JPH109920A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 質量流量計を構成している部品点数を大幅に
削減するとともに、信頼性を大幅に向上する。 【解決手段】 所定の抵抗温度係数を有するセンサ抵抗
巻線，及び電流を検出するための抵抗温度係数が略零の
基準抵抗，及び電流制御用スイッチング素子とをそれぞ
れ直列に接続するとともに，センサ抵抗巻線の温度を所
定値になるように制御パルス信号を電流制御用スイッチ
ング素子の入力に加えるワンチップマイクロコンピュー
ターとで構成されるセンサ回路部を上流側と下流側に設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス等の比較的小
流量の流体の質量を精密に計測する質量流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製品等を製造する場合の成膜工程
やエッチング処理工程においては、各種ガス量を一定に
制御するガス流量制御機器が主に用いられており，この
ガス流量制御機器にはガス流量を精密に測定するための
質量流量計が組み込まれている。この流量計がガス流量
を精密に検出する方式として、例えば米国特許４０１６
７５９号広報や特開平１−１５８１７５号広報に開示さ
れたような定温度差式センサが知られており現在実用化
されている。この定温度差式センサは図３に示すよう
に、流体が流れる流体管路９の上下流に一対の、ある抵
抗温度係数を有する金属のセンサ抵抗１、２をコイル状
に巻回し、このセンサ抵抗と直列に周囲温度検出抵抗Ｒ
１，Ｒ３や抵抗温度係数が略零の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４を
接続する。これにより上流側及び下流側に、それぞれセ
ンサ電圧を検出するためのブリッジ回路を構成させると
ともに、センサ抵抗と、周囲温度検出抵抗及び基準抵抗
の和が等しくなるような制御回路４、５を設け、如何な
る流量値においても常にこの関係が成り立つよう制御し
ている。この時流れる流体の質量流量は上流側及び下流
側センサ抵抗のそれぞれの電圧の差に比例し、これを増
幅器３により増幅し流量出力としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記定温度差式センサ
にあっては上流側及び下流側の両ブリッジ回路間におい
て、対応する各電子素子の電気的，熱的特性がそれぞれ
互いに全く同一であることが要求される。もし特性が同
一でない場合、原理上周囲温度の僅かな変化に対して大
きなドリフトの発生や流量誤差を生ずる原因となる。し
かしながらこれらブリッジ回路の各構成要素である、セ
ンサ抵抗１、２や周囲温度検出抵抗Ｒ１，Ｒ３、ゼロ点
調整用抵抗Ｒ７、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４、ブリッジ抵抗Ｒ
５，Ｒ６，Ｒ８には、その初期抵抗値のバラツキや抵抗
温度係数のバラツキが最初から存在していたり、或いは
それらの経時的な変化による劣化等が生じるため、上流
側及び下流側の対応する各電子素子の特性は互いに異な
ったものになっているのが現実である。従って流量を正
確に検出するうえでのこのような不具合を極力抑制する
ため、この定温度差式センサの製造時においては、使用
されるべき電子素子は非常に精度が高くバラツキの少な
い高価なものが用いられており、又組立完成時において
も、両ブリッジ回路間における、対応する各電子素子の
特性を一致させるがための新たな調整及び検査工程も必
要となっている。これら諸原因により上記定温度差式セ
ンサの製造工程数は非常に多く、かつ複雑で、その結果
本センサの製造コストは非常に高価なものとなってい
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
決するための手段として、これらドリフトの発生や流量
誤差を生ずる原因となっている、上流側及び下流側の両
ブリッジ回路を構成する各電子素子やこれらに付随する
その他アナログ増幅回路及びアナログ制御回路等をすべ
てデジタル演算・デジタル制御を行うためのワンチップ
マイクロコンピュータに置き換えることにより、安価
で、かつ極めて高い精度と信頼性を有する質量流量計と
するものである。

【０００５】すなわち、本発明は流体が流れる流管通路
の上流側に巻回した、所定の抵抗温度係数を有する上流
側センサ抵抗巻線，及び電流を検出するための抵抗温度
係数が略零の基準抵抗，及び電流制御用スイッチング素
子とをそれぞれ直列に接続するとともに，上流側センサ
抵抗巻線の温度を所定値になるように制御パルス信号を
電流制御用スイッチング素子の入力に加えるワンチップ
マイクロコンピューターとで構成される上流側センサ回
路部と，同様に流管通路の下流側に巻回した、所定の抵
抗温度係数を有する下流側センサ抵抗巻線、及び電流を
検出するための抵抗温度係数が略零の基準抵抗，及び電
流制御用スイッチング素子とをそれぞれ直列に接続する
とともに，下流側センサ抵抗巻線の温度を所定値になる
ように制御パルス信号を電流制御用スイッチング素子の
入力に加える前記ワンチップマイクロコンピューターと
で構成される下流側センサ回路部とを有し，上流側セン
サ抵抗巻線と下流側センサ抵抗巻線の電圧値，及びこれ
らを流れる電流値から前記ワンチップマイクロコンピュ
ーターの演算により流体の流量を検出するよう構成され
た質量流量計である。

【０００６】本発明は上流側及び下流側それぞれに設け
られている基準抵抗によってセンサに流れている電流値
を検出し、この値とセンサ電圧値とからセンサの現在の
温度を前記のワンチップマイクロコンピューターの演算
機能により求め、この値をもとに、該ワンチップマイク
ロコンピューターが発生するＰＷＭパルスのデューティ
比を変えることによりセンサを所定の温度に制御するこ
とができる。その結果上流側及び下流側の各センサの温
度制御はすべて該ワンチップマイクロコンピューターで
の演算・制御プログラムにより行われるため、従来のブ
リッジ回路を用いて行われていたアナログ制御と比べ、
周囲温度検出抵抗、ゼロ点調整用抵抗、基準抵抗、ブリ
ッジ抵抗等の初期抵抗値やそれらの抵抗温度係数、或い
は熱放散係数のバラツキ、及びそれらの経時変化による
特性値の変化等によるドリフトの発生も生じることがな
くなる。又センサ抵抗の発熱温度を決定するパルスデュ
ーティ比は該ワンチップマイクロコンピュータの制御プ
ログラムにより、任意に、しかも高速に書き換えること
が可能であり、急激な流量変化時においてもセンサ温度
は極めて迅速に所定温度に到達せしめることができるよ
うになる。しかも従来から行われているＰＩＤ制御等で
通常みられる時間遅れの現象やオーバーシュートの問題
も発生させることなく、極めて応答性の良好な流量セン
サとすることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を詳細
に説明する。図１において、ワンチップマイクロコンピ
ュータ８が発生するＰＷＭパルス信号により上流側スイ
ッチング素子ＴＲ１はオンオフ動作を行い、あるデュー
ティ比のパルス電流が上流側センサ抵抗６に流れる。こ
のＰＷＭパルスの周期は、例えば数マイクロ秒という非
常に短いものであるため、上流側センサ抵抗への入力電
流はほぼＰＷＭパルスのデューティ比に比例した直流電
流と同等とみなせる。この時上流側センサ抵抗の温度Ｔ
_SUは、この上流側パルス電流による上流側センサ抵抗へ
の入力をＷ_SU、流体が管路１０を流れることにより決定
する上流側センサ抵抗の熱放散係数をＣ_SU、周囲温度を
Ｔ_Aとすると、Ｗ_SU＝Ｃ_SU（Ｔ_SUーＴ_A）の式を満足する
べくある一定の値となる。従ってこのデューティ比を大
きくすれば上流側センサ抵抗の温度は高くなり、逆に小
さくすれば低くなる。同様にして下流側についても、下
流側パルス電流による下流側センサ抵抗への入力を
Ｗ_SD、流体が管路を流れることにより決定する下流側セ
ンサ抵抗の熱放散係数をＣ_SD、周囲温度をＴ_Aとする
と、下流側センサ抵抗の温度Ｔ_SDは、Ｗ_SD＝Ｃ_SD（Ｔ_SD
ーＴ_A）の式を満足するべくある一定の値となる。この
場合も下流側デューティ比を大きくすれば下流側センサ
抵抗の温度は高くなり、逆に小さくすれば低くなる。こ
こで上流側及び下流側のセンサ抵抗温度Ｔ_SU,Ｔ_SDは両
者共、次のように決定することができる。

【０００８】センサ抵抗と直列に接続されている抵抗温
度係数が略零の基準抵抗Ｒ９，Ｒ１０の電圧をＡ／Ｄ変
換によりワンチップマイクロコンピュータ８に取り込
み,既知量であるその基準抵抗Ｒ９，Ｒ１０の抵抗値で
除することによって電流値が求まり、既に取り込んでい
るセンサ電圧値をこの電流値で徐せばセンサのその時の
抵抗値を求めることができる。センサの抵抗温度係数は
既知の値であるため、この抵抗値より現在のセンサ抵抗
温度はワンチップマイクロコンピュータの演算により正
確に求めることができる。従ってこの温度と所望のセン
サ温度とを比較して、低ければデューティ比を大きくす
ればよく、逆に高ければデューティ比を小さくすればよ
い。これら一連の制御モードはマイクロコンピューター
の制御・演算プログラムによって逐次実行することがで
き、その時のフローチャートを図２に示す。これにより
上流側及び下流側のセンサ抵抗温度はそれぞれ個別にか
つ任意の値に、極めて容易に制御することが可能とな
る。又流量信号はセンサ温度が所定の値に到達した時点
での上流側及び下流側それぞれのセンサ電流制御用スイ
ッチング素子ＴＲ１,ＴＲ２に加えられているＰＷＭパ
ルスのデューティ比の差をとることによりデジタル量と
して求めることができる。

【０００９】

【発明の効果】以上の説明から明かなように、本発明に
よれば、従来からの質量流量計を構成している、センサ
のブリッジ、制御、増幅の各アナログ回路を一個のマイ
クロコンピューターと数個のスイッチング素子及び抵抗
のみに置き換えることができ、部品点数を大幅に削減で
きるとともに、温度ドリフトの原因となるこれらアナロ
グ回路構成部品をほとんど使用しないことにより、信頼
性が大幅に向上することとなる。又デジタル制御による
高速応答性や測定精度の改善等をも図ることが可能とな
り、高精度で信頼性の高くかつ低コストな質量流量計と
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の要部構成を示すブロック図で
ある。

【図２】センサ温度を一定にする制御モードを示すフロ
ーチャートである。

【図３】従来の定温度差式流量センサの構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１,６ 上流側センサ抵抗、 ２,７ 下流側センサ抵
抗、３ センサ出力増幅回路、 ４ 上流側センサ電流
制御回路部、５ 下流側センサ電流制御回路部、 ８
ワンチップマイクロコンピュータ、９,１０ 流体管
路、 Ｒ１ 上流側周囲温度検出抵抗、Ｒ２ 上流側基
準抵抗、 Ｒ３ 下流側周囲温度検出抵抗、Ｒ４ 下流
側基準抵抗、 Ｒ５,Ｒ６ 上流側ブリッジ抵抗、Ｒ７,
Ｒ８ 下流側ブリッジ抵抗、 Ｒ９ 上流側センサ電流
検出用抵抗、Ｒ１０ 下流側センサ電流検出用抵抗、Ｔ
Ｒ１ 上流側センサ電流制御用スイッチング素子、ＴＲ
２ 下流側センサ電流制御用スイッチング素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる流管通路の上流側に巻回し
   た、所定の抵抗温度係数を有する上流側センサ抵抗巻
   線，及び電流を検出するための抵抗温度係数が略零の基
   準抵抗，及び電流制御用スイッチング素子とをそれぞれ
   直列に接続するとともに，上流側センサ抵抗巻線の温度
   を所定値になるように制御パルス信号を電流制御用スイ
   ッチング素子の入力に加えるワンチップマイクロコンピ
   ューターとで構成される上流側センサ回路部と，同様に
   流管通路の下流側に巻回した、所定の抵抗温度係数を有
   する下流側センサ抵抗巻線、及び電流を検出するための
   抵抗温度係数が略零の基準抵抗，及び電流制御用スイッ
   チング素子とをそれぞれ直列に接続するとともに，下流
   側センサ抵抗巻線の温度を所定値になるように制御パル
   ス信号を電流制御用スイッチング素子の入力に加える前
   記ワンチップマイクロコンピューターとで構成される下
   流側センサ回路部とを有し，上流側センサ抵抗巻線と下
   流側センサ抵抗巻線の電圧値，及びこれらを流れる電流
   値から前記ワンチップマイクロコンピューターの演算に
   より流体の流量を検出するよう構成された質量流量計。