(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ本体内に形成された封止流路内にガス流を生じさせておき、センサ本体に角速度が作用したときのガス流の偏向の状態を、そのガス流路内に並設された一対以上の感熱抵抗素子からなるヒートワイヤに生じた各抵抗値の変化によって検出するガスレートセンサであって、前記ガス流が封止されたセンサ内部に設置されるディスペンサより放出された常磁性ガスによる磁気風によって引き起こされることを特徴とするガスレートセンサ
【請求項２】
シリコン基板を用いたマイクロマシニング加工により形成される請求項１に記載のガスレートセンサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスレートセンサの機能に関し、ガス流生成をポンプなどの駆動源無しに実現するための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスレートセンサとは、センサ本体内に流路を形成しておき、ガス流発生手段、例えばポンプなどによる駆動によりセンサ本体内におけるノズル孔からガス流路内にガスを噴出させてそのガス流路内に設置された左右一対に設けられたヒートワイヤにむけてガス流を生じさせる。ヒートワイヤは感熱抵抗素子となっており、マスフローセンサとしての機能を備えている。
【０００３】
このワイヤの上空をガス流が通過すると、そのガス流にヒートワイヤの熱が奪われ、その抵抗値が変化する。その変化量をモニターすることでガス流量を得ることが可能である。例えば特許文献１によれば、半導体基板をエッチングすることによってガス流路を形成し、その基板にヒートワイヤ及び検出回路を集積化したガスレートセンサが記載されている。また従来までは、特許文献２などに記載されているとおり、ガス流発生手段としてマイクロポンプを付属させる必要があった。しかし、マイクロポンプの形成は、小型化、簡素化の妨げとなっていた。
【特許文献１】特開平３−２９８５８
【特許文献２】特開平５−２０２６
【特許文献３】特開平５−５２８６２
【特許文献４】特開平５−２８８７６２
【特許文献５】特開平７−１２８３６
【特許文献６】特開平７−２６０８１７
【特許文献７】特開平１１−１６６９４２
【特許文献８】特開２０００−２８６２９
【特許文献９】特開２００３−２８８８９
【特許文献１０】特開２００３−８６４７８
【特許文献１１】特開２００４−１９１３４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする問題は、センサへガス流を供給するマイクロポンプが、センサの小型、簡素化の妨げになっているということである。
【０００５】
マイクロポンプには、いろいろな種類、例えばピエゾポンプなどが挙げられるが、その大きき、駆動回路、特許文献４、特許文献５などに記載されるガス流に起こる脈動などの問題があり、小型、高性能化には限界があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガス流発生手段として磁気風現象を利用することを特徴としている。磁気風とは、常磁性のある気体に磁場を与えると、磁場に気体が引き寄せられるが、気体を加熱することによって常磁性が失われ、磁場の弱い方向への流れが生じることをいう。本発明は、この磁気風現象により生じたガス流を利用して、ガス流に対して角速度が作用したときに生じるガス流の偏向をヒートワイヤによって検出するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により作製されたガスレートセンサによれば、ガス流を生成するポンプが必要とならないため、超小型で低コストなガスレートセンサの実現が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
磁気風式ガスレートセンサ
【０００９】
図１は、本発明によるガスレートセンサの模式図である。
【００１０】
本発明によるガスレートは、基板1-aに流路1-bと少なくとも１対のヒートワイヤ1-cが形成され、基板の貼り合わせ、あるいはパッケージングなどにより常磁性気体が封止されている。例えば、図１では基板の貼り合わせにより封止を実現したものである。流路が形成される基板と、封止に使う基板材料は特に同じ材料である必要はないが、熱膨張などの点から同じ材料であるか、あるいは同じ熱膨張係数を持つ材料を選択することが好ましい。
【００１１】
基板は、例えばシリコン、ガラス、アルミニウム、黄銅、ステンレス、セラミック、プラスチック樹脂などが挙げられる。
【００１２】
常磁性気体は、例えば酸素、酸化窒素、二酸化窒素などが挙げられる。
【００１３】
常磁性を示す気体は、ヒートワイヤと流路が形成された閉空間に導入され、流路、あるいはパッケージ内は、当該気体で満たされている。
【００１４】
ヒートワイヤは少なくとも一対で構成され、角速度によって偏向したガス流が、それらの上空を流れるようになっている。ヒートワイヤ近傍には、磁石あるいは電磁石1-dが設置あるいは形成されており、その磁場に向かって常磁性気体が引き寄せられる。このとき、ヒートワイヤ上で暖められた気体は、常磁性を失い磁場の弱い方向、つまりノズル1-e方向に向かって、rの経路で戻っていく。戻った気体は冷却されるため、再び常磁性を帯びるようになる。すると磁場へ引き寄せられるため、ヒートワイヤを暖めることによって、気体が流路を循環する。このときノイズの原因となる脈動が起こらないため、安定したガス流を形成する。
【００１５】
また磁場を強くすることによって、適当なガス流速を有することが可能であることから、センサ本体に作用する角速度に対して、応答性のよい偏向成分を得ることが可能である。
【００１６】
図２において、このセンサに角速度ωが加わった時、コリオリ力によりガス流2-aの偏向が起こる。このとき、対になったどちらかのヒートワイヤ側にガス流分布が偏るため、それによる左右ヒートワイヤの熱の奪われ方に差が生じる。ヒートワイヤの温度が変わるとそれに伴い、抵抗値も変わる。よって図３のようなヒートワイヤを含むブリッジ回路を形成することによって、角速度の検出が可能になる。
【００１７】
さらに、すでに設けられた一対のヒートワイヤに加えて、流速方向を軸に９０度回転させたヒートワイヤを少なくともさらに一対形成することによって、多軸の角速度を検出可能である。
【００１８】
ヒートワイヤは、各検出軸における角速度によるガス流の偏向が検出できるような配置にすることが望ましいが、流路を各軸分用意して検出する形にしてもかまわない。
【００１９】
また、ヒートワイヤでの発熱によって常磁性を減じるのに不足がある場合は、センサとなるヒートワイヤとは別に少なくとも一本以上の熱線素子を設けたほうがよい。
【００２０】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例１】
【００２１】
図４は、本発明によるガスレートセンサの構成例を示す模式図である。
【００２２】
このガスレートセンサは、角速度が作用した際にセンサ本体内に設けられたノズル4-eから直線流路4-bの先にあるヒートワイヤ対4-cに向かっていくガス流の偏向状態を、ヒートワイヤ対4-cによって構成されるブリッジ回路によって検出するようになっている。
【００２３】
ガス流の偏向により、対になったヒートワイヤ対4-cが感温抵抗変化を起こすので、それを電気的に検出するものである。
【００２４】
ガス流は、ヒートワイヤ4-c近傍に形成される磁気4-dとヒートワイヤ4-cの熱によって生じる。センサ内部に封止された常磁性ガスは、磁気4-dに引き寄せられ、ヒートワイヤ4-cとノズル4-e側に圧力差を生じさせる。ヒートワイヤ4-c上空まできたガスは、暖められることにより常磁性が弱められ、ガス圧力が低くなっているノズル4-e側へと移動する。
【００２５】
以上を繰り返すことでガス流が形成され、角速度に応じたガス流の偏向状態をモニターすることで角速度を検出することが可能になる。
【００２６】
ヒートワイヤは、白金、チタンなど温度係数の大きな金属材料、シリコンなどによって実現可能である。パターンは、フォトリソグラフィとエッチングなどの加工法により形成でき、任意のパターン形状、抵抗値の設定が可能である。
【００２７】
常磁性を示すガスは、センサを封止する際にセンサ内部へ導入する。あるいは、センサにディスペンサを構成することで、当該ガスを供給することも可能である。
【００２８】
ディスペンサはたとえば4-fのように設置され、その中にガス供給物質を導入することができる。ガス供給物質は、たとえば常磁性ガスである酸素の場合、酸化銀あるいは酸化銀を含む物質であることができる。
【００２９】
本実施例による封止は、様々な方法により実現可能である。例えば、接着剤や接合材料を用いて行うことができ、シリコンとガラスであれば陽極接合法によって容易に実現可能である。
【実施例２】
【００３０】
実施例として、例えばシリコン基板を用いた本発明に基づくガスレートセンサの試作例を図５に示す。
（１）シリコン基板好ましくはＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）基板5-aを用意する。
（２）フローセンサ5-bを形成する。このとき、フローセンサ5-bは温度係数が比較的大きい材料であり、例えば白金、チタン、ドープされたシリコン等である。好ましくはフローセンサ5-bの熱が基板に吸収されることを防ぐために、センサ設置近傍は空間的ギャップを形成することが望ましい。
（３）エッチング例えばドライエッチング装置などによってガス流路5-cを形成する。
（４）常磁性ガス、例えば大気を利用して、センサ内に例えば酸素を含む雰囲気を形成する。封止材料5-dは、例えばガラス、シリコン、セラミック、金属、樹脂であることができる。
（５）フローセンサ近傍に磁石5-eを設置する。磁石は、例えばフェライト、ネオジウム、アルニコ等であることができ、あるいは電磁石であってもよい。
【００３１】
実施例２によって製作した本発明によるガスレートセンサの結果は以下の通りである。
【００３２】
図６は試作したガスレートセンサにおいて、磁石の有無での加速度を加えた際の評価結果である。加速度は、フローセンサ5-bの横並び軸線方向に加えた。なおフローセンサ5-bの抵抗値は約１kΩであり、図７のようにブリッジ回路を形成している。また、回路による不具合を避けるために、この回路からの直接出力を評価している。抵抗のばらつきによりオフセット電圧が発生するが、何もしない状態を基準として出力電圧変化を求めた。このとき磁石が無いときは、加速度印加の際にガスレートセンサに変化が見られた。これはフローセンサ5-b上で暖められたガスが加速度によって移動したものであり、熱線型加速度センサとして機能しているものである。磁石ありの場合、出力に変化は見られなかった。
【００３３】
図８はセンサ面に対して垂直方向の軸線周りに回転させた時の出力である。なお、表中の矢印は回転方向に対するフローセンサの抵抗値変化とブリッジ回路の出力変化の理論値を表現している。実験において各回転方向に応じた出力変化が確認された。これは、コリオリ力でセンサ内のガス流が見かけ上曲げられ、フローセンサ5-bの抵抗値を変化させたことによるものである。
【００３４】
以上より、本発明によるガスレートセンサにより、センサ面に垂直な軸線周りの角速度が検出できることがわかった。なお、フローセンサ対を複数対にすることで、２軸以上の多軸センサとすることも可能である。例えば、フローセンサ対を現在のセンサ対に対して９０度回転させた位置に形成すれば、２軸の角速度の検出が可能である。
【００３５】
ただし、本発明は実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、加工性に優れ、小型で精度の良いガス式レートセンサを容易に得ることができ、量産などにも最適となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明によるガスレートセンサの概略と断面を表す模式図である。
【図２】本発明の検出原理を示す図である。
【図３】図１のホットワイヤの電気接続例を示す図である。
【図４】本発明による実施例を示す模式図である。
【図５】本発明による実施試作例を示す模式図である。
【図６】実施例２により試作したガスレートセンサの加速度感度の評価結果である。
【図７】実施例２により試作したガスレートセンサの電気接続を示す図である。
【図８】実施例２により試作したガスレートセンサの角速度感度の評価結果である。
【符号の説明】
【００３８】
1-a    基板
1-b    ガス流路
1-c    ヒートワイヤ対
1-d    磁石
1-e    ノズル
A-A’  切断面
2-a    ガス流
ω     角速度
S1     ヒートワイヤS1
S2     ヒートワイヤS2
R1     抵抗１
R2     抵抗２
3-a    信号処理回路
4-a    基板
4-b    ガス流路
4-c    ヒートワイヤ対
4-d    磁石
4-e    ノズル
4-f    ディスペンサ
5-a    基板
5-b    フローセンサ
5-c    ガス流路
5-d    封止材料
5-e    磁石
B-B’ 切断面
【図２】
0005380727.tif 000002
【図３】
0005380727.tif 000003
【図６】
0005380727.tif 000004
【図７】
0005380727.tif 000005
【図８】
0005380727.tif 000006
【図１】
0005380727.tif 000007
【図４】
0005380727.tif 000008
【図５】
0005380727.tif 000009