計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.8, 59/64 (2004)

熱式 MEMS フローセンサの開発
野添 悟史＊

藤原 敏光＊

栗林 秀成＊＊ 上田 直亜＊ 谷口 勤＊Development of Thermal MEMS Flow Sensor
Satoshi NOZOE，Toshimitsu FUJIWARA，Hidenari KURIBAYASHI，Naotsugu UEDA and Tsutomu TANIGUCHI．

Recently, environmental preservation and energy saving came to be required. Therefore, measurement and controlof flow rate have been needed in the energy consumption apparatus that use various fuel gases, such as combustion
equipment, fuel cell and other alternative energy apparatuses. In the case of such apparatus, a diaphragm pumpis used in many cases as a source of gas flowing. It is known that the periodic pulsating flow will be generated
according to the motion of the diaphragm of a pump. In the existing flow sensor, measurement is not stabilized
in such pulsating flow.
We clarified the flow sensor output characteristic in pulsating flow for developing of new flow sensor
measurable stably and correctly also in such conditions. The orifice set to the down-stream of a sensor tokeep narrow flow can control the output change by the pulsating flow. This report introduces the mass flow
meter which is applied this effect.
Key words:
words MEMS，sensor，thermal flow sensor，pulsating flow，steady flow

１.

緒

言

近年，環境保全や省エネが取りざたされる中，燃料電池などの新エネルギー機器や燃焼装置など各種気体を使用する機器において，その効率化のため気体の流量を計測制御するニーズが高まっており，小型化とローコストのニーズも加わって簡便で安価なフローセンサが求められていた．
更にこのような機器では，気体の流入源としてダイアフラム方式のポンプを使用することも多く，この場合の流れは，ダイアラムの動きに応じ流量が周期的に変化する脈流となることが知られている．既存のフローセンサにおいては，このような脈流では計測値が安定せず，正確な流量計測ができなかった．
我々は，脈流においても安定して正確に流量計測ができるフローセンサを開発することを主な目的とし，脈流における流路構造とフローセンサの出力特性の関係を評価した．
その結果，センサ部の下流側にて流れが極めて狭くなるよう開口部（オリフィス）を設けることで，脈流の影響による出力の不安定を抑制することが可能であることがわかった．
本報ではこの効果を適用したフローセンサを紹介する．
オムロン株式会社ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾂﾋﾞｼﾞﾈｽｶﾝﾊﾟﾆｰ*エンジンニアリングセンタ商品開発部〒525-0035 滋賀県草津市西草津２丁目 2-1**コネクタ商品部マーケティング課〒213-0012 川崎市高津区坂戸 3-2-1（Received May 6，2004）２.

熱式 MEMS フローセンサ

2．1 センサのセンサの構成
Fig．
Fig．1 にフローセンサの外観図を示す．熱可塑性樹脂を筐体とする樹脂筐体タイプとアルミニウム合金を筐体とする金属筐体タイプがあり，金属筐体タイプは都市ガスやLPG などの可燃性気体にも対応している．樹脂筐体タイプ
は空気フルスケール流量で 1L/min.と 2L/min.相当の２種あり，金属筐体タイプは都市ガス（13A）フルスケール流量で 5L/min.相当となっている．
Fig．
Fig．2 に当該フローセンサに使われる熱式半導体センサ素子の外観図を示す．このセンサ素子は，一般に MEMS（Micro Electro Mechanical Systems の略）と呼ばれる半導体製造技術を応用した微細加工技術によって得られるもので，薄膜下シリコンエッチングにおいて異方性エッチング技術を採用しセンサ素子内に逆台形状の凹部を形成し，この凹部の上下において流れを導入する構造となっている．
表面薄膜概中央にヒータと，その上下流側には熱電対からなる測温体とが設けられ，さらに基板測温体をなす抵抗体が形成されている．これらの要素は制御回路や出力回路に結線される．フローセンサ内部には，導入口からの気体がこのセンサ素子に暴露されるよう流路が形成されており，その流路には上流側に整流器が，下流側にはオリフィスが設けられる構造となっている.１）

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.8, 59/64 (2004)(a) Thermoplastic resin case type(b) Aluminum alloy case typeFig.1 Appearance of flow sensors

Thermopile A

Base temperature sensor
Electrode pad

500μmHeater

Thermopile B(a) Appearance photograph

2．2 センサのセンサの計測原理２）
Fig．
Fig．3 (a)に示すように，重力などの加速度を無視し，(a)気体の濃度差のない均一な空間において，気体の流れがない場合は，ヒータによって熱せられた気体の温度分布はヒータを中心として上流と下流で対称となる．しかし Fig．
Fig．3(b)に示すように，流れのある状態ではヒータの上流側の温(b)度が低く，下流側が高くなるように温度平衡状態が崩れる．
この上流と下流の温度差ΔT は，熱電対 A と熱電対 B の起電力の差として現れるため，これらを信号処理することで流速を知ることができる．
ここで流速Ｖｆと温度差ΔT の関係はおおむね以下の式で表される．

ΔＴ＝Ａ（Ｔｈ－Ｔａ）√Ｖｆ＝Ｂ・Ｑ√ＶｆElectrode pad
HoleUpper insulated thin film

（１）

Ａ，Ｂは定数，Ｔｈはヒータの温度，Ｔａは気体の温度（ただしヒータから十分に離れているところの気体の温度），
Ｑ
は発熱に要した電力，Ｖｆは流速を表し，ΔＴはヒータ周辺の温度差を示している．
また，流速Ｖｆとセンサ出力Ｖout の関係は概ね以下の式で表される．

CavityThermopile
Lower insulated thin film

Ｖout＝Ｃ・ΔＴ＝Ｂ・Ｃ・Ｑ√Ｖｆ(b) Cross-sectional of perspective diagram
Fig.2 Silicon thermal sensor

Thermopile A

ここでＣは定数であり，温度差ΔＴから電気信号を得る過程を示している．

Symmetrical heat distribution
Thermopile B

Flow velocity (Vf)Asymmetrical heat distribution

Heater(a) Calm condition（２）(b) Flowing condition
Fig.3 Outline of a measurement principle計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.8, 59/64 (2004)
流路の形状が定められ，あらかじめ流速と流量の関係がわかっている場合は流速から流量を換算することができる
が，実際の流量計測では，上流から導入される流れが乱されると，センサ素子付近での流路内の流速分布が不均一になる場合があり，この影響が無視できず流速から流量に換算する過程で誤差を生じる．そのために流路に整流器を設けるなどによって流速分布の均一化を図るなど，流路設計における最適化を行う必要がある．

実 験 方 法た場合のそれぞれ定常流，脈流での出力特性を評価した．

3．1 試供材
Fig．
Fig．4 は試供材の分解斜視図および断面図を示している．熱式半導体センサ素子は，電気回路基板の裏側に設置されており，ベース内流路に突出するように取り付けられている．流路には上流部には整流器として金網（線径 0.1mm，100 メッシュ）が総計 8 枚一定の間隔で搭載できるようになっている．下流側には概中央に穴が設けられた円板状体を搭載できるようになっており，この円板状体がオリフィスを有し，このオリフィスの形状や搭載位置が任意に設定できる構造となっている．
3．2 評価方法
コンプレッサより得られた圧縮空気がタンクを介して安定化され，その後マスフローコントローラ（SEC－F740：エステック製）にてフローセンサへ導入する．この場合の流

４.

実 験 結 果 お よ び 考 察

4．1 オリフィスがない
オリフィスがない場合がない場合の場合の脈流による脈流による特性変動による特性変動

5Sensor output Vout(V)３.

れは時間による流量変動のない定常流となる．この場合はマスフローコントローラにて流量が任意に設定できる．
脈流の場合は，ダイアフラム式ポンプ（電磁誘導方式
C-5BN：㈱ﾃｸﾉ高槻製）へ印加する電源の交流周波数を 60Hzの一定とし，変圧器によって印加電圧を変化させることでポンプ内のダイアフラム変位量を変化させ流量を調節した．
両者ともに，フローセンサの直後に配管された湿式流量計（W-NKDa-1A：シナガワ製）を用いて流量を測定した．実験
は圧力，気温は一定下にて行った．
これらを用いて，フローセンサ内にオリフィスを内蔵し

Cover

432
Steady flow
Pulsating flow ６０Hz

1

Electric circuit board

0Screw

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Flow rate Qa(l/min.)(a) Thermoplastic resin case type．
Full-scale flow rate is air 2L/min.
RectifierWire nets and spacers
Base
Orifice(a) Exploded perspective view
Electric circuit board
Silicon thermal sensor

CoverInletSensor output Vout(V)5432
Steady flow
Pulsating flow ６０Hz

10OrificeOutletBase0Rectifier
Wire nets and spacers(b) Sectional view
Fig．
Fig．4 Flow sensor sample for examination.

1234

5Flow rate Qa(l/min.)(b) Aluminum alloy case type．
Full-scale flow rate is air 5L/min.
Fig．
Fig．5 Relation between flow rate and sensor output.

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Vol.3, No.8, 59/64 (2004)

5Sensor output Vout(V)Fig．
Fig．5 は，それぞれ樹脂筐体タイプの空気フルスケール
流量 2l/min.と金属筐体タイプの空気フルスケール流量5l/min.の流量とセンサ出力の関係を示している．
この場合のセンサ内流路にはオリフィスが搭載されていない．横軸はセンサ内を通過した気体の平均流量Ｑａ（l/min.）を，縦軸にセンサの出力電圧Ｖout (V)を示しており，実線●印
で示した曲線は定常流を導入した場合を，実線▲印で示した曲線はダイアフラムポンプ 60Hz による脈流を導入した場合を示している．
Fig．
(a)，
Fig．5 (a)，(b)ともに，脈流の曲線は定常流の曲線の下側に推移している．このように定常流と脈流では，センサの出力の傾向に違いがある．脈流の場合では，流路内に出口から入口に向かう流れが，センサ素子付近に発生していると考えている．

432100.0

4．2 オリフィスのオリフィスの大きさによる影響
きさによる影響
Fig．
Fig．
Fig．6 は，FigFig．5 同様にそれぞれ樹脂筐体タイプ，金属

4Sensor output Vout(V)様）を，破線■印で示した曲線は，センサ流路の下流側にφ1.5mm の単一穴オリフィスを設けた試供材に 60Hz の脈流2.032Steady flow
Without orificeSingle holeφ1.5Single holeφ1.01通りである．ここで，センサ流路の下流側にφ1.5mm の単一穴オリフィスを設けた試供材に，60Hz の脈流を導入した

00場合の曲線（破線■印）を見ると，実線▲印と比べて，実線●印の曲線に近くなっているのがわかる．さらに破線◆

12345Flow rate Qa(l/min.)印の曲線で示したφ1.0mm の単一穴オリフィスを設けた試供材に，60Hz の脈流を導入した場合では，実線●印の示す定常流の曲線にほぼ一致しているのがわかる．
このように，オリフィス開口穴径が小さくなるほど，定常流の場合の出1.5Full-scale flow rate is air 2L/min.
5線▲印はどの流量域においても実線●印より小さな値にて推移しているのがわかる．これは先の FigFig．
(a)で示した．5 (a)1.0(a) Thermoplastic resin case type．

示しており，実線▲印で示した曲線は，流路内にオリフィスがない試供材に 60Hz の脈流を導入した場合（FigFig．
Fig．5 同場合を示している．
Fig．
Fig．6 (a)に示す実線●印と実線▲印を比較すると，実(a)0.5Flow rate Qa(l/min.)筐体タイプの流量とセンサ出力の関係を示している．
実線●印で示した曲線は定常流を導入した場合の曲線をを導入した場合を，破線◆印で示した曲線は，φ1.0mm 単一穴オリフィスを設けた試供材に 60Hz の脈流を導入した

Steady flow
Without orificeSingle holeφ1.5Single holeφ1.0(b) Aluminum alloy case type．
Full-scale flow rate is air 5L/min.
Fig．
Fig．6 Relation between flow rate and sensor output.

力特性に近づく傾向にあることが示された．
Fig．
(b)に示す実線●印と実線▲印を比較すると，実Fig．6 (b)線▲印はどの流量域においても実線●印より小さな値にて推移しているのがわかる．これも先の FigFig．
(b)で示した．5 (b)センサ素子下流に置かれたオリフィスにより脈動流が抑えられ，その結果，熱式フローセンサの流量特性が定常流通りである．前述と同様に，センサ流路の下流側にφ1.5mmの単一穴オリフィスを設けた試供材に，60Hz の脈流を導入の場合の出力に近づく．また，その一致の程度は，オリフィス開口部穴径の大きさに応じた傾向にあることが示されした場合の曲線（破線■印）とφ1.0mm の単一穴のオリフ
ィスを設けた試供材に，60Hz の脈流を導入した場合の曲線

た．

（破線◆印）の両者は，ともに実線●印の曲線で示した定常流の出力特性に近づいていく傾向を示しているのがわか

５.

結言

る．若干ではあるが，φ1.5mm の単一穴オリフィスの場合が，定常流の曲線との差が大きく，ここでも，オリフィス本開発では，脈流においても安定した流量測定が可能なフローセンサを提供することを目的とし，脈流によるセン開口部穴径が小さくなるほど，定常流の場合の出力特性に近づく傾向にあることが示された．

サ出力特性への影響を実験的に定量化した．センサ素子下流側流路にオリフィスを搭載することで，定常流と脈流による差がなくなる傾向にあり，このオリフィス開口部の径の大きさに応じて効果に差があることがわかった．これら

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.8, 59/64 (2004)の効果を適用したフローセンサを提供することで，ダイアフラムポンプを流入源とした機器システムでの流量測定を[ 著 者 紹 介 ]野添 悟史

可能とすることができた．
今後は，これらオリフィスによる脈流の影響低減効果に

1987 年立命館大学電気工学科卒業
同年立石電機株式会社（現オムロン株式会社）入社．計測，制御関係の機器開発，設計に従事．

ついての理論的考察が必要と考えており，等温化圧力容器を用いた非定常流量発生装置３）を利用して，脈流の振幅および，周波数とセンサ出力の関係などセンサの動特性評価を行う予定にしている．
最後に，実験結果について様々なご知見，ご考察を頂きました東京工業大学精密工学研究所の香川教授，川嶋助教授，舩木助手に厚くお礼申し上げます．

参 考 文 献藤原 敏光（正会員）
1994 年広島大学工学部第Ⅰ類（機械系）卒業
同年オムロン株式会社入社．電子機構部品の開発，設計に従事．計測自動制御学会，日本
塑性加工学会などの会員

1） 流量測定装置；特願平 2003-101742
2） P.T.Lai・Baiyong Liu・Xueren Zheng・Bin Li・ShouyuanZhang・Zhaohui Wu：Monolithic integrated
spreading-resistance silicon flow sensor；Sensors
and Actuators A 58，85/88(1997)

栗林 秀成
2001 年同志社大学知識工学科卒業
同年オムロン株式会社入社．電子機構部品の企画，開発に従事

3） 等温化圧力容器を用いた空気の非定常流量発生装置;
計測自動制御学会論文集, 34-12，1773/1778（1998）

上田 直亜
2002 年電気通信大学情報通信工学科卒業
同年オムロン株式会社入社．センサの開発，設計に従事．

谷口 勤
1977 年芝浦工業大学通信工学科卒業
同年立石電機株式会社（現オムロン株式会社）入社．制御機器の商品開発，商品企画に従事．