JP2009243888A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ確実に測定圧力の取り込みタイミングを指示することができる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、受圧部温度センサ３の検出温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であるときに、受圧部１の圧力検出値を出力端子５０から出力し、当該偏差が第１閾値より大きいときには、予め定められた第１信号を出力する。
【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、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とにより、センサ全体を一定温度に保持する。

ここで、圧力センサは、一定の測定精度および所定の性能を維持するために計測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に比して低下したままでは、ガスが液化や固化してセンサ部に付着し、圧力センサの測定精度および性能に影響を及ぼし得る。

そこで、従来の圧力センサでは、測定圧力の出力端子とは別に、加熱手段によりセンサ全体が計測対象物と等しい所望の温度に到達したか否かを出力するイベント出力端子を設け、イベント出力端子の出力値と同期させて、測定圧力の出力値の取り込みを行うようにしている。

また、イベント出力端子には、前記のように、センサ全体が計測対象物と等しい所望の温度に到達したこと（ウォームアップ完了）を出力するもののほか、センサの異常を検知し報知するもの等があり、それぞれの出力内容に応じた出力端子が各々設けられる。
特開平５−２８１０７３号公報

しかしながら、従来の圧力センサでは、出力内容に応じた複数のイベント出力端子を監視する必要があり煩雑である。すなわち、当該圧力センサと測定圧力の出力を取り込む外部機器等とを、これら複数のイベント出力端子を介して接続しなければならず、いずれのイベント出力端子に基づいて、どのタイミングで測定圧力の出力を取り込むかを予め設定しなければならず煩雑である。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、簡易かつ確実に測定圧力の取り込みタイミングを指示することができる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を備える圧力センサであって、前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であるとき、前記受圧部によって検出された圧力に対応する信号を出力することを特徴とする。

第１発明の圧力センサによれば、受圧部が加熱手段によって加熱され、温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下である場合に、受圧部によって検出された圧力が外部に出力される。そのため、信号が出力された場合には、加熱手段により受圧部が所望の温度範囲となっている（ウォームアップ完了状態である）ため、受圧部が所望の温度に到達したか否かを出力するイベント出力端子を用いる必要がなく、簡易かつ確実に測定圧力の取り込みタイミングを指示することができる。

第２発明の圧力センサは、第１発明の圧力センサにおいて、前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が前記第１閾値よりも大きいとき、予め定められた第１信号を外部に出力することを特徴とする。

第２発明の圧力センサによれば、温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が未だ第１閾値よりも大きいである場合に、受圧部からの検出圧力信号とは異なる第１信号が出力される。そのため、かかる第１信号が出力された場合には、未だ受圧部が所望の温度範囲となっていない（ウォームアップ状態である）ことを、すなわち、未だ測定圧力を取り込むタイミングではないことを簡易かつ確実に指示することができる。

第３発明の圧力センサは、第１または第２発明の圧力センサにおいて、前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が前記第１閾値よりも大きく、且つ第１閾値よりも大きな第２閾値以下であるとき、予め定められた第２信号を外部に出力することを特徴とする。

第３発明の圧力センサによれば、温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が未だ第１閾値よりも大きいが、第１閾値よりも大きな第２閾値以下である場合に、第２信号が出力される。そのため、第２信号を、受圧部からの検出圧力信号や第１信号とは異なる信号とし、例えば第２閾値を第１閾値に近い値に設定することで、かかる第２信号が出力された場合には、未だ受圧部が所望の温度範囲となっていない（ウォームアップ状態である）が、その後遅滞なく、所望の温度範囲となる（ウォームアップ完了状態となる）ことを簡易かつ確実に指示することができる。これにより、取り込みのタイミングを予測して、測定圧力の取り込みのための準備等を進めることができる。

第４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を備える圧力センサであって、前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であり、且つ前記受圧部によって検出された圧力が予め定められた設定範囲内であるとき、前記受圧部によって検出された圧力に対応する信号を出力することを特徴とする。

第４発明の圧力センサによれば、受圧部が加熱手段によって加熱され、温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であることに加えて、受圧部によって検出された圧力が予め定められた設定範囲内である場合に、受圧部によって検出された圧力が外部に出力される。すなわち、かかる信号が出力された場合には、加熱手段により受圧部が所望の温度範囲となっている（ウォームアップ完了状態である）ことに加えて、測定対象が所望の圧力となっている。そのため、受圧部が所望の温度に到達したか否かを出力するイベント出力端子や、測定対象が所望の圧力となっているか否かを出力するイベント出力を用いる必要がなく、簡易かつ確実に測定圧力の取り込みタイミングを指示することができる。

第５発明の圧力センサは、第１〜第４発明の圧力センサにおいて当該圧力センサに不具合ある場合に、予め定められた第３信号を他の信号に優先して外部に出力することを特徴とする。

第５発明の圧力センサによれば、当該センサに不具合がある場合に、第３信号が出力される。そのため、第３信号を、受圧部からの検出圧力信号、第１信号や第２信号とは異なる信号とすることで、かかる第３信号が出力された場合には、当該センサに不具合が生じており、測定圧力を取り込むタイミングではないことを簡易かつ確実に指示することができる。

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、当該圧力センサにおける各種演算処理を実行するコントローラ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、本明細書での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して出力する。

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（０〜１０［Ｖ］）で出力する。

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制御パラメータの算出値のほか、ヒータ２の加熱温度の設定値や、圧力検出値の出力範囲の設定値などの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から出力端子５０への出力処理について説明する。

まず、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（ＳＴＥＰ１）。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（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、コントローラ５は、受圧部温度センサ３の温度検出値と、容量センサ１１の圧力検出値とを取得する（ＳＴＥＰ２）。

ＳＴＥＰ２の処理に続いて、コントローラ５は、取得した受圧部温度センサ３の温度検出値が、データメモリに記憶保持されているヒータ２の加熱温度の設定値とを比較して、ヒータ２によるウォームアップが完了したか否かが判断される（ＳＴＥＰ３）。具体的には、取得した受圧部温度センサ３の温度検出値とヒータ２の加熱温度の設定値との偏差が第１閾値（例えば、±１℃）以下となっているか否かが判断される。

そして、コントローラ５は、ウォームアップが完了している場合には（ＳＴＥＰ３でＹＥＳ）、取得した容量センサ１１の圧力検出値が、データメモリに記憶保持されている圧力検出値の出力範囲となっているか否かが判断される（ＳＴＥＰ４）。

そして、コントローラ５は、取得した容量センサ１１の圧力検出値が、予め設定された圧力検出値の出力範囲となっている場合には（ＳＴＥＰ４でＹＥＳ）、容量センサ１１の圧力検出値を出力端子５０から出力する（ＳＴＥＰ５）。

一方、コントローラＳＴＥＰ１でエラーが検知された場合には（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）、コントローラ５は、出力端子５０か第３信号（エラー）信号を出力する（ＳＴＥＰ６）。ここで、第３信号は、通常の出力端子５０から出力される出力値（０〜１０［Ｖ］）を逸脱した値（例えば、１２［Ｖ］）に設定されている。

また、エラーが検知されない場合であっても（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、ヒータ２によるウォームアップが完了していない場合には（ＳＴＥＰ３でＮＯ）、コントローラ５は、ウォームアップ完了が近いか否かを判断する（ＳＴＥＰ７）。具体的には、取得した受圧部温度センサ３の温度検出値が、データメモリに記憶保持されているヒータ２の加熱温度の設定値とを比較し、これらの偏差がヒータ２によるウォームアップが第２閾値（例えば、±５℃）以下となっているか否かが判断される。

そして、コントローラ５は、ウォームアップ完了が近くない場合には（ＳＴＥＰ７でＮＯ）、ウォームアップ完了まで時間を要することを指示する第１信号を出力端子５０から出力する（ＳＴＥＰ８）。ここで、第１信号は、通常の出力端子５０から出力される出力値（０〜１０［Ｖ］）を逸脱した値であって、ウォームアップが完了していないことを示すマイナスの値（例えば、−２［Ｖ］）に設定されている。

一方、ウォームアップ完了が近い場合には（ＳＴＥＰ７でＹＥＳ）、コントローラ５は、ウォームアップ完了直前であることを指示する第２信号を出力端子５０から出力する（ＳＴＥＰ９）。ここで、第２信号は、通常の出力端子５０から出力される出力値（０〜１０［Ｖ］）を逸脱した値であって、ウォームアップが完了しつつある（通常の出力値になりつつある）ことを示すマイナスの値（例えば、−１［Ｖ］）に設定されている。

また、ウォームアップが完了した場合であっても（ＳＴＥＰ３でＹＥＳ）、取得した容量センサ１１の圧力検出値が、データメモリに記憶保持されている圧力検出値の出力範囲となっていない場合には（ＳＴＥＰ４でＮＯ）、コントローラ５は、圧力検出値で設定範囲内でないことを指示する第４信号を出力端子５０から出力する（ＳＴＥＰ１０）。ここで、第４信号は、通常の出力端子５０から出力される出力値（０〜１０［Ｖ］）を逸脱した値であって、前記設定範囲を超えている側に対応した値に設定されている。例えば、設定出力範囲が３〜８［Ｖ］である場合に、圧力検出値が９［Ｖ］であれば１１［Ｖ］が出力され、圧力検出値が２［Ｖ］であれば−０．５［Ｖ］が出力される。

以上のように、本実施形態の圧力センサによれば、出力端子５０から出力される値が、通常の出力値（０〜１０［Ｖ］）であれば、既にヒータ２のウォームアップが完了し、受圧部１の圧力検出値が所定の値となっているため、イベント出力端子５０を用いることなく、簡易かつ確実に測定圧力の取り込みタイミングを当該圧力センサが接続された外部機器等に指示することができる。

一方、ヒータ２によるウォームアップが完了していない場合には、ウォームアップ完了が近いか否かに応じて異なる出力信号が出力端子５０から出力される。そのため、ウォームアップがまだ完了していないことを外部に指示するのみならず、その後遅滞なく、ウォームアップ完了状態するか否かを簡易かつ確実に指示することができる。これにより、ユーザや当該圧力センサが接続された外部機器等は、取り込みのタイミングを予測して、測定圧力の取り込みのための準備等を進めることができる。

さらに、受圧部１の圧力検出値が所定の値となっていない場合には、これに対応した出力信号が出力端子５０から出力され、当該センサに何らかの不具合が生じている場合には、これに対応した出力信号が出力される。そのため、測定圧力を取り込むタイミングではないことや当該センサに不具合が生じていることを簡易かつ確実に指示することができる。

尚、本実施形態におけるエラー検知処理（ＳＴＥＰ１）では、エラーの内容によらず、同一の第３信号を出力端子５０から出力したが、これに限らず、エラーの内容に応じて複数のエラー信号を出力するようにしてもよい。具体的には、エラーの内容を、製品自体の不具合・故障等と、ユーザの使用方法による不具合等とに分け、それぞれ異なる信号を出力するようにしてもよい。例えば、ヒータ２の断線故障のように、製品自体の不具合等のの場合には１２［Ｖ］を出力し、外部電源６の電圧の異常のように、ユーザの使用方法による不具合等の場合には１１．５［Ｖ］を出力するようにしてもよい。尚、このようなエラーの内容に応じた出力を行う方法は、加熱手段を有しない圧力センサにも適用可能である。

また、本実施形態における圧力センサでは、イベント出力端子５２を備える構成について説明したが、イベント出力端子５２は必要に応じて省略してもよい。

さらに、本実施形態では、すべての要件（ＳＴＥＰ１，３，４）を満たす場合に、受圧部１の圧力検出値を出力端子５０から出力するようにしたが、これに限らず、必要に応じて、ＳＴＥＰ１のエラー検知処理やＳＴＥＰ４の設定圧力のみを出力する処理を省略してもよい。

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、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を備える圧力センサであって、
   前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であるとき、前記受圧部によって検出された圧力に対応する信号を出力することを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が前記第１閾値よりも大きいとき、予め定められた第１信号を外部に出力することを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１または２記載の圧力センサにおいて、
   前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が前記第１閾値よりも大きく、且つ第１閾値よりも大きな第２閾値以下であるとき、予め定められた第２信号を外部に出力することを特徴とする圧力センサ。
4. 圧力を検出する受圧部と、該受圧部を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を備える圧力センサであって、
   前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度との偏差が第１閾値以下であり、且つ前記受圧部によって検出された圧力が予め定められた設定範囲内であるとき、前記受圧部によって検出された圧力に対応する信号を出力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、
   当該圧力センサに不具合がある場合に、予め定められた第３信号を他の信号に優先して外部に出力することを特徴とする圧力センサ。

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