタル／アナログ・コンバータの前記出力と、前記第２の増幅器の前
記第２の入力との間に電気的に結合された第２の抵抗と、を含む、請求項２３記載の質量流量センサ。
【請求項２５】前記電流源が更に、入力と出力とを持つアナログ／ディジタル・コンバータと、前記アナログ／ディジタル・コンバータの前記出力に電気的に結合された入力
と、前記ディジタル／アナログ・コンバータの前記入力に電気的に結合された出
力とを持つ比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラと、を含む、請求項２４記載の質量流量センサ。
【請求項２６】前記質量流量センサが質量流量コントローラに含まれる、
請求項２５記載の質量流量センサ。
【請求項２７】前記第１の感熱コイルと前記第１の抵抗とを前記第１の増
幅器の前記第２の入力に電気的に結合されたバッファと、前記第１の増幅器の前記第２の入力と前記第２の増幅器の前記出力との間に電
気的に直列に結合された第２の抵抗および第３の抵抗と、を更に備える、請求項２３記載の質量流量センサ。
【請求項２８】前記基準電位端子が第１の基準電位端子であり、前記電流源が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第３の増幅器であって、該第３の増幅
器の前記第１の入力が、前記第１の基準電位端子と同じ基準電位を持つ第２の基
準電位端子に電気的に結合された第３の増幅器と、前記第３の増幅器の前記出力と前記第１の感熱コイルと前記第２の感熱コイル
と前記第２の増幅器の前記第２の入力との間に電気的に結合された第４の抵抗と
、前記第３の増幅器の前記出力と前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との間に電気
的に結合された第５の抵抗と、を含む、請求項２７記載の質量流量センサ。
【請求項２９】前記質量流量センサが質量流量コントローラに含まれる、
請求項２８記載の質量流量センサ。
【請求項３０】前記増幅器が第１の増幅器であり、前記第２の回路が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第２の増幅器であって、該第２の増幅
器の前記第１の入力が基準電位端子に電気的に結合された第２の増幅器と、前記第１の増幅器の前記第２の入力と前記第２の増幅器の前記出力との間に電
気的に直列に結合され、且つ、前記第２の増幅器の前記第２の入力に電気的に結
合される第２の抵抗および第３の抵抗と、前記第１の感熱コイルおよび前記第２の感熱コイルに電気的に結合される電流
源と、を含む、請求項２２記載の質量流量センサ。
【請求項３１】前記基準電位端子が第１の基準電位端子であり、前記電流源が、第１の入力と第２の入力と出力とを持つ第３の増幅器であって、該第３の増幅
器の前記第１の入力が、前記第１の基準電位端子と同じ基準電位を持つ第２の基
準電位端子に電気的に結合された第3の増幅器と、前記第３の増幅器の前記出力と該第３の増幅器の前記第２の入力との間に電気
的に結合され、且つ、前記第１の感熱コイルおよび前記第２の感熱コイルに電気
的に結合された第4の抵抗と、前記第３の増幅器の前記出力と前記第２の増幅器の前記第２の入力との間に電
気的に結合され、且つ前記第１および第２の抵抗に電気的に結合された第5の抵
抗と、を含む、請求項３０記載の質量流量センサ。
【請求項３２】前記質量流量センサが質量流量コントローラに含まれる、
請求項３１記載の質量流量センサ。
【請求項３３】第１の抵抗の抵抗値と第２の抵抗の抵抗値とを平衡させる
方法であって、前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の抵抗値が温度と共に変化
する方法であって、（ａ）前記第１の抵抗の抵抗値を第１の値に設定するステップと、（ｂ）前記第２の抵抗の抵抗値が前記第１の抵抗の前記第１の値と整合するよ
うに、前記第２の抵抗に対し電流量を与えるステップと、を含む方法。
【請求項３４】前記ステップ（ａ）が、（ｃ）前記第１の抵抗が設定されるべき温度を決定するステップと、（ｄ）前記ステップ（ｃ）において決定される温度に対応する抵抗値へ前記第
１の抵抗の抵抗値を設定するステップと、を含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】前記ステップ（ｃ）が、（ｅ）前記第１の抵抗と前記第２の抵抗とが配置される導管へ流入する流体の
周囲温度を計測するステップと、（ｆ）前記ステップ（ｅ）において計測された周囲温度を所定の量だけ増分す
るステップと、を含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】前記ステップ（ｄ）が、（ｇ）前記第１の抵抗の抵抗値を前記第１の値にするため、プログラム可能な
分圧器により与えられるべき分割比を決定するステップと、（ｈ）決定された前記分割比を与えるように、プログラム可能な前記分圧器を
構成するステップと、を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】抵抗の抵抗値を設定する方法であって、（ａ）前記抵抗が配置される導管へ流入する流体の周囲温度を計測するステッ
プと、（ｂ）前記ステップ（ａ）において計測された周囲温度を所定の量だけ増分し
て、前記抵抗が設定されるべき温度を識別するステップと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）において識別された温度に対応する抵抗値を計算す
るステップと、（ｄ）前記抵抗の抵抗値を前記ステップ（ｃ）において計算された値にするた
め、プログラム可能な分圧器により与えられる分割比を決定するステップと、（ｅ）前記ステップ（ｄ）において決定された分割比を与えるように前記プロ
グラム可能な分圧器を構成するステップと、を含む方法。