JP2010117154A

JP2010117154A - 圧力センサ

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Publication number: JP2010117154A
Application number: JP2008288629A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Yoshikawa; 康秀吉川
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-11
Also published as: JP5185073B2

Abstract

【課題】加熱手段を備えた圧力センサにおいて、加熱制御のために高分解能でかつ時間比例周期を短くできる時間比例制御を実現する。
【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の温度を検出する温度センサ３と、この温度センサ３で検出された温度が設定温度となるようにヒータ２の加熱量を制御するコントローラ５とを備える。コントローラ５は、検出温度と設定温度との差に応じた制御出力を演算出力ビット信号に変換し、該演算出力ビット信号を上位ビット信号と下位ビット信号とに分割し、下位ビット信号を第１矩形波信号と比較して、下位ビット信号が第１矩形波信号より大きいときに上位ビット信号に１を加算する。そして、演算出力ビット信号を第２矩形波信号と比較して、該演算出力ビット信号が第２矩形波信号より大きいときは１、演算出力ビット信号が第２矩形波信号以下であるときは０として、演算出力ビット信号を１ビット信号に変換し、ヒータ２の加熱量を制御する制御出力として生成する。
【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、加熱手段を備えた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、ガスが液化ないし固化してセンサ部に付着してしまう。逆に、センサの温度がガスの温度よりも高いと、ガスが化学分解して組成を変化させてしまうことがある。そこで、センサを高温に加熱するヒータを備えた自己加熱型隔膜真空計が用いられ、ヒータの温度制御は、時間比例制御で行われている。

図４は、従来の時間比例制御におけるＰＷＭ波形の例を示す図である。図４では、ＰＷＭ信号のフルスケールのパルスカウント数Ｃzのうち出力カウントＣkをＯＮ（１）、Ｃz−ＣkをＯＦＦ（０）として出力する状態を示している。
特開平５−２８１０７３号公報

しかしながら、従来の時間比例制御では、次のような問題があった。例えば、基本クロック周波数を４ＭＨｚとして、１６ビットＰＷＭ信号を処理する場合、従来の時間比例制御では、時間比例周期は16.38 msとなり、応答が遅くなってしまう。すなわち、精度を良くするために分解能を高くすると時間比例周期が長くなる。その結果、ヒータのＯＮ，ＯＦＦに合わせて制御対象の受圧部の温度が変動してしまい、計測性能が不安定になる。

これを回避するために熱容量を大きくして温度の変動（振れ）を小さくすることが考えられるが、温度制御の応答性が低下し、立ち上がり時間が長くなってしまう。一方、時間比例周期を短くすると、時間比例の分解能が低くなって、温度制御性が悪くなり、計測性能が低下してしまう。

本発明は、上記のような加熱手段を備えた圧力センサにおいて、加熱制御のために高分解能でかつ時間比例周期を短くできる時間比例制御を実現することを目的とする。

本発明は、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た圧力センサにおいて、前記制御手段は、所定パルス幅の矩形波信号を生成し、該２つの矩形波信号を用いて前記加熱量を制御するための演算出力を生成する演算処理部と、該演算出力により前記加熱手段を加熱するための制御回路とを備え、
前記演算処理部は、前記検出温度と設定温度との差に応じた制御出力を演算出力ビット信号に変換し、該演算出力ビット信号を上位ビット信号と下位ビット信号とに分割し、該下位ビット信号を該演算処理部で生成された第１矩形波信号と比較して、該下位ビット信号が該第１矩形波信号より大きいときに前記上位ビット信号に１を加算する第１の変換処理、及び、前記第１の変換処理で変換された演算出力ビット信号を該演算処理部で生成された第２矩形波信号と比較し、該演算出力ビット信号が該第２矩形波信号より大きいときは１、該演算出力ビット信号が該第２矩形波信号以下であるときは０として、前記演算出力ビット信号を１ビット信号に変換する第２の変換処理を行い、該第２の変換処理で変換された演算出力ビット信号を前記演算出力として生成することを特徴とする。

本発明では、加熱手段を制御するための制御出力は、制御手段の演算処理部で演算出力ビット信号に変換され、演算出力ビット信号は、上位ビット信号と下位ビット信号とに分割される。そして、第１の変換処理で、下位ビット信号が、前記演算処理部で生成された第１矩形波信号より大きいときは上位ビット信号に１を加算し、第１矩形波信号以下のときは上位ビット信号をそのまま出力する。この演算出力ビット信号は、第２の変換処理で、演算処理部で生成された第２矩形波信号より大きいときに１、第２矩形波信号以下であるときは０として、１ビット信号に変換される。

また、本発明においては、前記演算処理部は第１の演算処理部と第２の演算処理部とを備え、前記第１の変換処理を前記第１の演算処理部で行うと共に、前記第２の変換処理を前記第２の演算処理部で行うことが好ましい。このように演算処理部を分割することにより、演算処理部の負担を低減することができる。

前述した従来の時間比例制御では、例えば１６ビットＰＷＭ信号を処理する場合、時間比例周期は16.38 msとなり、応答が遅くなってしまうが、８ビットＰＷＭ信号に分割して処理すれば、時間比例周期は64μsecとなり、短い時間でヒータＯＮとＯＦＦを出力することにより、従来の時間比例制御と比較して高速化を図ることができる。

従って、本発明によれば、分解能を高くすること（例えば１６ビット）と時間比例周期を速くすること（例えば64μsec）の両方を実現することができる。そして、分解能が高いことで温度制御性が高く、高い計測性能が得られる。温度制御性をよくするために熱容量を大きくする必要がないため、ウォームアップ時間を短くできる。

図１は、実施形態の圧力センサの構成を示す。本実施形態は、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自己加熱型隔膜真空計に好適に用いられる。

この圧力センサは、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の温度を検出する温度センサ３と、ヒータ２に通電するための電流を生成するヒータ制御回路４と、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の駆動電流を制御するコントローラ５とを備える。本実施形態では、ヒータ制御回路４とコントローラ５とでヒータ２の加熱温度を制御する制御手段を構成している。

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、例えば本出願人の特許出願に係る特開２００２−２６７５５９号、特開２００６−３２３４号の各公報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ものである。

この容量センサ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、受圧部１全体を加熱するように通電量に応じた発熱量を発生する電熱線を受圧部１に巻き回して構成されており、ヒータ制御回路４を介して接続された外部電源６から電力供給を受けて発熱する。なお、ヒータ制御回路４はＯＮ・ＯＦＦスイッチ等で構成される。

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し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。この回路温度検出回路２４は、図示しない温度センサによって回路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し直流検出信号に変換して出力する。

更に、外部電源６に電源電圧検出回路２６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回路を備え、該回路からの出力信号を増幅し直流検出信号に変換して出力する。

上記各回路２１，２３，２４，２６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を含む各種処理動作に必要なハードウェアにより構成され、後述の演算処理等の動作用プログラムを格納している。そして、演算処理を実現するための手段として、ＰＩＤ演算部５１と、信号変換部５２と、第１の演算処理部５３と、第２の演算処理部５４と、信号変換部５２で処理されたデータを記憶する第１の記憶部５２ａと、第１の演算処理部５３で処理されたデータを記憶する第２の記億部５３ａとを備える。

ＰＩＤ演算部５１は、受圧部の検出温度と設定温度との差に応じた制御出力値をＰＩＤ演算する。

信号変換部５２は、ＰＩＤ演算部５１で演算した制御出力値を演算出力ビット信号に変換し、この演算出力ビット信号を上位ビット信号と下位ビット信号とに分割する。

第１及び第２の変換処理部５３、５４は、それぞれ下位ビット信号、上位ビット信号に対応する所定パルス幅の矩形波信号を生成し、該２つの矩形波信号を用いて前記ヒータ２の加熱量を制御するための演算出力（ＯＮ・ＯＦＦ信号）を生成する。そして、その演算出力をヒータ制御回路４に送ってヒータ２を駆動する電流を出力する。
具体的には、第１の演算処理はファームウェアのＣＰＵで行い、第２の演算処理は周辺機能のＰＷＭタイマを利用して行う。

コントローラ５では、後述の演算処理のほか、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によっ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。

コントローラ５には、出力端子５０のほか、データメモリ５６が接続されている。

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からのデータの読出し及び更新ができるように構成されている。

上記のように、コントローラ５の信号変換部５２で変換された演算出力ビット信号は、２つの矩形波信号を用いて前記ヒータの加熱量を制御するための演算出力として出力される。

以下、本発明による演算処理について説明する。

まず、受圧部の検出温度と設定温度に基づいてＰＩＤ演算等を行う。例えば、ＰＩＤ演算値ＭＶを７４％とする。

次に、ＰＩＤ演算出力値を演算出力ビット信号に変換し、この演算出力ビット信号を上位ビット信号と下位ビット信号とに分割する。例えば、上位ビット信号と下位ビット信号を８ビットとすると、上位部分のカウント数Ｃx、下位部分のカウント数Ｃyは、
Ｃx ＝２^８＝２５６・・・（１）
Ｃy ＝２^８＝２５６・・・（２）
となり、全体としてのフルスケールカウント数は、
Ｃt ＝Ｃx・Ｃy＝２^８×２^８＝６５５３６・・・（３）
となる。そして、ＰＩＤ演算値７４％を演算出力ビット信号Ｃkに変換すると、
Ｃk ＝６５５３６×７４／１００＝４８４９６．６４・・・（４）
となる。

この数値は、四捨五入等により整数化して（４８４９７）、１６進数で表すと“ＢＤ７１”となり、８ビットの上位ビット信号Ｃmと、８ビットの下位ビット信号Ｃnとに分割すると、Ｃm ＝ＢＤ、Ｃn ＝７１となる。更に１０進数で表すと、Ｃm ＝１８９、Ｃn ＝１１３となり、全体としての出力カウント数Ｃkは、結局
Ｃk ＝Ｃm・Ｃy ＋Ｃn ＝１８９×２５６＋１１３＝４８４９７・・・（５）
となる。

式（５）を変更すると、
Ｃk ＝Ｃm・Ｃy ＋Ｃn ＝（Ｃm ＋１）・Ｃn ＋Ｃm・（Ｃy −Ｃn）
＝（１８９＋１）×１１３＋１８９×（２５６−１１３）・・・（６）
となる。

そして、式（６）を前半部“（１８９＋１）×１１３”と後半部“１８９×（２５６−１１３）”に分割して出力する。

つまり、周辺機能のＰＷＭタイマの周期である上位部分のカウント数Ｃx毎に、“Ｃm ＋１”（＝１９０）をハードウェアのＰＷＭタイマのレジストにセットすることを、Ｃn（＝１１３）回繰り返し実施する。そして、Ｃm（＝１８９）をハードウェアのＰＷＭタイマのレジストにセットすることを、残りの“Ｃy −Ｃn ”（＝１４３）回繰り返し実施する。

この結果、実際にヒータに加わる電力は、
｛（１９０×１１３＋１８９×１４３）／６５５３６｝×１００＝７４．０００５５（％）
となり、誤差の小さいものとなる。

この状態を図示すれば、図２のようになる。

次に、図３Ａ，Ｂのフローチャートを参照して、コントローラ５の処理動作について説明する。図において、ステップＳＴ１〜３、ステップＳＴ４〜１０、ステップＳＴ１１〜２０、ステップＳＴ２１〜２８は、それぞれ独立した処理であり、各々の処理速度も異なる。

まず、図３Ａに示すように、受圧部の検出温度とデータメモリ５６に記憶されているヒータ２の加熱温度の設定値との差に応じた制御出力値ｘ（％）を、ＰＩＤ演算部５１にて求め（ＳＴ１）、信号変換部５２にて、その演算結果ｘを演算出力ビット信号Ｃkに変換して（ＳＴ２）、第１の記憶部５２aに記憶（格納）する（ＳＴ３）。

第１の演算処理部５３では、Ｃ1 ＝０として（ＳＴ４）、第１の記憶部５２ａから演算出力ビット信号Ｃkを読み込み（ＳＴ５）、このＣk（例えば１６ビット）を、上位ビット信号Ｃm（８ビット）と下位ビット信号Ｃn（８ビット）に分割する（ＳＴ６）。そして、下位ビット信号Ｃnを第１のＰＷＭカウンタ信号Ｃ1（８ビット）と比較し（ＳＴ７）、その大小により、以下の処理を行う。すなわち、Ｃn ＞Ｃ1ならば、上位ビット信号Ｃmに１を加算し（ＳＴ８）、Ｃn ≦Ｃ1ならば、上位ビット信号Ｃmのままとして（ＳＴ９）、それぞれ第２の記憶部５３aに記憶（格納）する（ＳＴ１０）。

次に、図３Ｂに示すように、第２の演算処理部５４では、Ｃ2 ＝０として（ＳＴ１１）、第２の記憶部５３ａから演算出力ビット信号Ｃm＋１又はＣmを読み込み（ＳＴ１２）、その演算出力ビット信号Ｃm＋１又はＣmを第２のＰＷＭカウンタ信号Ｃ2（８ビット）と比較して（ＳＴ１３）、その大小により、以下の処理を行う。すなわち、Ｃm＋１又はＣm ＞Ｃ2ならば１を出力し（ＳＴ１４）、Ｃm ＋１又はＣm ≦Ｃ2ならば０を出力する（ＳＴ１５）。

その後、Ｃ2 に１を加算して（ＳＴ１６）、上記の演算出力ビット信号Ｃm＋１又はＣmをＣ2（８ビット）と比較し（ＳＴ１７）、Ｃm＋１又はＣm ＞Ｃ2ならば１を出力し（ＳＴ１８）、Ｃm ＋１又はＣm ≦Ｃ2ならば０を出力する（ＳＴ１９）。そして、Ｃ2 ＝Ｃx か否かを判定し（ＳＴ２０）、「ＮＯ」であれば、ＳＴ１６に戻ってＳＴ２０までの手順を行い、Ｃ2 ＝Ｃx になったところで、第１の演算処理部５３での処理に移行する。

再び図３Ａに示すように、第１の演算処理部５３では、第１の記憶部５２ａから演算出力ビット信号Ｃkを読み込み（ＳＴ２１）、このＣkを、上位ビット信号Ｃm（８ビット）と下位ビット信号Ｃn（８ビット）に分割する（ＳＴ２２）。そして、Ｃ1 に１を加算して（ＳＴ２３）、下位ビット信号Ｃnを第１のＰＷＭカウンタ信号Ｃ1（８ビット）と比較し（ＳＴ２４）、Ｃn ＞Ｃ1ならば、上位ビット信号Ｃmに１を加算し（ＳＴ２５）、Ｃn ≦Ｃ1ならば、上位ビット信号Ｃmのままとして（ＳＴ２６）、それぞれ第２の記憶部５３aに記憶（格納）する（ＳＴ２７）。そして、Ｃn ＝Ｃy か否かを判定し（ＳＴ２８）、「ＮＯ」であれば、第２の演算処理部５４でのＳＴ１１に戻って以下の処理を行い、Ｃn ＝Ｃy になったところで、第１の演算処理部５３での初めのＳＴ４に戻る。

以上のように、実施形態の圧力センサでは、ヒータの制御信号を生成するためにＰＷＭ方式の信号変換を用いることで、高分解能で時間比例周期の短い温度制御を実現している。

実施形態の圧力センサの構成を示すブロック図。本発明におけるＰＷＭ波形の例を示す図。実施形態の制御手段における処理動作を示すフローチャート。同処理動作を示すフローチャート。従来の時間比例制御におけるＰＷＭ波形の例を示す図。

符号の説明

１…受圧部、２…ヒータ、３…受圧部温度センサ、４…ヒータ制御回路、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…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…ＰＩＤ演算部、５２…信号変換部、５３…第１の変換処理部、５４…第２の変換処理部、５６…データメモリ。

Claims

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る検出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た圧力センサにおいて、
前記制御手段は、所定パルス幅の矩形波信号を生成し、該２つの矩形波信号を用いて前記加熱量を制御するための演算出力を生成する演算処理部と、該演算出力により前記加熱手段を加熱するための制御回路とを備え、
前記演算処理部は、前記検出温度と設定温度との差に応じた制御出力を演算出力ビット信号に変換し、該演算出力ビット信号を上位ビット信号と下位ビット信号とに分割し、該下位ビット信号を該演算処理部で生成された第１矩形波信号と比較して、該下位ビット信号が該第１矩形波信号より大きいときに前記上位ビット信号に１を加算する第１の変換処理、及び、前記第１の変換処理で変換された演算出力ビット信号を該演算処理部で生成された第２矩形波信号と比較し、該演算出力ビット信号が該第２矩形波信号より大きいときは１、該演算出力ビット信号が該第２矩形波信号以下であるときは０として、前記演算出力ビット信号を１ビット信号に変換する第２の変換処理を行い、該第２の変換処理で変換された演算出力ビット信号を前記演算出力として生成することを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサであって、
前記演算処理部は第１の演算処理部と第２の演算処理部とを備え、
前記第１の変換処理を前記第１の演算処理部で行うと共に、前記第２の変換処理を前記第２の演算処理部で行うことを特徴とする圧力センサ。