(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを設け、前記両接点間に生じる熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサにおいて、
前記熱電対は、前記温接点周辺の導電性部材を、その厚みを一定に保ちつつ拡大することにより形成された熱容量増大構造を備えることを特徴とする流速センサ。
【請求項２】
請求項１記載の流速センサにおいて、
前記温接点より前記ヒータ側の導電性部材を前記ヒータ側に延長することによって、前記温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ拡大することを特徴とする流速センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流速センサに係わり、特に、流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び、冷接点を有する熱電対とを設け、両接点間の熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述した流速センサの一例として、一般に図４に示されたようなものが知られている。同図において、支持基台１ａの中央部には異方性エッチングにより薄肉状に形成された薄肉状部１ａ−１が設けられている。そして、この薄肉状部１ａ−１の上に流路を設けると共に、薄肉状部１ａ−１の上面に矢印１ｂ方向に流体が流れるようにする。
【０００３】
また、同図において、薄膜のマイクロヒータ１ｃは、薄肉状部１ａ−１の上面又は下面に設けられ、このマイクロヒータ１ｃには、駆動電流を供給するための電源配線１ｄが接続される。この電源配線１ｄには、パルス電圧または電流を出力する図示しないマイクロヒータ駆動回路が接続されている。
【０００４】
従って、マイクロヒータ１ｃは、マイクロヒータ駆動回路がパルスを出力するたびに、電源配線１ｄを介して通電され加熱する。薄肉状部１ａ−１の上面にはまた、このマイクロヒータ１ｃを挟んだ上流側及び下流側に上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇがそれぞれ設けられている。この上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、熱電対を直列に多数接続することにより、その感度の向上を図ったものである。
【０００５】
上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、図５のサーモパイルの拡大図に示すように熱電対を構成する２種類の導電性部材、例えばアルミニウム（以下、Ａｌとする）配線１０と、Ｐ型シリコン（以下、Ｐ++−Ｓｉとする）配線２０とが交互に直列接続して形成されている。そして、Ａｌ配線１０の一端とＰ++−Ｓｉ配線２０との接点である温接点Ｓｏが熱伝導率の低い薄肉状部１ａ−１に、Ａｌ配線１０の他端とＰ++−Ｓｉ配線２０との接点である冷接点Ｓｒが、薄肉状部１ａ−１以外の支持基台１ａである肉厚状部１ａ−２にそれぞれ配置されている。肉厚状部１ａ−２は、その熱伝導率がＡｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０より高くなるように肉厚に形成されている。
【０００６】
従って、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、図４に示すように、複数の温接点Ｓｏからなる温接点群Ｓｏｇが薄肉状部１ａ−１に、複数の冷接点Ｓｒからなる冷接点群Ｓｒｇが肉厚状部１ａ−２にそれぞれ設けられることとなる。このため、マイクロヒータ１ｃが加熱を開始し、その上下流側の流体が周囲温度よりも上昇すると、その熱は熱伝導率の低い薄肉状部１ａ−１には伝導されずほとんどが温接点群Ｓｏｇに伝導されるため、温接点群Ｓｏｇはマイクロヒータ１ｃの上下流側の流体の温度とほぼ等しくなる。
【０００７】
一方、冷接点群Ｓｒｇは、冷接点群Ｓｒｇ上を通過する流体の温度が上昇しても、その熱はＡｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０より伝導率の高い肉厚状部１ａ−２に伝わり逃げるため、ほぼ周囲温度に保たれている。この結果、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇ−冷接点群Ｓｒｇにはそれぞれ、マイクロヒータ１ｃの上下流側の流体の温度に応じた熱起電力が生じる。
【０００８】
上述した構成の流速センサの動作について図６のタイムチャート及び図７の温度分布図を参照にして以下説明する。マイクロヒータ１ｃは、マイクロヒータ駆動回路が出力する矩形パルスの立ち上がりと同時に駆動電流が流れ、所定時間加熱を行う（図６（ａ））。この結果、流路に流体が流れていないときは、マイクロヒータ１ｃ付近の気体に熱が伝わり、マイクロヒータ１ｃ付近の上流側、下流側の温度分布は対称分布になる。つまり、両サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇは、等しい温度ｔに上昇する（図７）。従って、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、等しいピーク電圧を有する熱起電力であるパルス電圧Ｖ１、Ｖ２を出力する（図６（ｂ）、（ｃ））。
【０００９】
今、マイクロヒータ１ｃが通電している間、矢印１ｂの方向に流体が流れると、上流側は流体により冷却され、その流速に応じてΔＴｄだけ降温する（図７）。一方、下流側は気体の流れを媒体としてマイクロヒータ１ｃから熱伝導が促進され、その流速に応じてΔＴｕだけ昇温する（図７）。
【００１０】
この結果、上流側サーモパイル１ｅは流体により降温されたピーク電圧を有するパルス電圧Ｖ１を、下流側サーモパイル１ｆは流体により昇温されたピーク電圧を有するパルス電圧Ｖ２をそれぞれ出力する（図６（ｄ）、（ｅ））。流速が増加すると、それに伴って、上述した降温分ΔＴｄと昇温分ΔＴｕも増加するので、パルス電圧Ｖ１、Ｖ２のピーク電圧の差は流速に応じた出力となる。
【００１１】
また、マイクロヒータ１ｃを常時通電することにより連続的に駆動して、流速に応じた上下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの電圧差を出力する流速センサも知られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した流速センサが計測したガスの流速を間欠的に取り込み、計測した流速に間欠時間を乗してガスの流量を計測すると共に、その積算値を表示するガスメータがある。そして、このガスメータを通じて供給するガスを消費する燃焼器のなかには、使用中に供給ガス圧に圧力変動を生じさせるものがある。例えば、ＧＨＰ（ガスヒートポンプ）の場合、その使用によってガス圧に約１５ｍｍＨ2Ｏの変動を１０〜２０Ｈｚの周波数で生じさせる。
【００１３】
このようなＧＨＰはガス流路に脈流を生じさせる脈流発生源となり、集合住宅などにおいて特定の消費宅に設置され使用されていると、ＧＨＰの生じさせる圧力変動が生じることにより、ガスメータ内のガス流路内に瞬間的なガスの流れが生じるため、ある流量に相当する流速を計測してしまうようになる。これをガス消費に伴うガス流量と誤認し、通過流量として積算し積算流量を求めてしまうことがあると、積算値が実際のガス使用量よりも大きくなってしまい、計量器としては致命的な信頼性の上の問題となる。
【００１４】
すなわち、ガスが全く消費されていない状態で、図８（ａ）に示すよう圧力変動が電子式ガスメータに生じると、この圧力変動の影響によりガス流路中のガスが上流方向及び下流方向に移動するため通過流量は図８（ｂ）に示すような１０〜２０Ｈｚの脈流が生じる。これに対応して間欠的な計測が行われたとすると、図８（ｃ）に示すような通過流量が求められるようになり、タイミングａで計測された通過流量Ｔａが積算されてしまう。
【００１５】
また、ガスを消費している消費宅のガスメータの上流側において上述したＧＨＰの生じさせる圧力が変動すると、その消費宅の電子式ガスメータのガス流路内の通過流量が図８（ｂ）に示すように増減が繰り返されることとなる。そして、このような実際の通過流量に対して増減を繰り返すような通過流量が電子式ガスメータにより求められてしまうと、近年のように、ガス漏洩検知機能とそれに連動したガス漏洩警報機能やガス供給遮断機能といった保安機能が電子式ガスメータに搭載されている場合に、次のような問題が生じる。
【００１６】
すなわち、実際にはガス漏洩判定レベルを越えていないにも拘わらず、計測のタイミングの関係からガス漏洩判定レベルを上回る通過流量が電子式ガスメータにより求められて、ガスの漏洩警報や供給遮断が誤って実行されたり、反対に、実際にはガス漏洩判定レベルを越えているにも拘わらず、計測のタイミングの関係からガス漏洩判定レベルを下回る通過流量が電子式ガスメータにより求められて、ガスの漏洩警報や供給遮断の実行が遅れてしまうという問題が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、熱電対が有する温接点の熱容量を増大することにより、脈流の影響を除去した平均流速を計測することができる流速センサを提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを設け、前記両接点間に生じる熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサにおいて、前記熱電対は、前記温接点周辺の導電性部材を、その厚みを一定に保ちつつ拡大することにより形成された熱容量増大構造を備えることを特徴とする流速センサに存する。
【００１９】
請求項１記載の発明によれば、ヒータが、流速を検出すべき流体を加熱する。２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び、冷接点を有する熱電対が、ヒータにより暖められた流体の温度を検出する。熱容量増大構造により、温接点の熱容量を増大される。従って、熱容量増大構造によって温接点の温度が、上昇しにくく、下降もしにくくなるため、脈流発生に応じて流体の温度が増減しても、熱電対はその温度の増減を抑制した温度を検出することができる。
【００２１】
また、請求項１記載の発明によれば、温接点周辺を拡大して、質量を増大させると、温接点の熱容量は増大することに着目し、温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ、拡大することにより、熱容量増大構造を形成する。以上のような構成によれば、温接点周辺の厚みを拡大することなく、熱容量を増大することができ、簡単に温接点の熱容量を増大することができる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の流速センサにおいて、前記温接点より前記ヒータ側の導電性部材を前記ヒータ側に延長することによって、前記温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ拡大することを特徴とする流速センサに存する。
【００２３】
請求項２記載の発明によれば、温接点よりヒータ側の導電性部材をヒータ側に延長することによって、温接点周辺の導電性部材の厚みを一定に保ちつつ拡大する。ところで、温接点の熱容量を増加する分、熱電対の感度が低下する。そこで、ある程度の感度を保つことができる範囲内で脈流を最大に抑制できるように、温接点の熱容量を増大させる流速センサを設計する必要がある。以上のような構成によれば、温接点の熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、設計が簡単となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。従来で説明したように、下流側サーモパイル１ｆは複数の熱電対を直列に接続して構成されているものであるが、断面図を簡単にするために、図１は、下流側サーモパイル１ｆが単一の熱電対により構成されたときの断面図を示す。同図において、図４で上述した従来と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２７】
図中、支持基台１ａは、シリコン基板（以下、Ｓｉ基板）３０と、該Ｓｉ基板３０の両面に形成された４窒化３ケイ素／２酸化ケイ素層（以下、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層）４１及び、４２とからなる。そして、この支持基台１ａに、流速を検出すべき流体を加熱するマイクロヒータ１ｃと、該マイクロヒータ１ｃを挟んで流体の上流側及び、下流側にそれぞれ配置された上流側サーモパイル１ｅ及び、下流側サーモパイル１ｆとが設けられている。
【００２８】
上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、上述した従来と同様に、２種類の導電性部材、すなわちアルミニウム配線（以下、Ａｌ配線）１０と、Ｐ型シリコン配線（以下、Ｐ++−Ｓｉ）配線２０とから構成されている。これらの導電性部材は、温接点Ｓｏ及び冷接点Ｓｒ部分のみが接続され、それ以外の部分は互いにＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１により絶縁されている。
【００２９】
また、マイクロヒータ１ｃと両サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点Ｓｏとが設けられている中央部分の支持基台１ａは、異方性エッチングにより、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４２とＳｉ基板３０とが除去され、薄肉状に形成されている。この薄肉状に形成された部分が薄肉状部１ａ−１であり、該薄肉状部１ａ−１以外の支持基台１ａが肉厚状部１ａ−２である。
【００３０】
さらに、支持基台１ａ上面が流路となっており、矢印１ｂ方向に流速を検出すべき流体が流れるようになっている。また、温接点Ｓｏよりマイクロヒータ１ｃ側のＰ++−Ｓｉ配線２０は、厚さ一定のままマイクロヒータ１ｃ側に延長されている。詳しくは、図２（ａ）のサーモパイルの拡大図に示すように延長されている。このため、延長した分、温接点Ｓｏ周辺部のＰ++−Ｓｉ配線２０が拡大するとともに質量が増大し、この結果、サーモパイルは温接点Ｓｏの熱容量を増大する熱容量増大構造を有することとなる。
【００３１】
上述した構成の流速センサの出力について、図３を参照して以下説明する。まず、マイクロヒータ１ｃが駆動して加熱が行われると、温接点Ｓｏ上方を流れる流体の温度は、周囲温度より上昇する。このとき、脈流が発生していれば、それに応じて温度も増減する（図３中１００参照）。そして、この温度上昇に伴って温接点Ｓｏの温度も上昇する。このとき、温接点Ｓｏの熱容量は増大されているため、温接点Ｓｏ自身の温度が上昇しにくく、かつ下降もしにくくなるため、脈流の発生に応じて流体の温度が増減しても、その温度変化についてゆけず、温度の増減を抑制した温度となる（図３中２００参照）。従って、流速センサは、脈流の影響を除去した流速を検出することができる。
【００３２】
なお、上述した実施例では、熱電対を構成する導電部材の一方であるＰ++−Ｓｉ配線２０を延長することにより、温接点Ｓｏ周辺のＰ++−Ｓｉ配線２０を拡大していたが、例えば、他方のＡｌ配線１０をマイクロヒータ１ｃ側に延長するようにしても、温接点Ｓｏの熱容量を増大する熱容量増大構造を備えることができ、脈流の影響を除去した流速を検出することができる。また、両配線１０又は２０をマイクロヒータ１ｃ側に延長しても同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、同様の構成で、例えば、温接点Ｓｏ周辺のＡｌ配線１０又は、Ｐ++−Ｓｉ配線２０の厚さを他の部分より高く形成することにより、温接点Ｓｏ周辺の導電性部材を拡大して、温接点Ｓｏの熱容量を増大させることも考えられる。しかし、上述したように温接点Ｓｏ周辺だけＡｌ配線１０又はＰ++−Ｓｉ配線２０の厚さを高く形成すると製造工程が多くなるため、上述したようにＡｌ配線１０又はＰ++−Ｓｉ配線２０の厚さを一定に保ちつつ、拡大することにより熱容量増大構造を形成する方が構成が簡単となりコストダウンを図ることができる。
【００３４】
さらに、上述した実施例では、マイクロヒータ１ｃ側のＰ++−Ｓｉ配線２０をマイクロヒータ１ｃ側に延長して温接点Ｓｏ周辺の導電性部材を、厚さを一定に保ちつつ拡大していたが、例えば、厚さ一定であれば、図２（ｂ）に示すように、温接点Ｓｏ周辺を単に拡大するだけでもよい。ところで、温接点Ｓｏの熱容量を増加しすぎると、燃焼器の使用によるガス流速自体の変動による温度変化にもついて行けず、ガス流速が頻繁に変動するような場合には逆に流速検出精度が低下してしまう。そこで、ガス流速が頻繁に変動するような場合であっても、ある程度の流速検出精度が保てるるような範囲内で脈流を最大に抑制できるよう、温接点Ｓｏの熱容量を増大させる必要がある。
【００３５】
そこで、図２（ａ）に示すように、マイクロヒータ１ｃ側のＰ++−Ｓｉ配線２０をマイクロヒータ１ｃ側に延長することにより、温接点Ｓｏの熱容量を増大する熱容量増大構造を形成すれば、温接点Ｓｏの熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、流速センサの設計を簡単に行うことができる。
【００３６】
また、サーモパイル１ｅ、１ｆは、図４に示すように、複数の温接点Ｓｏが、流体の流れ方向１ｂと垂直に並べて設けられている。従って、図２（ｂ）に示すように、温接点Ｓｏ周辺を単に拡大すると、温接点Ｓｏ同士の間隔も拡大しなければならず、これに伴ってサーモパイル１ｅ、１ｆ自体も大きくなってしまう。ところが、図２（ａ）に示すように、マイクロヒータ１ｃ側のＰ++−Ｓｉ配線２０をマイクロヒータ１ｃ側に延長して、温接点Ｓｏの熱容量を増大すれば、温接点Ｓｏ同士の間隔を変える必要がない。
【００３７】
従って、サーモパイル１ｅ、１ｆの大きさを抑えつつ、熱容量を大きくすることができ、大きさの制限を受けて、温接点Ｓｏの数を減らす必要がない。また、温接点Ｓｏ数の減少により生じるサーモパイル１ｅ、１ｆの感度低下を補うために、マイクロヒータ１ｃの消費電力を上げる必要もない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、熱容量増大構造によって温接点の温度が、上昇しにくく、下降もしにくくなるため、脈流発生に応じて流体の温度が増減しても、熱電対はその温度の増減を抑制した温度を検出することができるので、脈流の影響を除去した平均流速を計測することができる流速センサを得ることができる。
【００３９】
また、請求項１記載の発明によれば、温接点周辺の厚みを拡大することなく、熱容量を増大することができ、簡単に温接点の熱容量を増大することができるので、コストダウンを図った流速センサを得ることができる。
【００４０】
請求項２記載の発明によれば、温接点の熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、設計が簡単となるので、コストダウンを図ることができる流速センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１のサーモパイルを構成する熱電対の拡大天面図である。
【図３】図１の流速センサの出力を説明するための図である。
【図４】従来の流速センサの一例を示す図である。
【図５】従来の流速センサを構成するサーモパイルの拡大天面図である。
【図６】図５の流速センサの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】図５のマイクロヒータの上下流側の温度分布を示すグラフである。
【図８】従来の流速センサの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１ｃ  マイクロヒータ（ヒータ）
１０  Ａｌ配線（導電性部材）
２０  Ｐ++−Ｓｉ配線（導電性部材）
Ｓｏ  温接点
Ｓｒ  冷接点
１ｅ  上流側サーモパイル（熱電対）
１ｆ  下流側サーモパイル（熱電対）
【図１】
0003710995.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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