(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の駆動信号により通電駆動される熱源と、該熱源が放出又は吸収する熱を検出しその温度に応じた流速信号を出力する温度センサとを有するフローセンサを、被測定対象の流体の流路上に、前記熱源と前記温度センサとが前記流路における流体の流れ方向に間隔をおくように配置し、前記流速信号と前記駆動信号との位相差を検出した位相差信号出力手段が該位相差に応じて出力する位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定する流速計において、
前記流路の前記流体の流れる条件が等しいｎ箇所（ｎ＝２以上の整数）に各々配置される前記フローセンサと、
前記各フローセンサを相互に熱的に絶縁する熱絶縁手段と、
前記各フローセンサの前記熱源を、前記駆動信号の１／ｎ周期ずつ互いに位相をずらした前記駆動信号により各々通電駆動する駆動手段とを備えており、
前記駆動信号の１／ｎ周期おきに順次前記位相差信号出力手段により検出される前記各フローセンサ毎の前記流速信号と前記駆動信号との位相差に応じた前記位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を、前記駆動信号の１／ｎ周期おきに測定する、
ことを特徴とする流速計。
【請求項２】
前記各フローセンサは、前記熱源及び前記温度センサが配置される絶縁層膜と、該絶縁層膜の前記熱源及び前記温度センサが配置されたダイヤフラム領域の周縁領域にシリコン基台を設けて構成されていて、前記シリコン基台どうしを連結することでｎ個の前記フローセンサが一体に形成されており、前記熱絶縁手段は、前記各フローセンサの前記シリコン基台によって構成されている請求項１記載の流速計。
【請求項３】
一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の駆動信号により通電駆動される熱源と、該熱源が放出又は吸収する熱を検出しその温度に応じた流速信号を出力する温度センサとを有するフローセンサを、被測定対象の流体の流路上に、前記熱源と前記温度センサとが前記流路における流体の流れ方向に間隔をおくように配置し、前記流速信号と前記駆動信号との位相差を検出した位相差信号出力手段が該位相差に応じて出力する位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を測定する流量計であって、
請求項１又は２記載の流速計を備え、
前記流速計により測定された前記流路を流れる流体の流速、及び、前記流路の既知の断面積を用いて、前記流路を流れる流体の流量を測定する、
ことを特徴とする流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス等の流体の流速乃至流量をその流路上において測定する流速計及び流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばガス等の流体の流量を流路上において測定する際に、既知の流路断面積に乗じて流量を求めるのに必要な、流路を流れる流体の速度を検出する技術として、流路上に配置したヒータを交流の駆動信号により通電駆動し、このヒータから流路における流体の流れ方向に間隔をおいて配置した温度センサが、ヒータから放出される熱の伝搬速度に応じて出力する交流の流速信号と、ヒータの通電駆動に用いる交流の駆動信号との位相差を求める方法が知られている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−２６４５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した、温度センサが出力する流速信号とヒータの通電駆動に用いる交流の駆動信号との位相差から流体の流速を求める方法は、流路を流れる流体の流速が変化すると、温度センサから出力される流速信号の位相が、流速に応じた量だけ変化することを利用して、流体の流速を求めるものであり、その精度は、駆動信号と流速信号との位相差を測定する際の時間に対する分解能によって定まる。
【０００４】
駆動信号と流速信号との位相差は、例えば、駆動信号と流速信号とをＲ，Ｓの各入力とするフリップフロップ回路を用いて、各信号のゼロクロス時点でＲ，Ｓの各入力が反転するタイミングの差から測定することができ、その際の測定分解能を司るファクタには、フリップフロップ回路のクロックの周期と、駆動信号や流速信号の周波数とがある。
【０００５】
このうち、フリップフロップ回路のクロックの周期については、その周期を短くすればするほど、駆動信号と流速信号との位相差の測定分解能ひいては測定精度が高まるが、仮にフリップフロップ回路のクロック周期を短くすることができない事情がある場合には、駆動信号（ひいては流速信号）の周波数を低く（周期を長く）して、駆動信号や流速信号の一周期中に発生するフリップフロップ回路のクロック数を増やし、結果的に、クロック周期を短くするのと同様の状況にして、駆動信号と流速信号との位相差の測定分解能ひいては測定精度を高めようとすることになる。
【０００６】
しかしながら、例えば上述した駆動信号と流速信号のゼロクロス時点のタイミング差のように、駆動信号の特定の位相箇所の到来するタイミングと、流速信号の同じ位相箇所の到来するタイミングとの差を検出することで測定される両信号の位相差は、一周期に一度しか測定できないので、駆動信号の周波数を低くすると、駆動信号と流速信号との位相差の測定周期が長くなり、測定された位相差に基づいて求められる流路上の流体の流速の、流路を流れる流体の実流速の変化に対する追従性が低下してしまい、結果的に、流体の流速測定の精度を低下させてしまうことになる。
【０００７】
そして、上記した課題は、交流の駆動信号により通電駆動するのが、通電量によって放出する熱の量が変化するヒータである場合に限らず、例えば、ペルチェ素子のような、通電方向によって熱の放出と吸収とが切り換わり、かつ、通電量によって放出又は吸収する熱の量が変化するものを熱源として用いる場合にも、総じて当てはまるものである。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、流路における流体の流れ方向に間隔をおいて配置した熱源と温度センサを用い、上記した交流信号やこれを直線シフトした信号のような、一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の駆動信号により通電駆動された熱源から伝搬される熱を検出した温度センサが出力する流速信号の、駆動信号との位相差に基づいて、流路を流れる流体の流速乃至流量を測定する際に、駆動信号と流速信号との位相差の測定精度を高くしつつ、測定された位相差に基づいて求められる流路上の流体の流速乃至流量の、流路を流れる流体の実流速乃至流量の変化に対する追従性の低下を防ぎ、流体の流速乃至流量測定の精度を確保できる流速計及び流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する請求項１及び請求項２記載の本発明は流速計に関するものであり、請求項３記載の本発明は流量計に関するものである。
【００１０】
そして、請求項１に記載した本発明の流速計は、一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の駆動信号により通電駆動される熱源と、該熱源が放出又は吸収する熱を検出しその温度に応じた流速信号を出力する温度センサとを有するフローセンサを、被測定対象の流体の流路上に、前記熱源と前記温度センサとが前記流路における流体の流れ方向に間隔をおくように配置し、前記流速信号と前記駆動信号との位相差を検出した位相差信号出力手段が該位相差に応じて出力する位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定する流速計において、前記流路の前記流体の流れる条件が等しいｎ箇所（ｎ＝２以上の整数）に各々配置される前記フローセンサと、前記各フローセンサを相互に熱的に絶縁する熱絶縁手段と、前記各フローセンサの前記熱源を、１／ｎ周期ずつ互いに位相をずらした前記駆動信号により各々通電駆動する駆動手段とを備えており、前記駆動信号の１／ｎ周期おきに順次前記位相差信号出力手段により検出される前記各フローセンサ毎の前記流速信号と前記駆動信号との位相差に応じた前記位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を、前記駆動信号の１／ｎ周期おきに測定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載した本発明の流速計は、請求項１に記載した本発明の流速計において、前記各フローセンサが、前記熱源及び前記温度センサが配置される絶縁層膜と、該絶縁膜層の前記熱源及び前記温度センサが配置されたダイヤフラム領域の周縁領域に設けられたシリコン基台とを有しており、前記各フローセンサの前記シリコン基台どうしを連結することでｎ個の前記フローセンサが一体に形成されており、前記熱絶縁手段が、前記各フローセンサの前記シリコン基台によって構成されているものとした。
【００１２】
さらに、請求項３に記載した本発明の流量計は、一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の駆動信号により通電駆動される熱源と、該熱源が放出又は吸収する熱を検出しその温度に応じた流速信号を出力する温度センサとを有するフローセンサを、被測定対象の流体の流路上に、前記熱源と前記温度センサとが前記流路における流体の流れ方向に間隔をおくように配置し、前記流速信号と前記駆動信号との位相差を検出した位相差信号出力手段が該位相差に応じて出力する位相差信号に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を測定する流量計であって、請求項１又は２記載の流速計を備え、前記流速計により測定された前記流路を流れる流体の流速、及び、前記流路の既知の断面積を用いて、前記流路を流れる流体の流量を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載した本発明の流速計によれば、駆動手段が周期電圧波形の信号の駆動信号により各フローセンサの熱源を通電駆動させると、熱源の通電量乃至放出（又は吸収）熱量が連続的に増減され、これに追従して各フローセンサの温度センサが出力する流速信号のレベルが増減するので、流速信号は、駆動信号と同じ周波数の信号成分、又は、駆動信号の周波数の倍の周波数成分を含む周期電圧波形となる。
【００１４】
ところで、各フローセンサの温度センサが出力する周期電圧波形の流速信号に含まれる、駆動信号と同じ周波数の信号成分、又は、駆動信号の周波数の倍の周波数成分は、駆動手段が各フローセンサの熱源の通電駆動に用いる駆動信号との位相差が、流路を流れる流体の流速に応じて変化するので、各フローセンサの温度センサが出力する周期電圧波形の流速信号の、各フローセンサの駆動手段が熱源の通電駆動に用いる駆動信号との位相差の変動を監視すれば、流路を流れる流体の流速が測定されることになる。
【００１５】
そして、駆動手段がｎ個のフローセンサの熱源を、１／ｎ周期ずつ互いに位相をずらした駆動信号により各々通電駆動することから、位相差信号出力手段が駆動信号の特定の位相箇所の到来するタイミングと流速信号の同じ位相箇所の到来するタイミングとの差を検出して位相差信号を出力するタイミングが、各フローセンサ毎に１／ｎ周期ずつずれて到来することになる。
【００１６】
しかも、各フローセンサの相互間が熱絶縁手段により互いに熱的に絶縁されていることから、ｎ個のフローセンサの熱源を駆動手段により同時に通電駆動しても、それぞれの熱源が放出又は吸収する熱によって他のフローセンサの温度センサの出力に影響が及ぼされることはない。
【００１７】
そのため、駆動信号の１／ｎ周期毎に位相差検出手段が出力する、各フローセンサの熱源の駆動信号と温度センサの流速信号との位相差に応じた位相差信号が、駆動信号の１／ｎ周期ずつ異なるタイミングにおける流路を流れる流体の流速に応じたものとなることから、駆動信号と流速信号との位相差を測定するタイミングが駆動信号の一周期に一度しか到来しなくても、流路に配置したフローセンサの個数分、駆動信号の一周期を分割した細かいタイミング毎に、流路を流れる流体の流速が測定されることになる。
【００１８】
よって、駆動信号と流速信号との位相差の測定分解能を高めるために、位相差測定に用いるクロックの周期を短くすることができない場合、それに代えて駆動信号の周波数を低くすることで、駆動信号の低周波数化に伴いフローセンサにおける駆動信号と流速信号との位相差を測定するタイミングの到来する周期が長くなってしまっても、流路を流れる流体の流速の測定周期が長くなってしまうのを防ぎ、測定された位相差に基づいて求められる流路上の流体の流速の、流路を流れる流体の実流速の変化に対する追従性の低下を防ぎ、流体の流速測定の精度を確保することができる。
【００１９】
また、請求項２に記載した本発明の流速計によれば、請求項１に記載した本発明の流速計において、ｎ個のフローセンサを一体化することで各フローセンサを流路の流体の流れる条件が等しい箇所に容易に配置することができる。
【００２０】
そして、請求項３に記載した本発明の流量計によれば、請求項１又は２に記載した本発明の流速計によって高精度で測定された、流路を流れる流体の流速を用いて、流路を流れる流体の流量を高精度で計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明による流量計の実施形態を、流速計の実施形態と共に、図面を参照して説明する。
【００２２】
まず、本発明による流速計を適用した本発明の第１実施形態に係るガス流量計と、後に説明する本発明の第３実施形態に係るガス流量計とにおいて使用されるフローセンサの概略構成について、図１及び図２を参照して説明する。
【００２３】
図１の説明図中引用符号３で示すフローセンサは、例えば特開平９−２５７８２１号公報において図１を参照して説明されているような、図２の断面図に示されているように、絶縁被膜３２を上面に積層したＳｉ基板３１（請求項中のシリコン基台に相当）の中央部を違法性エッチングにより除去することで、絶縁性膜３２の中央部にダイヤフラム領域３２ａを形成し、このダイヤフラム領域３２ａ上に、図１に示されているように、マイクロマシニング加工によって、マイクロヒータ３３（請求項中の熱源に相当）及びサーモパイル３５（請求項中の温度センサに相当）を形成して構成されたものであり、ガス（請求項中の被測定対象の流体に相当）の流路Ｓ上に、マイクロヒータ３３が流体の流れ方向における上流側に、サーモパイル３５が下流側に位置するように配置されている。
【００２４】
このフローセンサ３では、マイクロヒータ３３を駆動信号により通電駆動することでマイクロヒータ３３が熱を放出し、マイクロヒータ３３から伝達された熱の温度に応じた起電力がサーモパイル３５に発生し、この起電力がサーモパイル３５から、流路Ｓを流れるガスの流量に応じた流速信号として出力されるように構成されている。
【００２５】
また、このフローセンサ３は、ダイヤフラム領域３２ａの熱容量がそれ以外の絶縁被膜３２部分の熱容量に比べて非常に小さくなっていて、これにより、マイクロヒータ３３が発する熱が流路Ｓを流れるガス以外の媒体を介してサーモパイル３５に伝達されないようになっており、その一方で、ダイヤフラム領域３２ａを除く絶縁被膜３２部分がダイヤフラム領域３２ａに比べて遙かに熱を伝達しやすいＳｉ基板３１によって、周囲の環境と同程度の温度となるように構成されていることから、ダイヤフラム領域３２ａ内の熱分布は周囲から熱的に絶縁されるようになっている。
【００２６】
次に、上述したフローセンサ３を用いて流路Ｓを流れるガスの流量を測定する、本発明の第１実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図３のブロック図を参照して説明する。
【００２７】
図３中引用符号１で示す第１実施形態のガス流量計は、前記フローセンサ３と、前記マイクロヒータ３３を正弦波状の駆動信号により通電駆動させる駆動回路５（請求項中の駆動手段に相当）と、前記サーモパイル３５から出力される流速信号を増幅するアンプ７と、アンプ７によって増幅された流速信号から駆動回路５の駆動信号と同じ周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタ９と、駆動回路５の駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差を検出し位相差検出信号（請求項中の位相差信号に相当）を出力する位相差検出回路１１（請求項中の位相差信号出力手段に相当）とを有する流速測定ユニットＡを３つ備えている。
【００２８】
また、第１実施形態のガス流量計１は、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号から流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を演算するマイクロコンピュータ等の演算装置１３を備えている。
【００２９】
尚、前記各流速測定ユニットＡのフローセンサ３は、流路Ｓにおけるガスの流れる条件が等しい箇所に各々離して配置されており、互いのマイクロヒータ３３が発する熱が他のフローセンサ３のサーモパイル３５によって感知されることのないように、各フローセンサ３どうしが、それぞれのＳｉ基板３１と互いの間隔とによって熱的に絶縁されている。
【００３０】
また、前記各流速測定ユニットＡの駆動回路５は、図４に回路図で示すように、水晶発振器５１の発振周波数に応じた正弦波の信号を、その振幅の全幅に亘って正電位又は負電位となるように、後段のアンプ５３により直流シフトさせて、この正電位又は負電位の正弦波による信号を、前記駆動信号として前記フローセンサ３のマイクロヒータ３３に出力するように構成されており、かつ、流速測定ユニットＡの個数分の１である１／３ずつ互いの位相をずらして駆動信号を出力するように構成されている。
【００３１】
さらに、前記各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１は、図５に回路図で示すように、駆動回路５の駆動信号をコンデンサＣ１でカップリングし、電源Ｖｃｃ（本実施形態ではＤＣ５Ｖ）とプルアップ抵抗Ｒ１により、抵抗Ｒ２とプルアップ抵抗Ｒ１との分圧比により定まる電位にプルアップした後、抵抗Ｒ３，Ｒ４の中点に生成される駆動信号の振幅の中間電位（本実施形態では２．５Ｖ）のＤＣ電圧とコンパレータＡ１で比較し、コンパレータＡ１の比較出力をＲＳフリップフロップＦ／Ｆの入力Ｓに入力すると共に、バンドパスフィルタ９を通過した流速信号をコンデンサＣ２でカップリングし、電源Ｖｃｃとプルアップ抵抗Ｒ５により、抵抗Ｒ６とプルアップ抵抗Ｒ５との分圧比により定まる電位にプルアップした後、抵抗Ｒ３，Ｒ４の中点に生成される駆動信号の振幅の中間電位のＤＣ電圧とコンパレータＡ２で比較し、コンパレータＡ２の比較出力をＲＳフリップフロップＦ／Ｆの入力Ｒに入力して、駆動回路５の駆動信号の位相に対してバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相がずれている期間、Ｈレベルの位相差検出信号をＲＳフリップフロップＦ／Ｆから出力するように構成されている。
【００３２】
尚、本実施形態では、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６に全て同じ抵抗値のものが使用されている。
【００３３】
さらに、前記演算装置１３は、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１から各々出力された位相差検出信号を、流路Ｓを流れるガスの流速に換算するための換算式に関するデータや、換算したガスの流速から流路Ｓを流れるガスの流量を演算するために必要な、流路Ｓの断面積のデータ等を、内部のメモリに記憶している。
【００３４】
以上の構成による第１実施形態のガス流量計１では、各流速測定ユニットＡの駆動回路５がマイクロヒータ３３を通電駆動させるのに用いる、正弦波を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号は、極性が正負の相互間で反転せず単にその電位が正弦波状に変化するだけであり、マイクロヒータ３３の通電量も正弦波状に増減されるので、各流速測定ユニットＡのマイクロヒータ３３から放出される熱を検出したサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、駆動信号と同じ周波数の波形となる。
【００３５】
駆動信号と同じ周波数の波形であるとはいえ、サーモパイル３５が出力する流速信号には、駆動信号と同じ基本周波数成分に加えて他の周波数成分が重畳されているのに対し、流速の変化に対する流速信号の位相差の変化は流速信号の周波数に依存して定まるため、基本周波数以外の周波数成分を含んでいるサーモパイル３５からの流速信号をそのままの波形で使用したのでは、位相差検出回路１１における駆動信号との位相差検出を正確に行うことができない。
【００３６】
しかし、この流速信号に含まれる基本周波数以外の周波数成分はバンドパスフィルタ９において除去されるので、位相差検出回路１１に入力されるのは、駆動信号の基本周波数による正弦波となる。
【００３７】
そして、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、流路Ｓを流れるガスの流速が速ければ速いほど、位相が進んで駆動信号に対する位相の遅れが縮小し、かつ、振幅が増加するように変形するので、駆動回路５の駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差に応じたＨレベルの期間を有する、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号のディーティー比は、流路Ｓを流れるガスの流速を反映した値となる。
【００３８】
さらに、３つの流速測定ユニットＡの駆動回路５からマイクロヒータ３３に各々出力される駆動信号の位相が１／３ずつ互いにずれていることから、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１のＲＳフリップフロップＦ／ＦからＨレベルの位相差検出信号が出力される期間も、駆動信号の一周期の１／３ずつずれることになる。
【００３９】
このため、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１から駆動信号の一周期の１／３ずつずれて出力される位相差検出信号を取り込んだ演算装置１３において、内部のメモリに記憶されたデータに基づいて、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量が、駆動信号の一周期の１／３の周期毎に測定されることになる。
【００４０】
よって、流速測定の分解能を高めるためにＲＳフリップフロップＦ／Ｆのクロック周期を短くすることができず、その代わりに駆動回路５が出力する駆動信号の周波数を低く（周期を長く）することになっても、駆動信号の一周期の１／３の短い周期でガスの流速乃至流量の測定が行えるようにして、測定された位相差に基づいて求められる流路Ｓ上のガスの流速の、流路Ｓを流れるガスの実流速の変化に対する追従性の低下を防ぎ、ガスの流量測定の精度を確保することができる。
【００４１】
次に、本発明による流速計を適用した本発明の第２実施形態に係るガス流量計と、後に説明する本発明の第４実施形態に係るガス流量計とにおいて使用されるフローセンサの概略構成について、図６の説明図を参照して説明する。
【００４２】
図６中引用符号３Ａで示すフローセンサは、図１及び図２を参照して説明したフローセンサ３のマイクロヒータ３３に代えて、ペルチェ素子３７を用いて構成されたものであり、ガスの流路Ｓ上に、ペルチェ素子３７が流体の流れ方向における上流側に、サーモパイル３５が下流側に位置するように配置されている。
【００４３】
このフローセンサ３Ａでは、ペルチェ素子３７を駆動信号により通電駆動することで、電流の流れる方向に応じてペルチェ素子３７が熱を放出又は吸収し、ペルチェ素子３７から伝達された熱の温度に応じた起電力がサーモパイル３５に発生し、この起電力がサーモパイル３５から、流路Ｓを流れるガスの流量に応じた流速信号として出力されるように構成されている。
【００４４】
また、ペルチェ素子３７が放出又は吸収する熱が流路Ｓを流れるガス以外の媒体を介してサーモパイル３５に伝達されないように、ダイヤフラム領域３２ａがこれを除く絶縁被膜３２部分に対してＳｉ基板３１によって熱的に絶縁されている点は、図１及び図２を参照して説明したフローセンサ３と同様である。
【００４５】
次に、上述したフローセンサ３Ａを用いて流路Ｓを流れるガスの流量を測定する、本発明の第２実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図７のブロック図を参照して説明する。
【００４６】
図７中引用符号１Ａで示す第２実施形態のガス流量計は、各流速測定ユニットＡのフローセンサ３をフローセンサ３Ａに替えた他、駆動回路５から直流シフト用のアンプ５３を省略して正電位と負電位とに跨った電位の正弦波による交流信号を、前記駆動信号として前記フローセンサ３Ａのペルチェ素子３７に出力する駆動回路５Ａを用いた点の他は、第１実施形態のガス流量計１と同様に構成されている。
【００４７】
以上の構成による第２実施形態のガス流量計１Ａでは、各流速測定ユニットＡの駆動回路５Ａがペルチェ素子３７を、正電位と負電位とに跨った電位の正弦波による交流の駆動信号で通電駆動させても、極性が正負の相互間で反転した際にペルチェ素子３７を流れる電流の向きが反転し、反転前にペルチェ素子３７で生じていたペルチェ効果とは逆のペルチェ効果（暖→冷、又は、冷→暖）が発生し、ペルチェ素子３７の通電量の増減に対するペルチェ素子３７の放出乃至吸収熱量の増減傾向には、ペルチェ素子３７を流れる電流の向きの反転の前後に亘って逆転現象が発生しないので、各流速測定ユニットＡのペルチェ素子３７により放出又は吸収される熱を検出したサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、駆動信号が、その極性が正負の相互間で反転する交流信号であるか、それとも、その極性が正負の相互間で反転しない直流（シフト）信号であるかに拘わらず、駆動信号と同じ周波数の正弦波状となる。
【００４８】
そして、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、流路Ｓを流れるガスの流速が速ければ速いほど、位相が進んで駆動信号に対する位相の遅れが縮小し、かつ、振幅が増加するように変形するので、駆動回路５の駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差に応じたＨレベルの期間を有する、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号のディーティー比は、流路Ｓを流れるガスの流速を反映した値となる。
【００４９】
さらに、３つの流速測定ユニットＡの駆動回路５からペルチェ素子３７に各々出力される駆動信号の位相が１／３ずつ互いにずれていることから、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１のＲＳフリップフロップＦ／ＦからＨレベルの位相差検出信号が出力される期間も、駆動信号の一周期の１／３ずつずれることになる。
【００５０】
このため、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１から駆動信号の一周期の１／３ずつずれて出力される位相差検出信号を取り込んだ演算装置１３において、内部のメモリに記憶されたデータに基づいて、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量が、駆動信号の一周期の１／３の周期毎に測定されることになる。
【００５１】
よって、第２実施形態のガス流量計１Ａにおいても、第１実施形態のガス流量計１と同様に、流速測定の分解能を高めるためにＲＳフリップフロップＦ／Ｆのクロック周期を短くすることができず、その代わりに駆動回路５が出力する駆動信号の周波数を低く（周期を長く）することになっても、駆動信号の一周期の１／３の短い周期でガスの流速乃至流量の測定が行えるようにして、測定された位相差に基づいて求められる流路Ｓ上のガスの流速の、流路Ｓを流れるガスの実流速の変化に対する追従性の低下を防ぎ、ガスの流量測定の精度を確保することができる。
【００５２】
以上の第１実施形態のガス流量計１では、正弦波を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号によりマイクロヒータ３３を駆動するものとしたが、本発明は、方形波のように一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の信号を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号でマイクロヒータ３３を駆動する場合にも適用可能である。
【００５３】
そこで、上述した第１実施形態のガス流量計１の変形例に相当し、方形波を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号でマイクロヒータ３３を駆動する、本発明の第３実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図８のブロック図を参照して説明する。
【００５４】
図８中引用符号１Ｂで示す第３実施形態のガス流量計は、第１実施形態のガス流量計１の各流速測定ユニットＡについて、駆動回路５に代えて、方形波を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号によりマイクロヒータ３３を駆動する駆動回路５Ｂ（請求項中の駆動手段に相当）を用いた点を除くと、その他は第１実施形態のガス流量計１と同様に構成されている。
【００５５】
そして、駆動回路５Ｂとしては、改めて図示しての説明は省略するものの、例えば周知の無安定マルチバイブレータを用いることができる。
【００５６】
以上の構成による第３実施形態のガス流量計１Ｂでは、各流速測定ユニットＡの駆動回路５Ｂがマイクロヒータ３３を通電駆動させるのに用いる、方形波を直流シフトさせた正電位又は負電位の駆動信号は、極性が正負の相互間で反転せず単にその電位が方形波状に変化するだけであり、したがって、マイクロヒータ３３の通電量も方形波状に増減されるので、マイクロヒータ３３からの放出熱量は、立ち上がり及び立ち下がりに若干の遅延による変形が生じた方形波状となり、各流速測定ユニットＡのマイクロヒータ３３から放出される熱を検出したサーモパイル３５が出力する流速信号の波形も、駆動信号と同じ周波数の立ち上がり及び立ち下がりに若干の遅延による変形が生じた方形波状となる。
【００５７】
ところで、方形波を直流シフトさせた正電位又は負電位のマイクロヒータ３３の駆動信号は、基本周波数成分に加えて高調波成分を含んでいるので、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力する方形波状の流速信号にも、駆動回路５Ｂが各流速測定ユニットＡのマイクロヒータ３３を通電駆動させるのに用いる駆動信号と同様に、基本周波数以外の高調波成分が含まれているが、流速の変化に対する流速信号の位相差の変化量は流速信号の周波数に依存して定まるため、基本周波数以外の高調波成分を含んでいるサーモパイル３５からの流速信号をそのままの波形で使用したのでは、位相差検出回路１１における駆動信号との位相差検出を正確に行うことができない。
【００５８】
しかし、この流速信号に含まれる高調波成分はバンドパスフィルタ９において除去されるので、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１に入力されるのは、駆動信号の基本周波数による正弦波となる。
【００５９】
そして、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力してバンドバスフィルタ９を通過した正弦波の流速信号は、流路Ｓを流れるガスの流速が速ければ速いほど、位相が進んで駆動信号に対する位相の遅れが縮小し、かつ、振幅が増加するように変形するので、駆動回路５Ｂの駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差に応じたＨレベルの期間を有する、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号のディーティー比は、流路Ｓを流れるガスの流速を反映した値となる。
【００６０】
このため、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１から駆動信号の一周期の１／３ずつずれて出力される位相差検出信号を取り込んだ演算装置１３において、内部のメモリに記憶されたデータに基づいて、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量が、駆動信号の一周期の１／３の周期毎に測定されることになる。
【００６１】
よって、第３実施形態のガス流量計１Ｂにおいても、第１実施形態のガス流量計１と同様に、流速測定の分解能を高めるためにＲＳフリップフロップＦ／Ｆのクロック周期を短くすることができず、その代わりに駆動回路５Ｂが出力する駆動信号の周波数を低く（周期を長く）することになっても、駆動信号の一周期の１／３の短い周期でガスの流速乃至流量の測定が行えるようにして、測定された位相差に基づいて求められる流路Ｓ上のガスの流速の、流路Ｓを流れるガスの実流速の変化に対する追従性の低下を防ぎ、ガスの流量測定の精度を確保することができる。
【００６２】
また、以上の第２実施形態のガス流量計１Ａでは、正電位と負電位とに跨った電位の正弦波による交流の駆動信号によりマイクロヒータ３３を駆動するものとしたが、本発明は、方形波のように一定の周期で電圧が変化する周期電圧波形の、正電位と負電位とに跨った電位の交流の駆動信号でペルチェ素子３７を駆動する場合にも適用可能である。
【００６３】
そこで、上述した第２実施形態のガス流量計１Ａの変形例に相当し、正電位と負電位とに跨った電位の方形波による交流の駆動信号でペルチェ素子３７を駆動する、本発明の第４実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図９のブロック図を参照して説明する。
【００６４】
図９中引用符号１Ｃで示す第４実施形態のガス流量計は、第２実施形態のガス流量計１Ａの各流速測定ユニットＡについて、駆動回路５Ａに代えて、第３実施形態のガス流量計１Ｂの駆動回路５Ｂから直流シフト用の構成を省略して正電位と負電位とに跨った電位の方形波による交流信号を、前記駆動信号として前記フローセンサ３Ａのペルチェ素子３７に出力する駆動回路５Ｃ（請求項中の駆動手段に相当）を用いた点を除くと、その他は第２実施形態のガス流量計１Ｂと同様に構成されている。
【００６５】
そして、駆動回路５Ｃとしては、改めて図示しての説明は省略するものの、例えば周知の無安定マルチバイブレータを用いることができる。
【００６６】
以上の構成による第４実施形態のガス流量計１Ｃでは、各流速測定ユニットＡの駆動回路５Ｃがペルチェ素子３７を、正電位と負電位とに跨った電位の方形波による交流の駆動信号で通電駆動させても、極性が正負の相互間で反転した際にペルチェ素子３７を流れる電流の向きが反転し、反転前にペルチェ素子３７で生じていたペルチェ効果とは逆のペルチェ効果（暖→冷、又は、冷→暖）が発生し、ペルチェ素子３７の通電量の増減に対するペルチェ素子３７の放出乃至吸収熱量の増減傾向には、ペルチェ素子３７を流れる電流の向きの反転の前後に亘って逆転現象が発生しないので、各流速測定ユニットＡのペルチェ素子３７により放出又は吸収される熱を検出したサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、駆動信号が、その極性が正負の相互間で反転する交流信号であるか、それとも、その極性が正負の相互間で反転しない直流（シフト）信号であるかに拘わらず、駆動信号と同じ周波数の立ち上がり及び立ち下がりに若干の遅延による変形が生じた方形波状となる。
【００６７】
ところで、正電位と負電位とに跨った電位の方形波によるペルチェ素子３７の駆動信号は、基本周波数成分に加えて高調波成分を含んでいるので、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力する方形波状の流速信号にも、駆動回路５Ｃが各流速測定ユニットＡのペルチェ素子３７を通電駆動させるのに用いる駆動信号と同様に、基本周波数以外の高調波成分が含まれているが、流速の変化に対する流速信号の位相差の変化量は流速信号の周波数に依存して定まるため、基本周波数以外の高調波成分を含んでいるサーモパイル３５からの流速信号をそのままの波形で使用したのでは、位相差検出回路１１における駆動信号との位相差検出を正確に行うことができない。
【００６８】
しかし、この流速信号に含まれる高調波成分はバンドパスフィルタ９において除去されるので、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１に入力されるのは、駆動信号の基本周波数による正弦波となる。
【００６９】
そして、各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力してバンドバスフィルタ９を通過した正弦波の流速信号は、流路Ｓを流れるガスの流速が速ければ速いほど、位相が進んで駆動信号に対する位相の遅れが縮小し、かつ、振幅が増加するように変形するので、駆動回路５Ｃの駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差に応じたＨレベルの期間を有する、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号のディーティー比は、流路Ｓを流れるガスの流速を反映した値となる。
【００７０】
このため、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１から駆動信号の一周期の１／３ずつずれて出力される位相差検出信号を取り込んだ演算装置１３において、内部のメモリに記憶されたデータに基づいて、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量が、駆動信号の一周期の１／３の周期毎に測定されることになる。
【００７１】
よって、第４実施形態のガス流量計１Ｃにおいても、第２実施形態のガス流量計１Ａと同様に、流速測定の分解能を高めるためにＲＳフリップフロップＦ／Ｆのクロック周期を短くすることができず、その代わりに駆動回路５Ｃが出力する駆動信号の周波数を低く（周期を長く）することになっても、駆動信号の一周期の１／３の短い周期でガスの流速乃至流量の測定が行えるようにして、測定された位相差に基づいて求められる流路Ｓ上のガスの流速の、流路Ｓを流れるガスの実流速の変化に対する追従性の低下を防ぎ、ガスの流量測定の精度を確保することができる。
【００７２】
ちなみに、第１実施形態のガス流量計１で用いた各流速測定ユニットＡの駆動回路５は、第２実施形態のガス流量計１Ａの各流速測定ユニットＡで用いた、駆動回路５から直流シフト用のアンプ５３を省略して正電位と負電位とに跨った電位の正弦波による交流信号を駆動信号として出力する駆動回路５Ａに替えてもよい。
【００７３】
その場合には、各流速測定ユニットＡの駆動回路５Ａがマイクロヒータ３３を通電駆動させるのに用いる正弦波の駆動信号は、極性が正負の相互間で反転し、マイクロヒータ３３の通電量が所謂半波整流波形状になり、電流と電圧の積である電力に比例するマイクロヒータ３３の放熱量は、マイクロヒータ３３の通電駆動に用いる駆動信号の２倍の周波数を持つ正弦波となるので、マイクロヒータ３３から放出される熱を検出した各流速測定ユニットＡのサーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、マイクロヒータ３３の放出熱量に追従して、駆動信号の倍の周波数の正弦波となる。
【００７４】
このため、各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１では、駆動信号と、駆動信号の倍の周波数の正弦波となるサーモパイル３５からの流速信号との位相差が検出されることになる。
【００７５】
よって、第１実施形態のガス流量計１において、駆動回路５Ａによりマイクロヒータ３３を通電駆動するように構成しても、第１実施形態のガス流量計１と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
尚、上記の各実施形態では、サーモパイル３５がマイクロヒータ３３やペルチェ素子３７よりも流体の流れ方向における下流側に位置する場合について説明したが、本発明は、サーモパイル３５がマイクロヒータ３３やペルチェ素子３７よりも流体の流れ方向における上流側に位置する場合についても、適用可能である。
【００７７】
その場合にも、サーモパイル３５がマイクロヒータ３３やペルチェ素子３７よりも流体の流れ方向における下流側に位置する場合と同じく、サーモパイル３５が出力する流速信号の波形は、流路Ｓを流れるガスの流速が速ければ速いほど、位相が進んで駆動信号に対する位相の遅れが縮小するように変形するので、駆動回路５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃの駆動信号の位相に対するバンドパスフィルタ９を通過した流速信号の位相の差に応じたＨレベルの期間を有する位相差検出回路１１からの位相差検出信号のディーティー比は、流路Ｓを流れるガスの流速を反映した値となる。
【００７８】
このため、サーモパイル３５がマイクロヒータ３３よりも流体の流れ方向における上流側に位置する場合でも、第１乃至第４実施形態のガス流量計１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおける各流速測定ユニットＡの位相差検出回路１１からの位相差検出信号を取り込んだ演算装置１３において、内部のメモリに記憶されたデータに基づいて、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を、駆動信号の一周期の１／３の周期毎に高精度で測定することができる。
【００７９】
また、以上の第１乃至第４実施形態のガス流量計１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、３つのフローセンサ３，３Ａを、流路Ｓにおけるガスの流れる条件が等しい箇所に、各々離して配置し、各フローセンサ３，３Ａの間隔を利用して、各フローセンサ３のマイクロヒータ３３が発する熱や、各フローセンサ３Ａのペルチェ素子３７が放出又は吸収する熱が、他のフローセンサ３，３Ａのサーモパイル３５によって感知されることのないように構成した。
【００８０】
しかし、図１０に説明図で示すように、３つのフローセンサ３，３ＡのＳｉ基台３１どうしを連結して一体化したフローセンサユニットＢを、流路Ｓ上に、マイクロヒータ３３が流体の流れ方向における上流側に、サーモパイル３５やサーモパイル３５が下流側に位置するように配置することで、３つのフローセンサ３，３Ａを流路Ｓにおけるガスの流れる条件が等しい箇所に各々配置する構成としてもよい。
【００８１】
この場合、各フローセンサ３，３Ａのサーモパイル３５は、他のフローセンサ３，３Ａのマイクロヒータ３３が発する熱やペルチェ素子３７が放出又は吸収する熱に対して、一体に連結されたそれぞれのＳｉ基板３１によって熱的に絶縁すればよい。
【００８２】
そして、このように構成すれば、各フローセンサ３，３Ａを容易に流路Ｓにおけるガスの流れる条件が等しい箇所に各々配置することができる。
【００８３】
さらに、上記の各実施形態ではフローセンサ３，３Ａを３つ用い、各フローセンサ３，３Ａる場合について説明したが、フローセンサ３，３Ａのマイクロヒータ３３やペルチェ素子３７を、流速測定ユニットＡの個数分の１である１／３ずつ互いの位相をずらした駆動信号により各々通電駆動する場合について説明したが、フローセンサ３，３Ａの数は２つ以上であればいくつであっても良く、各フローセンサ３，３Ａのマイクロヒータ３３やペルチェ素子３７の通電駆動に使用する駆動信号は、使用するフローセンサ３，３Ａの個数分の１（ｎ個のフローセンサ３，３Ａを使用する場合は１／ｎ）ずつ互いの位相をずらせばよい。
【００８４】
また、上記の各実施形態ではガスの流量を測定するガス流量計を例に取って説明したが、本発明は、ガス以外の気体や液体等、様々な流体の流速乃至流量測定について適用可能であり、また、流量を測定せずその前段階の流速のみ測定する場合についても、広く適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１及び第３実施形態に係るガス流量計において使用されるフローセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すフローセンサの断面図である。
【図３】本発明による流速計を適用した本発明の第１実施形態に係るガス流量計の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図３の駆動回路の内部構成を示す回路図である。
【図５】図３の位相差検出回路の内部構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第３及び第４実施形態に係るガス流量計において使用されるフローセンサの概略構成を示す説明図である。
【図７】本発明による流速計を適用した本発明の第２実施形態に係るガス流量計の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明による流速計を適用した本発明の第３実施形態に係るガス流量計の概略構成を示すブロック図である。
【図９】本発明による流速計を適用した本発明の第４実施形態に係るガス流量計の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るガス流量計において使用されるフローセンサの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  ガス流量計
３，３Ａ  フローセンサ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ  駆動回路（駆動手段）
１１  位相差検出回路（位相差信号出力手段）
３１  Ｓｉ基板（シリコン基台、熱絶縁手段）
３２  絶縁層膜
３２ａ  ダイヤフラム領域
３３  マイクロヒータ（熱源）
３５  サーモパイル（温度センサ）
３７  ペルチェ素子（熱源）
Ｓ  流路
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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