(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、流体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに所定の間隔を開けて配設された一対の測温抵抗素子とを備え、前記一対の測温抵抗素子を通電により発熱させたときの前記一対の測温抵抗素子の温度差に基づいて前記流体の流量を測定するフローセンサにおいて、
前記流体の流れ方向と直交する方向における前記一対の測温抵抗素子それぞれの長さをａ、前記一対の測温抵抗素子のうち前記流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から前記流体の流れ方向における下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をｂとしたとき、前記長さａと前記距離ｂとの関係は、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定されているフローセンサ。
【請求項２】
前記長さａと前記距離ｂとの関係は、０．４≦ｂ／ａ≦０．６に設定されている請求項１記載のフローセンサ。
【請求項３】
流す流体の流量に応じてフルイディック振動を発生させるフルイディック発振素子と、前記フルイディック発振素子のフルイディック振動を検出する流量検出センサと、前記フルイディック発振素子の流路に配置された請求項１又は２に記載のフローセンサと、を備える複合型流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を測定するフローセンサ及び複合型流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平２−２５９５２７号公報、特開平９−８９６１９号公報、特開平１０−２３９１２９号公報などに記載されているように、基板の表面に一対の測温抵抗素子を配設し、これらの測温抵抗素子を通電により発熱させたときに、流す流体の流量により変化する一対の測温抵抗素子の温度差を基にして流体の流量を測定するフローセンサが知られている。
【０００３】
このようなフローセンサは小流量域の流量測定に適しているが、大流量域の流量領域までの測定には適していないので、大流量域の流量測定をするフルイディック流量計とフローセンサとを備えた複合型流量計も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のフローセンサは、感度を高くすることが強く求められている。この場合、感度は、上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との温度差が大きい程高くなる。感度を高くするためには、流体の流れ方向と直交する方向における測温抵抗素子の長さを増すことにより達成できるが、測温抵抗素子の長さに比例して測温抵抗素子を駆動するエネルギーが右上がりに増加してしまう。フローセンサは電池により駆動するため駆動エネルギーの上昇を抑えることが求められている。
【０００５】
そこで本発明の目的は、駆動エネルギーを低く抑えることを満足させた上で、感度を高めることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のフローセンサは、基板と、流体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに所定の間隔を開けて配設された一対の測温抵抗素子とを備え、前記一対の測温抵抗素子を通電により発熱させたときの前記一対の測温抵抗素子の温度差に基づいて前記流体の流量を測定するフローセンサにおいて、前記流体の流れ方向と直交する方向における前記一対の測温抵抗素子それぞれの長さをａ、前記一対の測温抵抗素子のうち前記流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から前記流体の流れ方向における下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をｂとしたとき、前記長さａと前記距離ｂとの関係は、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定されている。
【０００７】
したがって、上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との温度差が高くなるように長さａと距離ｂとの関係が設定されているため、測温抵抗素子を駆動するエネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のフローセンサにおいて、前記長さａと前記距離ｂとの関係は、０．４≦ｂ／ａ≦０．６に設定されている。
【０００９】
したがって、請求項１の場合よりもさらに感度を高めることが可能となる。
【００１４】
請求項３記載の複合型流量計は、流す流体の流量に応じてフルイディック振動を発生させるフルイディック発振素子と、前記フルイディック発振素子のフルイディック振動を検出する流量検出センサと、前記フルイディック発振素子の前記流路に配置された請求項１又は２に記載のフローセンサと、を備える。
【００１５】
したがって、フローセンサを駆動するエネルギーの上昇を抑えるとともに、小流量域の流量測定の感度を高めることができる複合型流量計を提供することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１ないし図４に基づいて説明する。図１はフローセンサ１の平面図である。基板２の一面には、表面が絶縁膜により絶縁された金属皮膜が形成され、その絶縁された金属皮膜上には、流体の流れ方向（矢印Ａ方向）に沿って、流体温度検出抵抗エレメント３と、測温抵抗素子である薄膜ヒータ４，５と、これらの流体温度検出抵抗エレメント３及び薄膜ヒータ４，５を制御回路(図示せず)に接続するボンディングパッド６〜１１が形成されている。すなわち、流体温度検出抵抗エレメント３の両端はボンディングパッド６，７に接続され、薄膜ヒータ４はボンディングパッド８，９に接続され、薄膜ヒータ５はボンディングパッド１０，１１に接続されている。基板２上の金属皮膜には、薄膜ヒータ４の上流側と薄膜ヒータ５の下流側とに多数の溝１２が形成され、これらの溝１２からエッチング液を注入するという異方性エッチング法により空隙部１３が形成されている。この空隙部１３の輪郭は点線で囲った領域である。前述の薄膜ヒータ４，５は、空隙部１３の上面をなす金属皮膜の中央部に配設され、空隙部１３によって基板２とは熱的に絶縁されている。これらの薄膜ヒータ４，５は、例えばＰｔなどのように抵抗温度係数の大きい材料により形成されている。
【００１７】
ここで、流体の流れ方向Ａと直交する方向における薄膜ヒータ４，５の長さをａ、流体の流れ方向Ａにおける上流側の薄膜ヒータ４の上流側の端縁から下流側の薄膜ヒータ５の下流側の端縁に至る距離をｂとしたとき、長さａと距離ｂとの関係は、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定されている。一対の薄膜ヒータ４，５は空隙部１３を横切るブリッジを形成するので、実施の形態では距離ｂをブリッジ幅ｂとして説明する。
【００１８】
さらに、流体の流れ方向Ａにおける薄膜ヒータ４，５の幅をｃ、流体の流れ方向Ａにおける一対の薄膜ヒータ４，５の間隔をｄとしたとき、幅ｃと間隔ｄとの関係は、ｃ≦ｄに設定されている。
【００１９】
次に、図２を参照して流体の流量測定について説明する。図２は、流体の流れ方向Ａにおける上流側の薄膜ヒータ４と下流側との薄膜ヒータ５との配設状態（下段の図）と、これらの薄膜ヒータ４，５の温度変化（上段の図）の関係を示す説明図である。この図２を参照して流量測定の原理について説明する。
【００２０】
一対の薄膜ヒータ４，５は同一の電流を流すとジュール熱により発熱する。流速ゼロ時の両者の温度ｔ1 ，ｔ2 は等しいが、流速が上がると、上流側の薄膜ヒータ４は流体により熱を奪われるためΔＴ1 だけ温度が低下し、下流側の薄膜ヒータ５は上流側の薄膜ヒータ４の熱を奪った流体に触れるためΔＴ2 だけ温度が上昇する。このときの両者の温度差は抵抗値の変化により差動出力電圧として出力されるため、その出力をホイートストーンブリッジ回路に取り込み、抵抗値の変化を電圧に変換することで、その電圧に対応する流体の流速が測定される。流体が上流側の薄膜ヒータ４から奪う熱は流体の流速に比例するため、
ΔＴ1 ＋ΔＴ2 ＝ΔＴｈ
を算出することにより流速を求めることができる。流速が分かれば、流路断面積が既知であるため流量を求めることができる。この場合、ΔＴｈを大きくすると感度が高くなる。この感度を高めるためには、流体の流れ方向Ａと直交する方向における薄膜ヒータ４，５の長さを長くすることが知られているが、この場合には薄膜ヒータ４，５を駆動するエネルネギーが大きくなってしまう。
【００２１】
しかし、本発明では上記のように、流体の流れ方向Ａと直交する方向における薄膜ヒータ４，５の長さａと、ブリッジ幅ｂとの関係が、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定されているので、流体が流れている場合における上流側の薄膜ヒータ４と下流側の薄膜ヒータ５との温度差ΔＴｈ、すなわち、感度を高くすることができる。
【００２２】
以下、その実験の結果を図３に示す。図３は、流体の流れ方向Ａにおける薄膜ヒータ４，５の長さａを、３２０μｍ及び６００μｍの二通りに設定し、これに対して変化させたブリッジ幅ｂを横軸にとり、感度及びエネルギーを縦軸にとり、ａに対してｂのパラメータを変化させた場合の感度とエネルギーとを測定した結果である。詳細にいえば、◇印で示すプロットは薄膜ヒータ４，５の長さａを３２０μｍとしたときのエネルギーの測定結果、□印で示すプロットは薄膜ヒータ４，５の長さａを３２０μｍとしたときの感度の測定結果、○印で示すプロットは薄膜ヒータ４，５の長さａを６００μｍとしたときのエネルギーの測定結果、＊印で示すプロットは薄膜ヒータ４，５の長さａを６００μｍとしたときの感度の測定結果である。
【００２３】
この実験において、エネルギーとは、流速ゼロの状態で、薄膜ヒータ４，５を環境温度より１００℃上昇させるのに必要な電力（ｍＷ）である。感度は、幅４ｍｍ、深さ２５ｍｍの流路の幅４ｍｍの上面にフローセンサ１を設置し、流体として乾燥した空気を毎時４００リットル流したときの薄膜ヒータ４，５の温度差ΔＴｈ（℃）である。
【００２４】
図３の実験結果によれば、エネルギーは、ブリッジ幅ｂの増加とともに増加し、ｂがある値に達した後に飽和するが、その上昇のカーブは緩く低く抑えられていることが判る。これは、薄膜ヒータ４，５の長さａとブリッジ幅ｂとの上記の比の設定によるものである。
【００２５】
感度については、ブリッジ幅ｂの増加とともに高まり、ｂがある値に達した後は下がる蒲鉾形のカーブを示すので、薄膜ヒータ４，５の長さａとブリッジ幅ｂとの関係があることが判る。小さなエネルギーで高い感度を得るための、感度／エネルギーの値が最大になる薄膜ヒータ４，５の長さａとブリッジ幅ｂとの比ｂ／ａは、ａ＝３２０μｍ、ａ＝６００μｍともに略０．５となる。
【００２６】
すなわち、ａ＝３２０μｍの場合、感度のピークは約１０．５℃であり、ｂ／ａ＝０．５としたときのブリッジ幅ｂは約１６０μｍである。また、ａ＝６００μｍの場合、感度のピークは約１６．５℃であり、ｂ／ａ＝０．５としたときのブリッジ幅ｂは約３００μｍである。
【００２７】
以上のように、ｂ／ａの比は０．５が最善であるが、製作上の許容範囲を考慮すると、０．４≦ｂ／ａ≦０．６の設定がベターである。このように設定した場合は、ａ＝３２０μmでは、ブリッジ幅ｂは１２８μm〜１９２μmとなり、ｂ＝６００μmでは、ブリッジ幅ｂは２４０μm〜３６０μｍとなる。この設定でも、エネルギーの低減、感度の向上を図ることができる。この製作上の許容範囲を考慮したｂ／ａ比の設定は、性能上まだ余裕がある設定である。
【００２８】
すなわち、図３から、エネルギーの低減、感度の向上を実用上満足できるｂ／ａ比の範囲は、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５である。この比によれば、ａ＝３２０μｍの場合、ブリッジ幅ｂは約１２０〜２４０μｍであり、ａ＝６００μｍの場合、ブリッジ幅ｂは約２２０〜４５０μｍとなる。
【００２９】
以上の結果から、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定することにより、感度を満足し得ることが確認された。また、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５の設定範囲では、薄膜ヒータ４，５を駆動するエネルギーの上昇が極めて低く抑えられることが確認された。
【００３０】
さらに、本発明においては、流体の流れ方向Ａにおける薄膜ヒータ４，５の幅をｃ、流体の流れ方向Ａにおける一対の薄膜ヒータ４，５の間隔をｄとしたとき、幅ｃと間隔ｄとの関係が、ｃ≦ｄに設定されているので、流体の流速がある場合における上流側の薄膜ヒータ４と下流側の薄膜ヒータ５との温度差ΔＴｈ、すなわち、感度をさらに高くすることができる。
【００３１】
以下、その実験の結果を図４に示す。図４は、薄膜ヒータ４，５の長さａ＝３２０μｍ、上記のブリッジ幅ｂ＝１６０μｍに設定し、これに対して変化させた薄膜ヒータ４，５の幅ｃを横軸にとり、感度及びエネルギーを縦軸にとり、幅ｃのパラメータを変化させた場合の感度とエネルギーとを測定した結果である。□印で示すプロットはエネルギーの測定結果、◇印で示すプロットは感度の測定結果である。感度とエネルギーの定義は図３の場合と同様である。
【００３２】
図４の実験結果によれば、エネルギーは薄膜ヒータ４，５の幅ｃの変化の影響をほとんど受けないが、感度は薄膜ヒータ４，５の幅ｃが高くなるに従い低下することが判る。すなわち、幅ｃが５０μｍ以下の範囲では、感度は幅ｃの増加に比例して僅かづつ下がるが、幅ｃが５０μｍ以上になると感度の低下は大きくなる。つまり、幅ｃの許容範囲の最大は５０μｍとなる。ブリッジ幅ｂは１６０μｍ、５０μm幅の薄膜ヒータ４，５は２本分（２×ｃ）であるから、薄膜ヒータ４，５の間隔ｄは、
ｄ＝ｂ−２ｃ＝１６０μｍ−２×５０μｍ＝６０μｍ
となる。すなわち、ｃ≦ｄとすることにより、エネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることができることが確認された。
【００３３】
また、図４において、薄膜ヒータ４，５の幅ｃが４０μｍ以下の場合は、高めの感度を得ることができる。この場合、薄膜ヒータ４，５の間隔ｄは、
ｄ＝ｂ−２ｃ＝１６０μｍ−２×４０μｍ＝８０μｍ
となる。すなわち、２ｃ≦ｄに設定することにより、さらに感度を高めることができる。
【００３４】
なお、薄膜ヒータ４，５のリード線を基板２の片側（図１では上方）に向けて導出させた状態で説明したが、薄膜ヒータ４，５を図５に示すようなパターンで形成した場合には、リード線を上下方向に分けて配設し、これに接続されるボンディングパッド８〜１１も上下に分けて配設すればよい。
【００３５】
また、流体の流れ方向Ａと直交する方向における薄膜ヒータ４，５の長さａについては、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５の条件を守る限りは、図６に示すように、ａの値を異なるａ1 とａ2 とに分けて定めてもよい。
【００３６】
次に、図７を参照して複合型流量計について説明する。本実施の形態における複合型流量計２０は、フルイディック流量計２１と、図１に示したフローセンサ１とにより形成されている。
【００３７】
フルイディック型流量計２１の主要な構成部材をなすフルイディック発振素子２２の上面の開口面は図示しない上カバーにより閉塞されるものである。フルイディック発振素子２２には流体を矢印Ａ方向に流す流路２３が形成されている。この流路２３には、流体の流れ方向Ａの上流側から下流側に向けて、入口部２４、複数の整流用網２５及び整流格子２６が所定の間隔をおいて配置された整流流路部２７、下流側に向けて流路が絞られたフローセンサ流路部２８、ノズル２９、流路拡大部３０、出口部３１が形成されている。流路拡大部３０にはノズル２９の出口に対向する誘振子３２と、この誘振子３２の下流側に配置されたエンドブロック３３とが形成されている。
【００３８】
なお、流路２３の上面開口を閉塞する上カバーには、ノズル２９の出口付近の両側に通孔（図示せず）が形成されているとともに、これらの通孔からの圧力を検出する流量検出センサとしての圧力センサ（図示せず）が設けられている。
【００３９】
このような構成において、複合型流量計２０の流量測定について説明する。入口部２４ら流路２３に流れる流体は、上流側の整流用網２５により緩衝され、次段の整流用網２５との隙間でミキシングされ周期的な振動の変動が緩和されて流路２３内で略均一な流速分布にされた後に、格子状の整流格子２６により二次元流となり非圧縮性の定常的な一様な流れとなる。これにより、小流量域測定用のフローセンサ１の出力を安定させることができる。フローセンサ１の測定については前述の通りであるので、説明を省略する。
【００４０】
次に、フルイディック流量計２１により大流量域の流量測定について説明する。ノズル２９から下流側に向かって噴出された流体は誘振子３２の外側に沿って左右に振り分けられる。図７において誘振子３２の下側に流体が流れる状態説明すると、ノズル２９から噴出する流体の主噴流は流路拡大部３０から出口部３１に向けて流れるが、一部はエンドブロック３３にぶつかり流路拡大部３０の下側の側壁に沿って帰還流体となり、新たにノズル２９から噴出する流体の噴流に直角方向からぶつかる。この帰還流体のエネルギーにより、新たにノズル２９から噴出する流体の主噴流の向きは誘振子３２の上側に変わり、一部はエンドブロック３３にぶつかり流路拡大部３０の上側の側壁に沿って帰還流体となり、新たにノズル２９から噴出する流体の主噴流に直角方向からぶつかる。この帰還流体のエネルギーにより、新たにノズル２９から噴出する流体の噴流の向きは誘振子３２の下側に変わる。ノズル２９から噴出する主噴流の流れの振り分けはこのようにして繰り返される。
【００４１】
この主噴流の振り分けによる交番圧力波の周波数は通孔を通して圧力センサにより検出される。その検出値は流量に比例するので、圧力センサの出力により大流量域の流量を求めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載のフローセンサは、流体の流れ方向と直交する方向における一対の測温抵抗素子の長さをａ、流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をｂとしたとき、前記長さａと前記距離ｂとの関係を、０．３７≦ｂ／ａ≦０．７５に設定したので、測温抵抗素子を駆動するエネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることができる。
【００４３】
請求項２記載のフローセンサは、０．４≦ｂ／ａ≦０．６に設定したので、請求項１記載の場合よりさらに感度を高めることができる。
【００４６】
請求項３記載の複合型流量計は、請求項１又は２に記載のフローセンサを備えるので、フローセンサを駆動するエネルギーの上昇を抑えるとともに、小流量域の流量測定の感度を高めることができる複合型流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるフローセンサの平面図である。
【図２】流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との配設状態と、これらの測温抵抗素子の温度変化を示す説明図である。
【図３】測温抵抗素子を駆動するエネルギーと感度の測定結果を実験により示すグラフである。
【図４】測温抵抗素子を駆動するエネルギーと感度の測定結果を実験により示すグラフである。
【図５】測温抵抗素子の変形例を示す平面図である。
【図６】測温抵抗素子の変形例を示す平面図である。
【図７】複合型流量計の内部構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１  フローセンサ
２  基板
４，５  測温抵抗素子
ａ  流体の流れ方向と直交する方向における測温抵抗素子の長さ
ｂ  流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離
ｃ  流体の流れ方向における測温抵抗素子の幅
ｄ  流体の流れ方向における一対の測温抵抗素子の間隔
２２  フルイディック発振素子
【図１】
0004980510.tif 000002
【図２】
0004980510.tif 000003
【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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