(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる通路に発熱体及び接点間の温度差に応じた起電力を発生する熱電対を設け、前記発熱体により加熱された前記流体により前記熱電対が加熱されたときに前記熱電対から発生する電圧を検出することにより前記流体の流速を測定するようになされた熱式流速センサにおいて、
前記流体の流れる方向に対して前記発熱体の下流側に、前記流体の流れる方向に対してほぼ平行となるように前記熱電対を配設して前記熱電対に上流側の接点と下流側の接点との温度差に応じた電圧を発生させ、
前記発熱体が発熱を開始した時点又は発熱を停止した時点から前記熱電対の電圧が正負逆転するまでの時間に基づいて前記流速を求めるようにした
ことを特徴とする熱式流速センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱式流速センサに関し、特に流体の流れる通路に発熱体及び熱電対を設け、発熱体により加熱された流体により熱電対が加熱されたときに熱電対から発生する電圧を検出することにより流体の流速を測定するようになされた熱式流速センサに適用し得る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱式流速センサとして、図２に示すような構成のものがある。熱式流速センサ１は基台２上に発熱部３及び温度検出部４が設けられている。ここで発熱部３は測定しようとする流体の流れる方向ａに対して温度検出部４よりも上流側に配設されている。
【０００３】
発熱部３は発熱体としての抵抗５と、抵抗５の両端から導出された電極パット６Ａ，６Ｂとにより構成され、電極パット６Ａ，６Ｂに図示しない電源から電圧を印加することにより抵抗５に電流を流して抵抗５を発熱させるようになっている。
【０００４】
温度検出部４はサーモパイル構成からなる。その他に、測温抵抗体や焦電体を用いてもよい。温度検出部４はＳｉＯ２薄膜からなるダイヤフラム構成となっている感温部材７を有し、この感温部材７上には複数の熱電対８が互いに直列接続されたサーモパイルが形成されている。これら複数の熱電対８は、その感温接点９を感温部材７上に配設し、その冷接点１０を感温部材７の外側に配設した構成となっている。
【０００５】
また直列に接続された複数の熱電対８の両端の接点９、１０は、それぞれ電極パット１２Ａ及び１２Ｂに電気的に接続されている。そして電極パット１２Ａ，１２Ｂ間の電圧が図示しない電圧計で計測される。
【０００６】
なお抵抗５の周囲には断熱部１３が形成されていると共に、感温部材７の発熱部３に対向する一辺位置には断熱部１４が形成され、これにより発熱部３で発生した熱が基台２を伝導して感温部材７に到達することを防止するようになっている。
【０００７】
かかる構成において、熱式流速センサ１では、上流部の発熱部３で温められた流体が下流の温度検出部４で感知されるまでの時間Δｔ、すなわち温度検出部４の電極パット１２Ａ、１２Ｂ間の電圧がある値以上となるまでの時間を測定し、この時間Δｔを使って演算部（図示せず）で流速ｖ＝Δｌ／Δｔを求める。但し、前式におけるΔｌは発熱部５から温度検出部４までの距離とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、感温部材７に伝わる熱量は流速によって変化するため、実際には上述の計測時間Δｔの逆数（１／Δｔ）は流速に比例しない。そこで通常この構成の流速センサは感温部材７の温度上昇ΔＴをサーモパイルの起電力（または測温抵抗体の抵抗変化）で計測した値と流速との相関を利用して流速を計測している。しかしながら、この相関関係も、図３に示すように、非線形型である。なお図３のグラフは流速とセンサ出力との相関の一例を示す。
【０００９】
また従来の熱式流速センサにおいては、発熱部の抵抗値などが温度特性を有するため、環境温度が変化するとこれに応じて発生する熱量も変化する。例えば環境温度が高いほど発熱抵抗体の抵抗値は高くなり、定電圧で駆動している場合、発生熱量は少なくなる。この結果、ΔＴの測定を行った場合でも若しくはΔｔの測定を行った場合でも、流体の流速が同じであっても環境温度が高いほど実際の流速よりも流速が遅いといった誤った計測値を得てしまう。
【００１０】
従来これを回避する方法として、定電力駆動回路によって発熱体を制御するなどの対策がとられてきた。しかしながら、定電力駆動回路は定電圧や定電流の駆動回路に比べて回路規模が非常に大きく、消費電流もかなり大きくなるという欠点があった。また環境温度をモニタし、発熱体や測定値にフィードバックをかける対策も考えられるが、この場合明らかに回路規模も消費電流も大きくなる欠点がある。
【００１１】
また従来の熱式流速センサは、発熱部で発生した熱はセンサ内の伝熱により温度検出部に伝わり、この結果検出される電圧値がその分だけ上昇してしまうことになる。これを避けるために、発熱体から発生する熱を温度検出部に回り込む前に基台で冷却する構成にするとよいが、発熱体で消費される電流値をできるだけ小さくすることを考慮すると、発熱体と基台の熱抵抗はあまり小さくできない。そこで図２について述べたように、発熱体３と温度検出部４の間に断熱１３、１４を設ける方法がとられている。しかしながらセンサの強度上断熱にも限界がある。
【００１２】
そこで、発熱部の上流側に発熱体を中心にして対称に温度検出部と同じ構成のリファレンス温度検出部を配置したものがある。これによれば、温度検出部とリファレンス温度検出部の電圧差を計測値とすることで、伝熱によるオフセット電圧をなくすことができる。しかしながら、この構成では、センサが大きくなり、また左右対称のセンサを作製する難しさによる器差や歩留まりの低下を引き起こす欠点があった。
【００１３】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、かかる従来の課題を一挙に解決して、環境温度の変化による測定誤差が少ない簡易な構成の熱式流速センサを提案しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明により成された請求項１に記載の熱式流速センサは、図１に示すように、流体の流れる通路に発熱体及び接点間の温度差に応じた起電力を発生する熱電対を設け、前記発熱体により加熱された前記流体により前記熱電対が加熱されたときに前記熱電対から発生する電圧を検出することにより前記流体の流速を測定するようになされた熱式流速センサにおいて、
前記流体の流れる方向に対して前記発熱体の下流側に、前記流体の流れる方向に対してほぼ平行となるように前記熱電対を配設して前記熱電対に上流側の接点と下流側の接点との温度差に応じた電圧を発生させ、
前記発熱体が発熱を開始した時点又は発熱を停止した時点から前記熱電対の電圧が正負逆転するまでの時間に基づいて前記流速を求めるようにした。
【００１５】
以上の構成において、熱電対の２つの接点は流体の流れる方向に対して上流側及び下流側に位置するようになることにより、熱電対からは加熱された流体の流れに応じて変化する上流側の接点と下流側の接点の温度差に応じた電圧が発生する。
【００１６】
ここで発熱体によって温められた流体は先ず熱電対の２つの接点のうち上流側の接点に到達する。このとき上流側の接点の方が下流側の接点よりも温度が高いことにより熱電対からは正の電圧値が出力される。次に温められた流体が下流側の接点に到達すると、上流側の接点の温度よりも下流側の接点の温度が高くなることにより熱電対からは負の電圧値が出力される。
【００１７】
この電圧値の正負が切り替わる時点Δｔは簡単に検出でき、明らかに、発熱体からの発熱量が変化してもその時点Δｔは変化しない。またサーモパイルの温度特性の影響も受けない。従って、本発明の熱式流速センサが配置された環境温度が変化してもその影響を受けずに安定（すなわち直線性の向上した）した出力を得ることができる。
【００１８】
かくして、発熱体が発熱を開始した時点又は発熱を停止した時点から熱電対の電圧が正負逆転するまでの時間に基づいて流速を求めるようにすれば、熱伝導や環境温度の変化に起因する測定誤差の少ない良好な測定結果を簡単に得ることができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態を説明する。
【００２０】
図２との対応部分に同一符号を付して示す図１は、本発明による熱式流速センサを示す。熱式流速センサ２０は、感温部材２２上に、流体の流れる方向ａに対してほぼ平行となるように複数の熱電対２１が配設されている。これにより各熱電対２１は上流側の接点２３と下流側の接点２４の間で温度差が生じると、当該温度差に応じた電圧を発生するようになされている。
【００２１】
感温部材２２はＳｉＯ２薄膜からなるダイヤフラム構成となっている。また感温部材２２のＳｉＯ２薄膜上には、半導体プロセスにより、Ｐ＋−ＳｉとＡｌでなる電路２１Ａ及びＡｌでなる電路２１Ｂが、気流に対して上流側の接点２３と気流に対して下流側の接点２４で互いに接合するように形成されている。これにより感熱部材２２及び熱電対２１はサーモパイルを構成する。
【００２２】
このように熱式流速センサ２０においては、複数の熱電対２１を直列接続していることにより、最終的に検出される熱電対２１からの電圧は各熱電対の電圧の総和となることにより、１つの熱電対からの電圧に基づいて流速を求める場合に比して感度を向上させることができる。
【００２３】
ここで熱式流速センサ２０では、制御部３１からの制御信号Ｓ１に応じて電圧印加回路２６が駆動されて抵抗５に電流が流れ抵抗５が発熱する。また電極パット２５Ａ及び２５Ｂ間の電圧は電圧計２７により検出され、この結果得られた電圧値信号Ｓ２が演算部２８に送出される。演算部２８は制御部３１からの制御信号Ｓ１と電圧値信号Ｓ２とを用いて所定の演算を行うことにより流体速度を求める。
【００２４】
以上の構成において、発熱部３によって温められた流体は先ず熱電対２１の上流側の接点２３に到達する。このとき上流側の接点２３の温度の方が下流側の接点２４の温度よりも高くなるので電圧計２７では正の電圧値が検出される。次に温められた流体が熱電対２１の下流側の接点２４に到達すると、下流側の接点２４の温度の方が上流側の接点２３の温度よりも高くなるので電圧計２７では負の電圧値が検出されるようになる。
【００２５】
なおこの実施形態では、温められた流体が同じ時間に接点２３と接点２４の両方をまたがないようにするために、発熱部３の発熱は非常に短い時間だけ行われる（すなわちオンされた後すぐにオフされる）ようになっている。
【００２６】
演算部２８は発熱部３により発熱が開始されたときから電圧計２７の検出電圧が正から負へと変化するまでの時間（すなわち検出電圧値が±０となるまでの時間）Δｔを監視し、この時間Δｔから流速ｖを算出する。
【００２７】
このようにしたことで、感温部材２２に環境温度による温度特性があっても、検出電圧値が±０となるときの接点２３と接点２４との温度差は常に零なので、感温部材２２の温度特性は無視できるようになる。
【００２８】
また環境温度等の違いにより発熱部３の発熱量が多少変動しても、発熱時間が一定であれば、求められる流速の測定値はほとんど変動しないため、発熱部３の温度特性による測定誤差が軽減されるようになる。
【００２９】
またこのように熱式流速センサ２０の応答性はその熱的な構造設計によらないので、ほとんど即時的（温度感知時間Δｔの２倍程度で）流速測定を行うことができるようになり、その応答速度を十ミリ秒以下とすることも可能となる。
【００３０】
因みに、図２に示すような従来の熱式流速センサ１では、応答速度をあまり速くすることができない欠点があった。すなわち感温部材７と基台２との熱抵抗を大きくすればするほど感温部材７の温度上昇速度を速くすることができるが、冷却までに時間がかかるようになり次の測定までの間隔が長くなってしまう。これに対して感温部材７と基台２との熱抵抗を小さくすると、感温部材７の温度上昇が遅くなってしまう。このため熱式流速センサ１の応答速度は実際上数十ミリ秒が限界であった。
【００３１】
以上の構成によれば、熱電対２１を流体の流れる方向ａに対して平行となるように配設し、電圧値の正負が逆転する時点に基づいて流速を求めるようにしたことにより、発熱部３の熱が基台２を介して感温部材２２に伝導した場合や熱式流速センサが配置された環境温度が変化した場合でも、電圧値の正負が逆転する時点はそれらによってはほとんど変化しないので、環境温度による誤差の少ない測定結果を得ることができる。
【００３２】
なお上述の実施形態においては、発熱部３が発熱した時点から熱電対２１の両端の電圧が正負逆転するまでの時間に基づいて流速を求めるようにした場合について述べたが、これとは逆に発熱部３が発熱を停止した時点から熱電対２１の両端の電圧が負から正へと逆転するまでの時間に基づいて流速を求めるようにした場合でも上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また上述の実施形態においては、複数の熱電対２１から得られた電圧の変化に基づいて流速を求めるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当然１つの熱電対から得られた電圧の変化に基づいて流速を求めるようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように請求項１の発明によれば、流体の流れる方向に対して発熱体の下流側に、流体の流れる方向に対してほぼ平行となるように熱電対を配設し、発熱体が発熱を開始した時点又は発熱を停止した時点から熱電対の電圧が正負逆転するまでの時間に基づいて流速を求めるようにしたことにより、環境温度の変化による測定誤差が少ない簡易な構成の熱式流速センサを実現できる。
【００３５】
また発熱体を定電力駆動でなく定電圧（または定電流）駆動しても正確な測定値を得ることができるため、消費電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による熱式流速センサの構成を示す略線図である。
【図２】従来の熱式流速センサの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
５          発熱体（抵抗）
２０        熱式流速センサ
２１        熱電対
２３，２４  接点
２９，３０  断熱部材
【図１】
0003570659.tif 000002
【図２】
0003570659.tif 000003