(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面で宙空支持された薄膜状のブリッジ部と、
前記ブリッジ部に設けられた発熱用ヒータ及び測温体と、
初期状態における前記測温体の計測温度及び計測対象となる流体の流量の関係を記憶した記憶手段とを備えたフローセンサにおいて、
初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を用いて前記測温体の出力を補正し、前記測温体の出力の当該補正値と前記記憶手段に記憶されている関係に基づいて流体の流量を求めることを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記測温体は第１の測温体と第２の測温体からなり、両測温体は前記ヒータを挟んで両側に配置されており、少なくとも一方の測温体の計測温度に基づいて前記補正を行うようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記測温体において、その初期状態における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さな温度が計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項４】
前記測温体において、使用時点における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さな温度が計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度として更新するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項５】
前記ヒータの発熱温度が、流体の流量がゼロのときのヒータの発熱温度にほぼ等しい時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記第１及び第２の測温体のそれぞれにおいて、その初期状態における流量ゼロのときの計測温度よりも小さな温度が計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の各測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴とする、請求項２に記載のフローセンサ。
【請求項７】
前記第１の測温体の計測温度と前記第２の測温体の計測温度とが等しくなった時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の各測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴とする、請求項２に記載のフローセンサ。
【請求項８】
発熱用のヒータと、
流体の流量によって変化する周囲温度を計測するための測温体と、
初期状態における前記測温体の計測温度及び計測対象となる流体の流量の関係を記憶した記憶手段とを用いた流量計測方法において、
初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を前記測温体の出力に乗じて補正し、前記測温体の出力の当該補正値と前記記憶手段に記憶されている関係に基づいて流体の流量を求めることを特徴とする流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローセンサ及び流量計測方法に関し、特にゴミ付着等によるフローセンサの特性変化に対する対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平７−３３３０１７号公報
【０００３】
従来構造のフローセンサ１の概念図を図１及び図２に示す。ここで、図２は図１のＸ１−Ｘ１線断面を表している。ただし、図１ではヒーターや測温体を露出させた状態で表しており、図２ではその上を保護膜１０等で覆った状態で表している。このフローセンサ１にあっては、シリコン基板２の上面に凹状の空隙部３を形成し、この空隙部３を覆うようにしてシリコン基板２の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜４の一部によって空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５を形成している。このブリッジ部５は空隙部３内の空間（空気）によってシリコン基板２と断熱されている。ブリッジ部５の表面においては、その中央部にヒータ６を設け、ヒータ６を挟んで対称な位置にそれぞれ測温体７、８を設けている。熱感知用の測温体７、８は、例えば鉄とニッケルの合金からなる薄膜抵抗が用いられており、温度による抵抗値の変化を利用して温度を測定することができる。ブリッジ部５の外側における絶縁薄膜４の表面には、周囲温度測温抵抗体９を設けている。さらに、ヒータ６、測温体７、８及び周囲温度測温抵抗体９を覆うようにしてシリコン基板２は保護膜１０で被覆されている。
【０００４】
フローセンサ１は、図３に示すように流体の流れ（図３では、流体の流れる方向を矢印で示している。）が生じる流路に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させながら測温体７、８の出力が監視される。すなわち、周囲温度測温抵抗体９は、周囲温度Ｔatmを測定しており、ヒータ６は、どのような流体流量の場合でも、周囲温度測温抵抗体９で測定されている周囲温度Ｔatmよりも一定温度だけ高い温度で発熱するように制御されている。いま、
Ｖ：  流体の質量流量
Ｃu0：  測温体７の熱容量
Ｃd0：  測温体８の熱容量
Ｔu（Ｖ）：  流体の質量流量がＶであるときの測温体７の温度
Ｔd（Ｖ）：  流体の質量流量がＶであるときの測温体８の温度
Ｑu（Ｖ）：  質量流量がＶであるときに測温体７に供給されるエネルギー
Ｑd（Ｖ）：  質量流量がＶであるときに測温体８に供給されるエネルギー
と定義する。ここで、流体の質量流量（以下、単に流量という。）がＶであるときに測温体７又は８に供給されるエネルギーＱu（Ｖ）、Ｑd（Ｖ）とは、測温体７又は８の温度が周囲温度Ｔatmに等しいとき（例えば、ヒータ６がオフのとき）を出発点として、ヒータが周囲温度Ｔatmよりも一定温度だけ高い温度で発熱していて流量がＶの流体がフローセンサ１を通過している状態で（準）平衡状態に達するまでに、測温体７又は８に供給されたエネルギー［＝（吸熱されたエネルギー）−（放熱されたエネルギー）］を指す。
【０００５】
流体が流れていない無風時（すなわち、Ｖ＝０のとき）を考えると、次の(1)式及び(2)式が成り立つ。なお、流量Ｖがゼロのときの測温体７、８の温度Ｔu（０）、Ｔd（０）と周囲温度Ｔatmとの温度差ΔＴu0（０）、ΔＴd0（０）を以下においては、オフセット温度という。
ΔＴu0（０）≡ Ｔu（０）−Ｔatm ＝ Ｑu（０）／Ｃu0      …(1)
ΔＴd0（０）≡ Ｔd（０）−Ｔatm ＝ Ｑd（０）／Ｃd0      …(2)
また、流量Ｖで流体が流れている有風時を考えると、次の(3)式及び(4)式が成り立つ。
ΔＴu（Ｖ）≡ Ｔu（Ｖ）−Ｔatm ＝ Ｑu（Ｖ）／Ｃu0      …(3)
ΔＴd（Ｖ）≡ Ｔd（Ｖ）−Ｔatm ＝ Ｑd（Ｖ）／Ｃd0      …(4)
よって、上記(3)式と(1)式との差をとることにより、次の(5)式が得られる。
ΔＴu（Ｖ）＝［Ｑu（Ｖ）−Ｑu（０）］／Ｃu0＋ΔＴu0（０）    …(5)
また、上記(4)式と(2)式との差をとることにより、次の(6)式が得られる。
ΔＴd（Ｖ）＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃd0＋ΔＴd0（０）    …(6)
【０００６】
ここで、流量がＶであるときに測温体８に供給されるエネルギーＱd（Ｖ）は、例えば図４に示すような曲線で表されるので、上記(5)式に従って下流側の測温体８の周囲温度に対する温度変化ΔＴd（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係を図示すると、熱容量Ｃd0とオフセット温度ΔＴd0（０）が既知であるとして、図５（ａ）のような出力特性で表される。また、上記(6)式に相当する、上流側の測温体７の周囲温度に対する温度変化ΔＴu（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係を図示すると、熱容量Ｃu0とオフセット温度ΔＴu0（０）が既知であるとして、例えば図５（ｂ）のような出力特性で表される。これらの温度変化ΔＴu（Ｖ）を表す初期出力特性と温度変化ΔＴd（Ｖ）を表す初期出力特性とは、フローセンサ１の演算処理部のメモリ内に記憶されている。従って、測温体８の測定温度Ｔd（Ｖ）と周囲温度測温抵抗体９の測定した周囲温度Ｔatmとから周囲温度に対する温度変化ΔＴd（Ｖ）を演算すれば、図５（ａ）の初期出力特性を用いて流量Ｖの値を求めることができる。同様に、測温体７の測定温度Ｔu（Ｖ）と周囲温度測温抵抗体９の測定した周囲温度Ｔatmとから周囲温度に対する温度変化ΔＴu（Ｖ）を演算すれば、図５（ｂ）の初期出力特性を用いて流量Ｖの値を求めることができる。このようにして図５（ａ）又は（ｂ）のいずれか一方の初期出力特性を用いれば、ΔＴd（Ｖ）の値又はΔＴu（Ｖ）の値から流体の流量Ｖを求めることができる。あるいは、図５（ａ）（ｂ）の両出力特性から流量Ｖを求めて平均値を演算してもよい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フローセンサが使用される環境下では、流体にゴミやホコリなどのダストが含まれているのが普通である。このようなダストＳが、図３に示すように測温体７や測温体８に付着すると、測温体７の熱容量が初期の熱容量Ｃu0よりも増加してＣuc（＞Ｃu0）となり、また、測温体８の熱容量も初期の熱容量Ｃd0よりも増加してＣdc（＞Ｃd0）となる。ダストＳが付着しても、測温体７、８に供給されるエネルギーＱu（Ｖ）、Ｑd（Ｖ）と流量Ｖとの関係にはほとんど変化が無いと考えてよいので、測温体７、８にダストＳが付着すると、上記(5)式及び(6)式は、次の(7)式及び(8)式となる。
ΔＴu（Ｖ）＝［Ｑu（Ｖ）−Ｑu（０）］／Ｃuc＋ΔＴuc（０）    …(7)
ΔＴd（Ｖ）＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃdc＋ΔＴdc（０）    …(8)
ただし、
ΔＴuc（０）＝Ｑu（０）／Ｃuc    …(9)
ΔＴdc（０）＝Ｑd（０）／Ｃdc    …(10)
【０００８】
従って、例えば下流側の測温体８の温度変化ΔＴd（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係は、ダストＳの付着量が増加して測温体８の熱容量Ｃdcが大きくなるにつれて、図６に示すように温度変化ΔＴd（Ｖ）を表す出力特性は初期出力特性から次第に下方へ移動すると共に勾配が小さくなる。また、流量Ｖ＝０のときのオフセット温度ΔＴdc（０）＝Ｑd（０）／Ｃdcも熱容量Ｃdcが大きくなるほど小さくなる。
【０００９】
しかしながら、従来のフローセンサ１では、ダスト付着等による出力特性の変化に対しては何ら考慮されておらず、何ら補正手段を有していなかった。この結果、測温体８にダストＳが付着して測温体８の熱容量がＣdcとなり、測温体８の特性が図６に表されている
ΔＴd（Ｖ）＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃdc＋ΔＴdc（０）
の曲線のように変化したとすると、計測値ΔＴd（Ｖ）＝αに対する実際の流量の値はＶ＝βとなる。しかし、従来のフローセンサ１では、メモリ内に記憶している初期出力特性に基づいて流速を求めるので、ΔＴd（Ｖ）＝αに対してフローセンサ１で演算される流量は図６に示すようにＶ＝γとなる。このように、従来のフローセンサ１では、ダスト付着等によって、出力される流量の値と実際の流量との間に誤差を生じるという問題があった。かかる問題点は、測温体７における図５（ｂ）のような出力特性についても同様であった。
【００１０】
なお、特開平７−３３３０１７号公報（特許文献１）には、遮蔽弁を用いて出力特性のゼロ点を補正する方法が開示されている。しかし、このような方法では流量がゼロの点を補正しているだけで、出力特性のプロファイルの変化に対しては何ら補正が行われておらず、また、実際の出力特性は、前記公報に開示されているように直線ではない。従って、図７に示すように、ダスト付着後の出力特性Ｄ１のオフセット温度ΔＴdc（０）が、メモリに記憶されている初期特性Ｄ０のオフセット温度ΔＴd0（０）と一致するように補正して、その出力特性Ｄ１を出力特性Ｄ２までシフトさせたとしても、図７に斜線を施して示した分だけ誤差として残り、十分に誤差を補正することができなかった。
【００１１】
【発明の開示】
本発明は上記の従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測温体の測定温度と流体の流量との関係を表す出力特性の、ダスト付着等による誤差をより正確に補正することができるフローセンサと流量計測方法を提供することにある。
【００１２】
本発明にかかるフローセンサは、基板の表面で宙空支持された薄膜状のブリッジ部と、前記ブリッジ部に設けられた発熱用ヒータ及び測温体と、初期状態における前記測温体の計測温度及び計測対象となる流体の流量の関係を記憶した記憶手段とを備えたフローセンサにおいて、初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を用いて前記測温体の出力を補正し、前記測温体の出力の当該補正値と前記記憶手段に記憶されている関係に基づいて流体の流量を求めることを特徴としている。ここで、測温体の計測温度としては、温度そのものを用いるよりも、周囲温度（室温）との差を用いるのが望ましい。
【００１３】
本発明にかかるフローセンサにあっては、初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を算出しているので、これによってダストの付着等による測温体の熱容量の変化比率を見積もることができ、この計測温度の比を用いて測温体の計測温度を補正することにより計測した温度を初期状態における計測温度に変換することができ、正確に流体流量を算出することができる。
【００１４】
本発明にかかるフローセンサの実施態様は、前記測温体が第１の測温体と第２の測温体からなり、両測温体は前記ヒータを挟んで両側に配置されており、少なくとも一方の測温体の計測温度に基づいて前記補正を行うようにしたことを特徴としている。
【００１５】
この実施態様は、ヒータを挟んで２つの測温体を備えているので、２つの測温体のうちいずれの測温体の側から流体が流れ込んできても、測温体の出力を補正して正確に流体流量を求めることができる。
【００１６】
本発明にかかるフローセンサの別な実施態様は、その初期状態における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さな温度が前記測温体により計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴としている。
【００１７】
この別な実施態様によれば、測温体の計測温度が、初期状態における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さくなった場合には、流体の流量がゼロなったと判定し、そのときの測温体の計測温度を流量がゼロのときの値であるとみなしているので、流体の流れを強制的に停止させることなく、流量がゼロのときの計測温度を求めることができる。当該実施態様は、ダストの付着等による測温体の出力特性の変化が緩やかな場合に適している。
【００１８】
本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施態様は、使用時点における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さな温度が前記測温体により計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度として更新するようにしたことを特徴としている。
【００１９】
このさらに別な実施態様によれば、測温体の計測温度が、使用状態における流量ゼロのときの計測温度の値よりも小さくなった場合には、流体の流量がゼロなったと判定し、そのときの測温体の計測温度を流量がゼロのときの値であるとみなしているので、流体の流れを強制的に停止させることなく、流量がゼロのときの計測温度を求めることができる。当該実施態様は、ダストの付着等による測温体の出力特性の変化が比較的急速である場合にも適切に補正することができる。
【００２０】
本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施態様は、前記ヒータの発熱温度が、流体の流量がゼロのときのヒータの発熱温度にほぼ等しい時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の前記測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴としている。
【００２１】
このさらに別な実施態様によれば、発熱用のヒータの発熱温度を監視し、その発熱温度が流体流量がゼロの時の発熱温度に等しいことをもって流体流量がゼロであることを検出することができ、簡単な手段で流体流量がゼロとなった時を検出し、流量がゼロのときの測温体の計測温度を求めることができる。
【００２２】
本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施態様は、前記の第１番目の実施態様において、その初期状態における流量ゼロのときの計測温度よりも小さな温度が前記第１及び第２の測温体のそれぞれにおいて計測された時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の各測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴としている。
【００２３】
このさらに別な実施態様によれば、流体の流れる方向が反対向きに流れるような場合でも、流体流量がほぼゼロなったことを確実に検出することができるようになる。
【００２４】
本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施態様は、前記の第１番目の実施態様において、前記第１の測温体の計測温度と前記第２の測温体の計測温度とが等しくなった時に流体の流量がゼロであると判定し、その時の各測温体の計測温度を使用時における流量ゼロのときの計測温度とみなすようにしたことを特徴としている。
【００２５】
このさらに別な実施態様によれば、流体の流れる方向が反対向きに流れるような場合でも、流体流量がほぼゼロなったことを確実に検出することができ、しかも、簡単な方法で検出することができる。
【００２６】
本発明にかかる流量計測方法は、発熱用のヒータと、流体の流量によって変化する周囲温度を計測するための測温体と、初期状態における前記測温体の計測温度及び計測対象となる流体の流量の関係を記憶した記憶手段とを用いた流量計測方法において、初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を前記測温体の出力に乗じて補正し、前記測温体の出力の当該補正値と前記記憶手段に記憶されている関係に基づいて流体の流量を求めることを特徴としている。ここで、測温体の計測温度としては、温度そのものを用いるよりも、周囲温度（室温）との差を用いるのが望ましい。
【００２７】
本発明にかかる流量計測方法にあっては、初期状態における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度の値と使用時における流量ゼロのときの前記測温体の計測温度との比を算出しているので、これによってダストの付着等による測温体の熱容量の変化比率を見積もることができ、この計測温度の比を用いて測温体の計測温度を補正することにより計測した温度を初期状態における計測温度に変換することができ、正確に流体流量を算出することができる。
【００２８】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態によるフローセンサ１１の構造を図８及び図９に示す。図９は図８のＸ２−Ｘ２線断面を表し、図８は保護膜２０等を除去してサーモパイル１７、１８を露出させた状態の平面を表している。このフローセンサ１１にあっては、シリコン基板１２の上面に上方で広くなった凹状の空隙部１３を形成し、この空隙部１３を覆うようにしてシリコン基板１２の上面にＳｉＯ２等からなる絶縁薄膜１４を設け、この絶縁薄膜１４の一部によって空隙部１３の上に空中で支持された薄膜状のブリッジ部１５を形成している。このブリッジ部１５は空隙部１３によってシリコン基板１２と断熱されている。ブリッジ部１５の表面においては、その中央部にポリシリコンからなるヒータ１６を設け、ヒータ１６を挟んで上流側と下流側の対称な位置にそれぞれ測温体としてサーモパイル１７、１８を設けている。また、ブリッジ部１５の外側において、絶縁薄膜１４の上に周囲温度感知用のポリシリコンからなる周囲温度測温抵抗体１９を設けてあり、ヒータ１６、サーモパイル１７、１８及び周囲温度測温抵抗体１９を覆うようにしてシリコン基板１２の上を保護膜２０で覆っている。
【００３０】
上記サーモパイル１７、１８はポリシリコン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部１５の縁を横切るようにしてポリシリコンからなる第１の細線２１とアルミニウムからなる第２の細線２２が交互に、かつ平行に配線され、ブリッジ部１５内における第１の細線２１と第２の細線２２の接続点によって温接点２３の群が構成され、ブリッジ部１５外における第１の細線２１と第２の細線２２の接続点によって冷接点２４の群を構成している。また、ポリシリコンからなるヒータ１６及び第１の細線２１には、１.０×１０１９ions／ｃｍ３の燐（Ｐ）がドーピングされている。
【００３１】
冷接点２４は、ヒートシンクの役目をするシリコン基板１２の上に位置しているので、気体に接触しても温度は変化しにくいが、温接点２３はシリコン基板１２から浮いたブリッジ部１５の上に形成されているので、熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変化する。
【００３２】
このフローセンサ１１においては、サーモパイル１７、１８の温接点２３及び冷接点２４の数をそれぞれｎ個、流量（質量流量）Ｖで流体が通過しているときの温接点２３の温度をそれぞれＴu（Ｖ）、Ｔd（Ｖ）、冷接点２４の温度をＴatm（周囲温度）とすると、サーモパイル１７、１８のそれぞれの出力電圧（両端間電圧）Ｖthermu、Ｖthermdは、次の(11)式及び(12)式で表される。
Ｖthermu＝ｎ・α（Ｔu（Ｖ）−Ｔatm）      …(11)
Ｖthermd＝ｎ・α（Ｔd（Ｖ）−Ｔatm）      …(12)
ただし、αはゼーベック係数である。よって、サーモパイル１７の出力電圧Ｖthermuを計測すれば、サーモパイル１７の温接点２３（上流側の測温体）の周囲温度に対する温度変化（以下、サーモパイル１７の計測温度という。）ΔＴu（Ｖ）は、次の(13)式で表される。
ΔＴu（Ｖ）＝Ｔu（Ｖ）−Ｔatm＝Ｖthermu／（ｎ・α）    …(13)
同様に、サーモパイル１８の出力電圧Ｖthermdを計測すれば、サーモパイル１８の温接点２３（下流側の測温体）の周囲温度に対する温度変化（以下、サーモパイル１８の計測温度という。）ΔＴd（Ｖ）は、次の(14)式で表される。
ΔＴd（Ｖ）＝Ｔd（Ｖ）−Ｔatm＝Ｖthermd／（ｎ・α）    …(14)
【００３３】
なお、２５、２６及び２７は、それぞれヒータ１６、サーモパイル１７及び１８、周囲温度測温抵抗体１９にワイヤボンディングするためのワイヤパッドである。
【００３４】
このフローセンサ１１にあっても、ヒータ１６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル１７、１８の出力が監視される。気体の流れていない無風時には、サーモパイル１７の出力電圧とサーモパイル１８の出力電圧とは等しいが、図８に矢印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサーモパイル１７の温接点２３は冷却されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル１８の温接点２３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、上記(13)式及び(14)式に基づいて、両サーモパイル１７、１８の出力電圧値Ｖthermu、Ｖthermdからサーモパイル１７、１８の計測温度ΔＴu（Ｖ）、ΔＴd（Ｖ）を演算すれば、以下に説明するようにして流体の流量Ｖを計測することができる。
【００３５】
つぎに、出力特性を補正することによって流体の流量Ｖを正確に計測する方法について説明する。ヒータ１６は周囲温度Ｔatmよりも所定温度だけ高い温度で発熱しており、流体はサーモパイル１７側からサーモパイル１８側に向けて流量（質量流量）Ｖでフローセンサ１１を通過していると仮定する。
ΔＴu（Ｖ）：  サーモパイル１７の計測温度
ΔＴd（Ｖ）：  サーモパイル１８の計測温度
Ｑu（Ｖ）：  流量Ｖのときサーモパイル１７に供給されるエネルギー
Ｑd（Ｖ）：  流量Ｖのときサーモパイル１８に供給されるエネルギー
Ｃu0：  サーモパイル１７の初期の熱容量
Ｃd0：  サーモパイル１８の初期の熱容量
とすると、ダストの付着がほとんど無いときのサーモパイル１７、１８の初期特性は、次の(15)式及び(16)式となる。この(16)式で表される初期特性は、図１０に示される。この初期特性は、フローセンサ１１の演算処理部のメモリに記憶されている。
ΔＴu（Ｖ）＝［Ｑu（Ｖ）−Ｑu（０）］／Ｃu0＋ΔＴu0（０）  …(15)
ΔＴd（Ｖ）＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃd0＋ΔＴd0（０）  …(16)
ただし、ΔＴu0（０）、ΔＴd0（０）はサーモパイル１７、１８の初期特性のオフセット温度であって、
ΔＴu0（０）＝Ｑu（０）／Ｃu0    …(17)
ΔＴd0（０）＝Ｑd（０）／Ｃd0    …(18)
である。
【００３６】
また、サーモパイル１７、１８にダストが付着して、それぞれの熱容量がＣuc（＞Ｃu0）、Ｃdc（＞Ｃd0）になったときのサーモパイル１７、１８の特性は、次の(19)式及び(20)式となる。この(20)式で表される特性も、図１０に示される。
ΔＴu（Ｖ）＝［Ｑu（Ｖ）−Ｑu（０）］／Ｃuc＋ΔＴuc（０）  …(19)
ΔＴd（Ｖ）＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃdc＋ΔＴdc（０）  …(20)
ただし、ΔＴuc（０）、ΔＴdc（０）はサーモパイル１７、１８のダスト付着時の特性のオフセット温度であって、
ΔＴuc（０）＝Ｑu（０）／Ｃuc    …(21)
ΔＴdc（０）＝Ｑd（０）／Ｃdc    …(22)
である。
【００３７】
上記(17)式及び(21)式からは、次の(23)式が得られる。
Ｃuc／Ｃu0＝［ΔＴu0（０）／ΔＴuc（０）］    …(23)
同様に、(18)式及び(22)式からは、次の(24)式が得られる。
Ｃdc／Ｃd0＝［ΔＴd0（０）／ΔＴdc（０）］    …(24)
従って、初期特性における熱容量Ｃu0、Ｃd0とオフセット温度ΔＴu0（０）、ΔＴd0（０）が既知であるとすれば、ダスト付着後のオフセット温度ΔＴuc（０）及びΔＴdc（０）を計測すれば、(23)式、(24)式により、そのときのサーモパイル１７、１８の熱容量の比（熱容量の補正値）Ｃuc（０）／Ｃu0（０）、Ｃdc（０）／Ｃd0（０）を求めることができる。
【００３８】
つぎに、上記(19)式を変形すると、
（Ｃuc／Ｃu0）ΔＴu（Ｖ）
＝［Ｑu（Ｖ）−Ｑu（０）］／Ｃu0＋ΔＴu0（０）  …(25)
が得られ、(20)式を変形すると、
（Ｃdc／Ｃd0）ΔＴd（Ｖ）
＝［Ｑd（Ｖ）−Ｑd（０）］／Ｃd0＋ΔＴd0（０）  …(26)
が得られる。(25)式及び(26)式の右辺は、サーモパイル１７、１８のそれぞれの初期特性を表しているので、ダスト付着後のオフセット温度ΔＴuc（０）又はΔＴdc（０）を計測し、(23)式、(24)式によってサーモパイル１７、１８の熱容量の比Ｃuc（０）／Ｃu0（０）、Ｃdc（０）／Ｃd0（０）を求めた後、サーモパイル１７による計測温度ΔＴu（Ｖ）をＣuc（０）／Ｃu0（０）倍し、あるいは、サーモパイル１８による計測温度ΔＴd（Ｖ）をＣdc（０）／Ｃd0（０）倍し、メモリに格納されている各初期特性（例えば、図５（ａ）（ｂ）に示したような初期特性）の曲線を用いて流量Ｖを算出すれば、正確に流量Ｖを計測することができる。これは、図７に示されているダスト付着後の出力特性Ｄ１を初期特性Ｄ０に一致するように補正することに相当している。
【００３９】
上記補正方法においては、ダスト付着後のオフセット温度ΔＴuc（０）、ΔＴdc（０）から熱容量の比Ｃuc（０）／Ｃu0（０）、Ｃdc（０）／Ｃd0（０）を求めているので、オフセット温度ΔＴuc（０）、ΔＴdc（０）を求める方法が重要になる。オフセット温度ΔＴuc（０）、ΔＴdc（０）は、流体の流れを遮断すれば、サーモパイル１７、１８及び周囲温度測温抵抗体１９によって容易に計測することができる。しかし、流体の流れを強制的に停止させることができない場合もあるので、流体の流れを強制的に停止させることなくオフセット温度ΔＴuc（０）、ΔＴdc（０）をできるだけ正確に求める方法を述べる。
【００４０】
以下においては、下流側のサーモパイル１８についてオフセット温度ΔＴdc（０）を求める方法を説明する。上流側のサーモパイル１７についても、同様にしてオフセット温度ΔＴuc（０）を求めることができるが、説明は省略する。まず、第１の方法を述べる。流量Ｖに対する供給エネルギーＱd（Ｖ）は図４に示したように単調増加曲線であるから、下流側のサーモパイル１８の出力特性ΔＴd（Ｖ）も、図１０に示すように単調増加の傾向を示す。この単調増加の傾向より、ある時のサーモパイル１８による計測温度ΔＴd（Ｖ）が、初期特性のオフセット温度ΔＴd0（０）よりも低い温度を示せば、それは少なくともダストが付着しており、流量Ｖもほぼゼロであることを示している。すなわち、
ΔＴd（Ｖ）＜ΔＴd0（０）      …(27)
となったときには、その計測温度ΔＴd（Ｖ）が流量Ｖ＝０のときのオフセット温度ΔＴdc（０）であると判断し、その瞬間に熱容量の比
Ｃdc／Ｃd0＝ΔＴd0（０）／ΔＴdc（０）
を求めてサーモパイル１８の計測温度の補正を行う。なお、上記(27)式を満たす計測温度ΔＴd（Ｖ）の値が所定期間内に複数得られる場合には、そのうちの最小値をオフセット温度ΔＴdc（Ｖ）としてもよい。
【００４１】
ここで、フローセンサ１１に上流と下流の区別がない場合、すなわちサーモパイル１７側からサーモパイル１８側へも、サーモパイル１８側からサーモパイル１７側へも流体が流れる可能性がある場合には、逆方向からの流量があった場合（つまり、サーモパイル１８側からサーモパイル１７側へと流体が流れている場合）には、流量Ｖの値に関係なく、ΔＴd（Ｖ）＜ΔＴd0（０）となってしまう。このような場合にサーモパイル１８の計測温度が補正されるのを防ぐためには、下流側のサーモパイル１８に関する上記(27)式で表される条件
ΔＴd（Ｖ）＜ΔＴd0（０）      …(27)
に加えて、上流側のサーモパイル１７の温度変化ΔＴu（Ｖ）がそのオフセット温度ΔＴu0（０）より以下であるという条件
ΔＴu（Ｖ）＜ΔＴu0（０）      …(28)
を付加する必要がある。逆方向に流体が流れている場合には、ΔＴu（Ｖ）＞ΔＴu0（０）となるので、上記(27)式と(28)式を満たす場合には、間違いなく流量がゼロであると考えることができる。なお、流体の流れる方向が逆方向であった場合には、サーモパイル１７、１８の上流側と下流側を入れ替えて(24)式、(26)式等を適用すればよい。
)
【００４２】
また、サーモパイル１８にダストが頻繁に付着する場合には、ダストが付着したサーモパイル１８のオフセット温度ΔＴdc（０）の低下が大きく、
ΔＴdc（０）＜＜ΔＴd0（０）
となるので、サーモパイル１８の計測値ΔＴd（Ｖ）が、
ΔＴd（Ｖ）＜ΔＴd0（０）
を満たす場合でも流量Ｖがゼロでない場合がある。そこで、ダストが頻繁に付着する恐れがあるような状況でフローセンサ１１を使用する場合には、計測値がその時点でのオフセット温度よりも低い場合に流量Ｖがゼロの無風状態であるとみなすようにすればよい（第２の方法）。
【００４３】
すなわち、最初（初期特性）のオフセット温度をΔＴd0（０）とすると、計測値ΔＴd（Ｖ）が、
ΔＴd（Ｖ）≦ΔＴd0（０）
を満たしたとき、その計測値ΔＴd（Ｖ）をその時点でのオフセット温度ΔＴdc1（０）と見なし、
Ｃdc1／Ｃd0＝ΔＴd0（０）／ΔＴdc1（０）
から熱容量比を求めて出力特性を補正する。つぎに、計測値ΔＴd（Ｖ）が、
ΔＴd（Ｖ）≦ΔＴdc1（０）
を満たしたとき、その計測値ΔＴd（Ｖ）をその時点でのオフセット温度ΔＴdc2（０）と見なし、
Ｃdc2／Ｃd0＝ΔＴd0（０）／ΔＴdc2（０）
から熱容量比を求めて出力特性を補正する。さらに、計測値ΔＴd（Ｖ）が、
ΔＴd（Ｖ）≦ΔＴdc2（０）
を満たしたとき、その計測値ΔＴd（Ｖ）をその時点でのオフセット温度ΔＴdc3（０）と見なし、
Ｃdc3／Ｃd0＝ΔＴd0（０）／ΔＴdc3（０）
から熱容量比を求めて出力特性を補正する。同様な処理を順次行い、計測値ΔＴd（Ｖ）が、
ΔＴd（Ｖ）≦ΔＴdcn-1（０）      （ｎ＝４、５、…）
を満たしたとき、その計測値ΔＴd（Ｖ）をその時点でのオフセット温度ΔＴdcn（０）と見なし、
Ｃdcn／Ｃd0＝ΔＴd0（０）／ΔＴdcn（０）
から熱容量比を求めて出力特性を補正する。
【００４４】
このようにして段階的に補正する方法では、ダストの付着量が次第に増加して出力特性を表わす曲線が頻繁に変化しても、それに追従して変化するオフセット温度を求めることができ、より正確に出力特性を補正することができる。あるいは、ダストの付着する頻度が少なくて出力特性を表わす曲線があまり変化しない場合には、上記のようにしてオフセット温度がΔＴdc1（０）、ΔＴdc2（０）、ΔＴdc3（０）、…と求められる度に実際のオフセット温度ΔＴdc（０）に漸近してゆき、出力特性が正確に補正され、高精度で流量Ｖが計測される。
【００４５】
また、流量Ｖがゼロであることの判定にヒータ１６を用いることもできる（第３の方法）。ヒータ１６の発熱温度は無風時には最大値を示し、流体が流れていると発熱温度は下がる傾向を示す。しかも、ヒータ１６にはダストが付着することはほとんどないので、ヒータ１６の発熱温度が、無風時（Ｖ＝０の時）の発熱温度とほぼ等しい場合には、流体の流量がゼロであるとみなし、そのときの計測温度ΔＴd（Ｖ）をオフセット温度ΔＴdc（０）として出力特性を補正してもよい。
【００４６】
また、第４の方法としては、サーモパイル１７とサーモパイル１８とが、同じ構造で、同じ熱容量Ｃu0、Ｃd0を有し、ヒータ１６に関して対称に配置されている場合には、サーモパイル１７の計測温度ΔＴu（Ｖ）とサーモパイル１８の計測温度ΔＴd（Ｖ）とがほぼ等しいことをもって流量Ｖがゼロであるとみなしてもよい。
【００４７】
次に、上記フローセンサ１１に用いられる演算処理部２８の構成を図１１により説明する。この演算処理部２８は、ＡＤ（アナログ／デジタル）変換器２９、演算処理部３０、ゼロ流量感知手段３１、オフセット温度決定手段３２、補正処理部３３、メモリ３４、ＤＡ（デジタル／アナログ）変換器３５によって構成されており、これらは１個又は複数個のマイクロコンピュータや電子回路、不揮発性メモリ等からなる。ＡＤ変換器２９は、サーモパイル１７の計測温度ΔＴu（Ｖ）を示すアナログ信号、又はサーモパイル１８の計測温度ΔＴd（Ｖ）を示すアナログ信号をサーモパイル１７、１８から受け取り、受け取ったアナログ信号をデジタル信号に変換して演算処理部３０へ出力する。演算処理部３０は、ＡＤ変換器２９から受け取った計測温度（デジタル信号）、例えばΔＴd（Ｖ）をゼロ流量感知手段３１及びオフセット温度決定手段３２へ転送する。ゼロ流量感知手段３１は、演算処理部３０から受け取った計測温度ΔＴd（Ｖ）に基づいて前記のいずれかの方法（例えば、初期特性のオフセット温度ΔＴd0（０）と比較する。）によりゼロ流量となった瞬間を検出し、ゼロ流量を検出すると演算処理部３０へゼロ流量検出信号を返す。演算処理部３０は、ゼロ流量感知手段３１からゼロ流量検出信号を受信すると、オフセット温度決定手段３２へゼロ流量検出信号を伝える。オフセット温度決定手段３２は、ゼロ流量検出信号を受け取ると、そのときの計測温度ΔＴd（Ｖ）をオフセット温度ΔＴdc（０）とみなし、そのオフセット温度ΔＴdc（０）の値を演算処理部３０へ送信し、演算処理部３０はそのオフセット温度ΔＴdc（０）を補正処理部３３へ転送する。補正処理部３３は、オフセット温度ΔＴdc（０）を受け取ると、前記(24)式にもとづいて熱容量比Ｃdc／Ｃd0を算出し、サーモパイル１８の計測温度ΔＴd（Ｖ）を（Ｃdc／Ｃd0）ΔＴd（Ｖ）と補正する。ついで、メモリ３４内に格納されている初期特性のデータを読み出し、補正された計測温度（Ｃdc／Ｃd0）ΔＴd（Ｖ）に対応する流量Ｖを初期特性から求める。こうして計測された流量Ｖ（デジタル信号）は、ＤＡ変換器３５でアナログ電圧信号に変換された後、出力電圧Ｖoutとして出力される。
【００４８】
なお、上記実施形態においては、ヒータの両側にサーモパイルを配置した構造のものを説明したが、本発明のフローセンサは、ヒータの片側にのみサーモパイルを設けた構造のものであってもよい。また、測温体としては、サーモパイルを用いたものに限らず、温度測定用の抵抗体を用いたものでもよく、サーミスタ等の半導体素子を用いたものでもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のフローセンサによれば、ダストの付着等による測温体の熱容量の変化比率を見積もることができ、この計測温度の比を用いて測温体の計測温度を補正することにより計測した温度を初期状態における計測温度に変換することができ、正確に流体流量を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフローセンサの構造を示す平面図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図３】流体中に配置されたフローセンサの様子を示す概略斜視図である。
【図４】下流側の測温体に供給されるエネルギーＱd（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係を示す図である。
【図５】（ａ）は下流側の測温体の周囲温度に対する温度変化ΔＴd（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係を示す図、（ｂ）は上流側の測温体の周囲温度に対する温度変化ΔＴu（Ｖ）と流体の流量Ｖとの関係を示す図である。
【図６】下流側の測温体の計測温度ΔＴd（Ｖ）の初期特性と、ダストが付着したときの特性とを示す図である。
【図７】従来のフローセンサにおける出力特性の補正方法を説明する図である。
【図８】本発明の一実施形態によるフローセンサの構造を示す平面図である。
【図９】図８のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図１０】下流側のサーモパイルの計測温度ΔＴd（Ｖ）の初期特性と、ダストが付着したときの特性とを示す図である。
【図１１】上記フローセンサに用いられる演算処理部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１      フローセンサ
１５      ブリッジ部
１６      ヒータ
１７、１８      サーモパイル
１９      周囲温度測温抵抗体
２３      温接点
２４      冷接点
２８      演算処理部
【図１】
0003945385.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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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