JP2009243887A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】加熱手段の制御を適宜最適化することにより測定性能を高めた圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力を検出する受圧部１と、受圧部１を外部電源６から供給された電力により加熱するヒータ２と、受圧部１の温度を検出する受圧部温度センサ３と、受圧部温度センサ３によって検出された温度が予め設定された設定温度となるようにヒータ２の加熱量を制御するヒータ制御回路４とを備える圧力センサであって、外部電源６の電圧を検出する電源電圧検出回路２６と、電源電圧検出回路２６によって検出された電圧に応じたＰＩＤパラメータを算出するコントローラ５とを備える。ヒータ制御回路４は、コントローラ５によって算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則によりヒータ２の加熱量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱手段を備えた圧力センサに関する。

従来、この種の圧力センサとしては、例えば、特許文献１に示すように、センサの外壁部分に加熱手段としてのヒータを巻き付けてなるものが知られている。かかる圧力センサでは、センサ全体を一定温度に保持するように外部電源から温度制御回路を介して加熱手段に電力を供給する。

ここで、圧力センサは、計測対象物の物性等を変化させないために対象物の温度と等しい温度に保持する必要がある。特に、高温のガスが計測対象となる半導体製造装置等に圧力センサが使用される場合には、センサの温度がガスの温度よりも低いと、ガスが液化や固化してセンサ部に付着し得る。逆に、センサの温度がガスの温度よりも高いと、ガスを化学分解させてしまい、組成を変化させてしまうことがある。
特開平５−２８１０７３号公報

しかしながら、従来の圧力センサでは、温度制御回路がアナログ回路により構成されている。そのため、温度低下を抑止するよう応答性を高めると、安定性が損なわれてセンサ温度を一定値に保つことが難しくなる。また、応答性を高めることで立ち上がり時間は短縮されるが、オーバーシュートが発生し得るという不都合を生じる。

また、従来のアナログ回路では、設計段階で応答性等に関するパラメータが設定されると、事後的にパラメータを変更することは困難である。そのため、外部電源の変更や計測対象の変更による加熱温度の変更が必要な場合には、従前の圧力センサでは対応できないという問題があった。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、加熱手段の制御を適宜最適化することにより測定性能を高めた圧力センサを提供することを目的とする。

第１発明の圧力センサは、圧力を検出する受圧部と、該受圧部を外部電源から供給された電力により加熱する加熱手段と、該受圧部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記外部電源の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出された電圧に応じたＰＩＤパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、前記制御手段は、前記パラメータ算出手段によって算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則により前記加熱手段の加熱量を制御することを特徴とする。

第１発明の圧力センサによれば、加熱手段は、ＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則によって温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように制御量が決定される。そのため、適当なＰＩＤパラメータを算出することで、加熱手段における応答性を高めつつ、定常状態における安定性を維持し、立ち上がり時のオーバーシュートの発生も抑えることができる。

さらに、パラメータ算出手段は、外部電源の電圧を電圧検出手段を介してモニターしており、外部電源が変更されたときは、その変更された外部電源の電圧に応じたＰＩＤパラメータを設定する。そのため、設備の拡充等に伴い外部電源が変更された場合にも、その電圧に応じた最適なＰＩＤパラメータが算出され、１つの圧力センサを幅広い電源電圧のレンジに対応させて使用することができる。

このように、第１発明の圧力センサによれば、加熱手段の制御を最適化することにより受圧部の温度管理を精度よく行うことができ、ひいては測定性能を高めることができる。

第２発明の圧力センサは、圧力を検出する受圧部と、該受圧部を外部電源から供給された電力により加熱する加熱手段と、該受圧部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記設定温度に応じたＰＩＤパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、前記制御手段は、前記パラメータ算出手段によって算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則により前記加熱手段の加熱量を制御することを特徴とする。

第２発明の圧力センサによれば、加熱手段は、ＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則によって温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように制御量が決定される。そのため、適当なＰＩＤパラメータを算出することで、加熱手段における応答性を高めつつ、定常状態における安定性を維持し、立ち上がり時のオーバーシュートの発生も抑えることができる。

さらに、パラメータ算出手段は、設定温度をモニターしており、設定温度が変更されたときは、その変更された設定温度に応じたＰＩＤパラメータを設定する。そのため、計測対象の変更等に伴い設定温度が変更された場合にも、該設定温度に応じた最適なＰＩＤパラメータが算出され、１つの圧力センサを幅広い設定温度のレンジに対応させて使用することができる。

このように、第２発明の圧力センサによれば、加熱手段の制御を最適化することにより受圧部の温度管理を精度よく行うことができ、ひいては測定性能を高めることができる。

第３発明の圧力センサは、第１発明の圧力センサにおいて、前記電圧検出手段によって検出された電圧に基づいて前記加熱手段の最大加熱量を設定する加熱量設定手段を備え、前記制御手段は、前記加熱手段の加熱量が前記最大加熱量を超える場合に、該加熱量を該最大加熱量に制限することを特徴とする。

また、第４発明の圧力センサは、第２発明の圧力センサにおいて、前記設定温度に応じて最大加熱量を設定する加熱量設定手段を備え、前記制御手段は、前記加熱手段の加熱量が前記最大加熱量を超える場合に、該加熱量を該最大加熱量に制限することを特徴とする。

かかる第３発明および第４発明の圧力センサによれば、前記のように、外部電源の電圧や設定温度に応じた最適なＰＩＤパラメータを算出してフィードバック制御則による制御を加熱手段において実行する場合に、加熱手段が最大加熱量を超えて使用されることを回避することができる。これにより、加熱手段の性能維持を図りつつ、受圧部の温度管理を精度よく行って測定性能を高めることができる。

さらに、第５発明の圧力センサは、第１〜第４発明のいずれかの圧力センサにおいて、前記制御手段は、エラーを検知した場合に前記加熱量または前記最大加熱量を０にすることを特徴とする。

第５発明の圧力センサによれば、エラーを検知した場合に加熱量または最大加熱量を０にすることで、受圧部の温度管理の精度を向上させ測定性能を高めた場合にも、高い安全性能を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態としての圧力センサについて説明する。図１は、圧力センサの構成を示すブロック図であり、図２は、圧力センサにおける処理を示すフローチャートである。

本実施形態の圧力センサは、被測定圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造を備えたものであり、特に真空に近い圧力を測定するのに適している。

図１に示すように、本実施形態の圧力センサは、圧力を検出する受圧部１と、受圧部１を加熱する加熱手段としてのヒータ２と、受圧部１の温度を検出する受圧部温度センサ３（本発明の温度検出手段に相当する）と、受圧部温度センサ３によって検出された温度が予め設定された設定温度となるようにヒータ２の加熱量を制御するヒータ制御回路４（本発明の制御手段に相当する）と、少なくともヒータ制御回路４の制御パラメータを算出するコントローラ５とを備える。

受圧部１は、静電容量式のセンサチップより構成された容量センサ１１を備える。容量センサ１１の構成は、例えば本出願人による特開２００２−２６７５５９号、特開２００６−３２３４号に記載されている構成と同じであるので、詳細な説明は省略するが、容量センサ１１は、圧力の印加に応じてひずみが生じるセンサダイアフラムを備え、センサダイアフラムが撓んでセンサチップの固定電極と可動電極との間隔が変化することによるコンデンサの容量値の変化を検出する。

容量センサ１１から出力されたコンデンサの容量値の変化に対応する信号は、容量検出回路２１に入力される。容量検出回路２１では、入力された容量値の変化に対応する信号を増幅して、半波整流または全波整流回路とローパスフィルタとにより直流検出信号に変換される。

ヒータ２は、通電量に応じた発熱量を発生する電熱線であって受圧部１に巻回されて、受圧部１全体を加熱する。ヒータ２は、ヒータ制御回路４を介して接続された外部電源６から電力の供給を受けて発熱する。

受圧部温度センサ３は、受圧部１の容量センサ１１に隣接する位置に設けられ、受圧部１の温度に対応する信号を受圧部温度検出回路２３に出力する。受圧部温度検出回路２３は、入力された受圧部温度に対応する信号を増幅等して直流検出信号に変換して出力する。

また、各回路２１〜２３に隣接する位置には、受圧部１と回路２１〜２３との温度差による影響を補正するための参照温度を検出する回路温度検出回路２４が設けられている。回路温度検出回路２４は、図示しない温度センサを備えて回路２１〜２３の部分の温度を検出し、検出した回路部分の温度に対応する信号を増幅等して直流検出信号に変換して出力する。

さらに、電源電圧検出回路２６には、外部電源６が接続されている。電源電圧検出回路２６は、外部電源６の出力電圧を検出する電圧センサを備え、該電圧センサからの出力信号を増幅等して直流検出信号に変換して出力する。

各回路２１〜２４，２６から出力された直流検出信号は、アナログ‐デジタル変換回路３０を介して、デジタル信号に変換されてコントローラ５に入力される。

コントローラ５は、少なくともＣＰＵを含む演算処理に必要な各種ハードウェアにより構成される。コントローラ５には、アナログ‐デジタル変換回路３０を介して入力された各回路２１〜２４，２６からの信号に各種演算処理を行い、演算処理結果に応じた出力を行う。

コントローラ５による主な演算処理としては、容量検出回路２１から出力された容量センサ１１の検出値を、回路温度検出回路２４から出力された参照温度の検出値を用いて補正する処理を実行する。そして、算出された補正後の検出値をデジタル‐アナログ変換回路４０を介してアナログ信号に変換し、デジタル‐アナログ変換回路４０に接続された出力端子５０から所定の電圧（０〜１０Ｖ）で出力する。

尚、詳細は後述するが、コントローラ５は、少なくとも本発明のパラメータ算出手段と、加熱量設定手段としての機能を備える。

コントローラ５には、出力端子５０のほか、ローダ通信ポート５１と、イベント出力端子５２と、イベント動作ＬＥＤ５３と、ステータスＬＥＤ５４と、ゼロ調整スイッチ５５と、データメモリ５６とが接続されている。

ローダ通信ポート５１は、外部機器（コンピュータやデータロガー）に接続可能な入出力ポートであって、外部機器へのデータの出力のほか、外部機器からの当該圧力センサの設定および設定変更が可能となっている。

イベント出力端子５２は、ウォームアップ完了の有無のほか、計測圧力が予め設定された所定の圧力に到達したか否か、後述のエラー検知の有無により、所定の信号を出力する。この場合、１つのイベント出力端子５２を設定により選択的に用いてもよいが、それぞれの動作に連動する複数の出力端子を設けてもよい。

イベント動作ＬＥＤ５３は、イベント出力端子５２の出力状態／遮断状態に連動して、点灯／消灯する表示素子としての発光ダイオードである。なお、上述のように、複数の動作状態に応じてイベント出力端子５２の出力信号を変更する場合には、１つのイベント動作ＬＥＤ５３を各動作状態に対応させて、点灯のさせ方（点滅間隔）や点灯色を変更してもよいが、それぞれの動作状態に対応する複数の動作ＬＥＤを設けてもよい。

ステータスＬＥＤ５４は、後述のゼロ調整スイッチ５５に連動して、点灯（点滅）／消灯する表示素子としての発光ダイオードである。

ゼロ調整スイッチ５５は、出力値の０点調整を行うスイッチであって、オートゼロスイッチ５５ａと、アップゼロスイッチ５５ｂ及びダウンゼロスイッチ５５ｃとで構成されている。オートゼロスイッチ５５ａは、受圧部１を真空状態とした状態でＯＮさせることにより、コントローラ５がかかる状態での出力端子５０の出力を０に対応させる処理を実行する。

一方、アップゼロスイッチ５５ｂ及びダウンゼロスイッチ５５ｃは、かかる処理をユーザが該アップゼロスイッチ５５ｂ又はダウンゼロスイッチ５５ｃを操作することで手動で行うものである。すなわち、アップゼロスイッチ５５ｂは、これを１回ＯＮさせる毎にコントローラ５が出力端子５０の出力をプラスの側にシフトさせ、ダウンゼロスイッチ５５ｃは、これを１回ＯＮさせる毎にコントローラ５が出力端子５０の出力をマイナスの側にシフトさせる。

また、ステータスＬＥＤ５４は、かかるゼロ調整スイッチ５５に連動して、例えば、オートゼロスイッチ５５ａによる０点の調整中は、緑色に点滅し、調整終了後に消灯する。また、アップゼロスイッチ５５ｂ及びダウンゼロスイッチ５５ｃによる調整中は、赤色に点滅し、調整終了後は消灯する。

データメモリ５６は、コントローラ５によって算出された各種パラメータの算出値のほか各種設定値が記憶保持される。データメモリ５６は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、コントローラ５からのデータの読み出しおよび更新が可能に構成されている。

以上が、本実施形態の圧力センサの全体構成である。

次に、図２のフローチャートを参照して、コントローラ５が実行する、ヒータ制御回路４の制御パラメータ算出処理について説明する。

まず、コントローラ５は、電源電圧検出回路２６から出力された外部電源６の出力電圧値（Ｖ）と、データメモリ５６に記憶されているヒータ２の加熱温度の設定値とを取得する（ＳＴＥＰ１）。

次に、コントローラ５は、次式（１）に基づいてヒータ制御回路４を制御するためのＰＩＤ制御パラメータ（Ｐ，Ｔｉ，Ｔｄ）を、次式（２）〜（４）に基づいて算出する（ＳＴＥＰ２）。

ここで、式（１）の左辺のＯｕｔは、ヒータ２の加熱量（％）であり、右辺のＰＶは、受圧部温度センサ３の温度検出値（℃）であり、ｓは、ラプラス演算子である。また、式（２）〜（４）の右辺のＶｉｎは、外部電源６の出力電圧値（Ｖ）であり、ＳＴは、ヒータ２の加熱温度の設定値（℃）であり、α1〜α3,β1〜β3,γ1〜γ3は、演算係数（固定値）である。

これにより、式（１）で示されるように、ヒータの加熱量は、式（２）〜（４）により算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則によって、受圧部温度センサ３の温度検出値（℃）がヒータ２の加熱温度の設定値（℃）となるように制御量が決定される。そのため、適当なＰＩＤパラメータを算出することで、加熱手段における応答性を高めつつ、定常状態における安定性を維持し、立ち上がり時のオーバーシュートの発生も抑えることができる。

さらに、式（２）〜（４）により算出されたＰＩＤパラメータは、外部電源６の出力電圧値（Ｖ）と、ヒータ２の加熱温度の設定値（℃）とを加味した値に設定される。そのため、設備の拡充等に伴い外部電源の規格が変更された場合にも、該電源の出力電圧値に応じた最適なＰＩＤパラメータが算出され、１つの圧力センサを幅広い電源電圧のレンジに対応させて使用することができる。また、計測対象の変更等に伴い、ヒータ２の加熱温度の設定値が変更された場合にも、該温度設定値に応じた最適なＰＩＤパラメータが算出され、１つの圧力センサを幅広い温度設定値のレンジに対応させて使用することができる。これにより、ヒータ２の制御を適宜最適化することにより受圧部１の温度管理を精度よく行うことができ、ひいては測定性能を高めることができる。

次いで、コントローラ５は、次式（５）に基づいて、ヒータ２の加熱量の最大値（最大加熱量：Ｏｕｔ ｌｉｍ）を算出する（ＳＴＥＰ３）。

ここで、式（５）の右辺のδ1〜δ3は、演算係数（固定値）である。

これにより、ヒータ２の最大加熱量は、外部電源６の出力電圧値（Ｖ）と、ヒータ２の加熱温度の設定値（℃）とを加味した値に設定される。そのため、前式（１）に従って、ヒータ２の加熱を制御する際に、ヒータ２がその最大加熱量を超えて使用されることを回避することができ、ヒータ２の性能維持を図ることができる。

次に、コントローラ５は、各回路２１〜２４，２６からの入力信号およびコントローラ５からの出力信号から、当該圧力センサのエラーを検知する（ＳＴＥＰ４）。ここでのエラー検知処理では、当該入力信号および出力信号が予め設定された所定の閾値を超える場合をエラーとして検知する。例えば、受圧部温度センサ３の温度検出値がその閾値を超える場合や、外部電源６の出力電圧値がその閾値を超える場合には、エラーとして検知される。

そして、エラーが検知されない場合には（ＳＴＥＰ４でＮＯ）、ＳＴＥＰ２およびＳＴＥＰ３で算出されたＰＩＤ制御パラメータおよび最大加熱量をヒータ制御回路４に出力すると共に、データメモリにこれらの値を格納する（ＳＴＥＰ６）。これにより、該パラメータおよび最大加熱量によりヒータ２の温度制御が実行される。

一方、エラーが検知された場合には（ＳＴＥＰ４でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ３で算出された最大加熱量を０に設定する（ＳＴＥＰ５）。そしてこの場合、ＳＴＥＰ６では、０に設定された最大加熱量が出力され、データメモリにこれらの値が格納される。これにより、エラーを検知した場合には、ヒータ２は加熱されることがなく、当該圧力センサは、高い安全性能を実現することができる。

次いで、コントローラ５は、ＳＴＥＰ２で算出されたＰＩＤパラメータから、前式（１）に基づいて、ヒータ２の加熱量を算出する（ＳＴＥＰ７）。

次いで、コントローラ５は、算出されたヒータ２の加熱量がデータメモリに格納されている最大加熱量より大きいか否かを判定する（ＳＴＥＰ８）。

そして、算出されたヒータ２の加熱量が最大加熱量より大きい場合には（ＳＴＥＰ８でＹＥＳ）、算出されたヒータ２の加熱量の替わりにデータメモリに格納された最大加熱量をヒータ制御回路４の出力値として出力する（ＳＴＥＰ９）。

一方、算出されたヒータ２の加熱量が最大加熱量以下の場合には（ＳＴＥＰ８でＮＯ）、算出されたヒータ２の加熱量をヒータ制御回路４の出力値として出力する（ＳＴＥＰ１０）。

以上のように、本実施形態の圧力センサによれば、ヒータ２の制御を適宜最適化することにより受圧部１の温度管理を精度よく行うことができ、ひいては測定性能を高めることができる。

尚、本実施形態では、ＳＴＥＰ２で、外部電源６の出力電圧値（Ｖ）およびヒータ２の加熱温度の設定値（℃）とを加味したＰＩＤ制御パラメータを算出しているが、当該出力電圧値と加熱温度の設定値のいずれか一方に基づいてＰＩＤ制御パラメータを算出するようにしてもよい。この場合、他方の値は予め設定された固定値の値を用いればよい。

同様に、本実施形態では、ＳＴＥＰ３で、外部電源６の出力電圧値（Ｖ）およびヒータ２の加熱温度の設定値（℃）とを加味したヒータ２の最大加熱量を算出しているが、当該出力電圧値と加熱温度の設定値のいずれか一方に基づいてＰＩＤ制御パラメータを算出するようにしてもよい。この場合、他方の値は予め設定された固定値の値を用いればよい。

また、本実施形態のフローチャートに示す処理に限られるものではなく、ＳＴＥＰ４のエラー検知の前に加熱量を算出し、エラーを検知した場合は加熱量を０に設定するようにしてもよい。

本実施形態の圧力センサの構成を示す図。 本実施形態の圧力センサにおける処理を示すフローチャート。

符号の説明

１…受圧部、２…ヒータ（加熱手段）、３…受圧部温度センサ（温度検出手段）、４…ヒータ制御回路（制御手段）、５…コントローラ（パラメータ算出手段、加熱量設定手段）、６…外部電源、１１…容量センサ、２１…容量検出回路、２３…受圧部温度検出回路、２４…回路温度検出回路、２６…電源電圧検出回路、３０…アナログ‐デジタル変換回路、４０…デジタル‐アナログ変換回路、５０…出力端子、５１…ローダ通信ポート、５２…イベント出力端子、５３…イベント動作ＬＥＤ、５４…ステータスＬＥＤ、５５…ゼロ調整スイッチ、５６…データメモリ。

Claims (5)

1. 圧力を検出する受圧部と、該受圧部を外部電源から供給された電力により加熱する加熱手段と、該受圧部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記外部電源の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出された電圧に応じたＰＩＤパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記パラメータ算出手段によって算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則により前記加熱手段の加熱量を制御することを特徴とする圧力センサ。
2. 圧力を検出する受圧部と、該受圧部を外部電源から供給された電力により加熱する加熱手段と、該受圧部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された温度が予め設定された設定温度となるように前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記設定温度に応じたＰＩＤパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記パラメータ算出手段によって算出されたＰＩＤパラメータに基づくフィードバック制御則により前記加熱手段の加熱量を制御することを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧に基づいて前記加熱手段の最大加熱量を設定する加熱量設定手段を備え、
   前記制御手段は、前記加熱手段の加熱量が前記最大加熱量を超える場合に、該加熱量を該最大加熱量に制限することを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記設定温度に応じて最大加熱量を設定する加熱量設定手段を備え、
   前記制御手段は、前記加熱手段の加熱量が前記最大加熱量を超える場合に、該加熱量を該最大加熱量に制限することを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の圧力センサにおいて、
   前記制御手段は、当該センサの不具合を示すエラーを検知した場合に前記加熱量または前記最大加熱量を０にすることを特徴とする圧力センサ。

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