JP2000213970A - イオンドリフト式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 組み立て不要で高精度の加工が可能で、電極
の寸法および位置精度を高め、比較的容易に流量検知精
度を高めることが可能な構造からなるイオンドリフト式
流量計を提供。 【解決手段】 イオンドリフト式流量計は、流体あるい
は流体中の粒子をイオン化させる第１の機構と、イオン
の流れを電気的に捉える第２の機構とを少なくとも有
し、第１の機構および第２の機構の少なくとも一つは、
フォトリソグラフィーを利用して製作されたものである
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工業分野や医療分
野等において流体の流速あるいは流量を測定するための
流量計、特にイオンドリフト式流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオンドリフト式流量計の一例を
図４を参照しながら説明する。図中、参照符号１は、円
管１１内を流れる空気流量を測定するイオンドリフト式
流量計を示している。

【０００３】図４に示すように、イオンドリフト式流量
計１は円盤形状のコロナ電極１２と所定の抵抗を有する
コレクタ電極１３とから構成される。円管１１内を流れ
る空気流量を測定する際、上記コロナ電極１２は円管１
１の中心軸上に置かれ、一方コレクタ電極１３は円筒１
１の外周面を覆うようにして設けられ、かつ該コレクタ
電極１３の上流側部位１３１および下流側部位１３２か
ら接地されている。

【０００４】ところで、コロナ電極１２とコレクタ電極
１３との間には電界が生じるが、コロナ電極１２周端部
では電界が局部的に集中し不平等な電界状態となるの
で、印加電圧を適切に採ればコロナ電極１２の周端部の
みで放電するコロナ放電状態となる。同部分では流体分
子あるいは流体中の粒子がイオン化され、コレクタ電極
に向かって速度Ｖ_d でドリフトし電流が流れる。このと
き円管１１内の流体に流れがあると、ドリフトするイオ
ンは流速あるいは流量に応じて到達中心がＤだけ変移す
る。コレクタ電極１３は適当な抵抗分を持つので、上流
側１３１に流れる電流をＩ₁ 、下流側１３２に流れる電
流をＩ₂ とすれば、Ｄ＝Ｃ・（Ｉ₂ −Ｉ₁）／（Ｉ₂ ＋
Ｉ₁ ）として算出できるので（Ｃは定数）、これより流
速あるいは流量を検出することが出来る。このようなイ
オンドリフト式流量計は、発生するイオンの電極間移動
時間で応答性が決まるため、非常に高い応答性が得られ
る。また可動部を持たないため機械的信頼性が高いなど
の利点を持つ。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のイオン
ドリフト式流量計１は以下のような解決すべき課題を有
する。

【０００６】すなわち、従来のイオンドリフト式流量計
は、機械加工と組み立てとを前提とした製作方法に依る
ため、小型化には限界がありサイズ的な面で測定対象の
制約を受ける。またイオンの到達位置を正確に測定する
ためには高い加工精度、組み立て精度が必要となり、そ
のため高いコストが要求される。さらにこの種の流量計
は一般に空気の絶縁耐圧を破るだけの電界が必要である
ため、高電圧源が必要となり、これもコストアップの要
因となる。

【０００７】したがって、本発明の目的は上記課題を解
決し、低コストかつ高性能で、さらに小型化が可能なイ
オンドリフト式流量計を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上説明した問題点を解
決するために、本発明では、流体あるいは流体中の粒子
をイオン化させ、該イオンの流れを電気的に捉えること
により、該流体の流速あるいは流量を検出するイオンド
リフト式流量計において、該流体あるいは流体中の粒子
をイオン化させる第１の機構と、イオンの流れを電気的
に捉える第２の機構とを少なくとも有し、第１の機構お
よび第２の機構の少なくとも一つは、フォトリソグラフ
ィーを利用して製作されたものであることを特徴とす
る。

【０００９】上記フォトリソグラフィーは、シリコン基
板あるいはガラス基板を用いて行われるものであっても
よい。

【００１０】第１の機構は、コロナ放電を用いることが
好ましい。

【００１１】第１の機構は、先鋭形状を有する薄膜、あ
るいはエッチング除去加工または蒸着法等により形成さ
れた突起構造体、すなわち自由端が突起状に形成された
コロナ電極で、コロナ放電をするものであってもよい。

【００１２】第２の機構は、コレクタ電極でイオンを捕
捉してその捕捉位置あるいは捕捉範囲を電流として検出
する機構であってもよい。

【００１３】コレクタ電極は所定の抵抗をもった電極で
あり、該コレクタ電極の複数箇所で電流を検出するもの
であってもよい。

【００１４】第２の機構は、複数のコレクタ電極を有
し、各コレクタ電極で各々電流を検出するものであって
もよい。

【００１５】コレクタ電極は金属あるいは不純物拡散を
行った半導体からなる導電薄膜であってもよい。

【００１６】コロナ電極ならびにコレクタ電極は酸化さ
れにくい金属、例えばＰｔであることが好ましい。

【００１７】第２の機構は、イオンの流れを磁石あるい
は誘導的に発生させた磁界により制御するものであって
もよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態例＞本発明にも
とづくイオンドリフト式流量計の一例を、図１を参照し
ながら説明する。図１の（ａ）はイオンドリフト式流量
計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のI-I'線に沿う模式
的断面図であり、図中の参照符号２はイオンドリフト式
流量計を示す。また、図中、破線と黒点とでイオンの流
れを示す。

【００１９】イオンドリフト式流量計２は、基板２０上
に短冊状に形成され、一端が先鋭状となった一端（以
下、単に先端ともいう）とパッド２３を介して外部電源
（不図示）に接続する他端とを有するコロナ電極２１
と、互いに対向し、かつそれぞれがパッド２４ａ，２４
ｂに接続され電流検出手段を介して接地される２つのコ
レクタ電極２２ａ，２２ｂとから構成される。

【００２０】つぎに、上記構成からなるイオンドリフト
式流量計の動作について説明する。このイオンドリフト
式流量計を、図１（ａ）に示すように矢印Ａ方向から流
れる空気流の中に置く。コロナ電極２１に適当な電圧を
印加するとコレクタ電極２２ａ，２２ｂとの間に不平等
電界が形成され、コロナ電極２１の先端でコロナ放電が
発生し、イオンドリフト式流量計上を通過する流体ある
いは流体中の粒子がイオン化される。イオン化された流
体分子はコレクタ電極２２ａ，２２ｂにドリフトする。
このとき流体の流れに応じて、イオンは上流側のコレク
タ電極２２ａに比し下流側２２ｂにより多く到達し、電
流Ｉ_a に比し電流Ｉ_b が増加するので、この比を取るこ
とで流速あるいは流量を検出することができる。

【００２１】なお、上記基板２０は、例えばガラス基板
あるいはシリコン基板上に絶縁層を形成したものとする
ことができる。電極２１，２２ａ，２２ｂはフォトリソ
グラフィを用いて形成した金属などの導電性薄膜、ある
いは不純物拡散を行ったシリコンなどである。またコロ
ナ放電により電極表面が酸化されるような場合、Ｐｔな
ど耐酸化性の金属材料を用いることが有効である。さら
に電極パッド２３，２４ａ，２４ｂはボンディングが可
能な金属薄膜が適当であり、フォトリソグラフィにより
形成することができる。

【００２２】また必要に応じて、磁石あるいは誘導によ
り発生させた磁束Ｂを、図１（ｂ）のようにコロナ電極
２１とコレクタ電極２２ａ，２２ｂの間にイオンの流れ
（図中、破線で示す）と交差するよう通せば、電界が曲
がりイオンの流れを基板からより浮き上がらせ、流体の
流れを捉え易くなる。また同時にコレクタ電極２２ａ，
２２ｂ側でのエッジへの電界集中度を緩和させることが
できるので、より電界の不平等性が高まりコロナ放電の
安定化に繋がる。

【００２３】以上のように基板上にフォトリソグラフィ
を用いてイオンドリフト式流量計を形成すれば、微小サ
イズのイオンドリフト式流量計を得ることができるの
で、測定対象における空間的な制約を受けずに流量の計
測を行うことが出来る。また電極間のギャップも短くで
きるので、電界を高め従来に比し印加電圧を低減させ、
電源部分のコストを抑えることができる。製作にはフォ
トリソグラフィによるバッチプロセスを用いるので、量
産効果により製作コストを低減させることができる。さ
らに、組み立て不要で高精度の加工が可能となるので、
電極の寸法、位置精度を高め、比較的容易に流量検知精
度を高めることができる。

【００２４】＜第２の実施形態例＞本発明にもとづくイ
オンドリフト式流量計の第２の実施形態例を、図２を参
照しながら説明する。図２の（ａ）はイオンドリフト式
流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII-II'線に沿
う模式的断面図であり、図中の参照符号３はイオンドリ
フト式流量計を示す。図中、破線と黒点とでイオンの流
れを示す。また、矢印Ａは、流体の流れる方向を示す。

【００２５】イオンドリフト式流量計３は、基板３０の
中央に立設し、かつ円錐状に形成されたコロナ電極３１
と、上記コロナ電極３１の周面と所定の間隔で離間する
ように弧状に切欠された一端が互いに対向するようにし
て、基板３０上に絶縁層３３を介して配された２枚のコ
レクタ電極３２ａ，３２ｂとから構成される。円錐形状
のコロナ電極３１は、例えばシリコンのエッチング加
工、金属の蒸着加工などにより形成することができる。
コロナ電極３１に電圧を印加し、コレクタ電極３２ａ，
３２ｂを接地すれば、コロナ電極３１とコレクタ電極３
２ａ，３２ｂの間にイオン流が形成され、第一実施例と
同様の原理、効果の下に流速あるいは流量を測定するこ
とができる。

【００２６】＜第３の実施形態例＞本発明にもとづくイ
オンドリフト式流量計の第３の実施形態例を、図３を参
照しながら説明する。図３の（ａ）はイオンドリフト式
流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII-II'線に沿
う模式的断面図であり、図中の参照符号４はイオンドリ
フト式流量計を示す。図中、破線と黒点とでイオンの流
れを示す。また、矢印Ａは、流体の流れる方向を示す。

【００２７】イオンドリフト式流量計４は、基板４０
と、該基板の一端部側に積層されたスペーサ部材４１
と、該スペーサ部材４１上に一端部側が置かれ、かつ他
端部側がスペーサ部材４１から先細りとなって突出した
ビーム部材４２と、スペーサ部材４１とビーム部材４２
との間に設けられ、上記ビーム部材４２の突出した部分
に沿って設けられたコロナ電極４３とから構成される。

【００２８】基板４０、スペーサ部材４１、およびビー
ム部材４２は、例えばガラス、シリコン等の基板からな
るものとし、適当な接合方法により積層することができ
る。基板４０には、上記スペーサ部材４１が積層された
一端部側とは反対側の部分に、２枚のコレクタ電極４５
ａ，４５ｂが配されている。これらのコレクタ電極４５
ａ，４５ｂは矩形状をなし、また互いの一端部が２段階
に先細りとなったコロナ電極４３の自由端の延長線方向
に沿って平行に離間して配されている。コロナ電極４３
に電圧を印加しコレクタ電極４５ａ，４５ｂを接地すれ
ば、イオン流がコロナ電極４３とコレクタ電極４５ａ，
４５ｂの間にイオン流が形成され、第１実施例と同様の
原理、効果の下に流体の流速あるいは流量を測定するこ
とができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
イオンドリフト式流量計は、流体あるいは流体中の粒子
をイオン化させ、該イオンの流れを電気的に捉えること
により、該流体の流速あるいは流量を検出するイオンド
リフト式流量計において、該流体あるいは流体中の粒子
をイオン化させる第１の機構と、イオンの流れを電気的
に捉える第２の機構とを少なくとも有し、第１の機構お
よび第２の機構の少なくとも一つは、フォトリソグラフ
ィーを利用して製作されたものであることを特徴とする
ものなので、従来のものに比べて、微小サイズのイオン
ドリフト式流量計を得ることが可能となり、測定対象に
おける空間的な制約を受けずに流量の計測を行うことが
でき、また電極間のギャップも短くできるので、電界を
高め従来に比し印加電圧を低減させ、電源部分のコスト
を抑えることができ、さらに製作にはフォトリソグラフ
ィによるバッチプロセスを用いることが可能となるた
め、量産効果により製作コストを低減させることがで
き、組み立て不要で高精度の加工が可能となることか
ら、電極の寸法および位置精度を高め、比較的容易に流
量検知精度を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第
１の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオン
ドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のI-
I'線に沿う模式的断面図である。

【図２】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第
２の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオン
ドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII
-II'線に沿う模式的断面図である。

【図３】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第
３の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオン
ドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII
I-III'線に沿う模式的断面図である。

【図４】従来のイオンドリフト式流量計を説明するため
の模式図である。

【符号の説明】

２ イオンドリフト式流量計 ３ イオンドリフト式流量計 ４ イオンドリフト式流量計 ２０ 基板 ２１ コロナ電極 ２２ａ，２２ｂ コレクタ電極 ２３，２４ａ，２４ｂ 電極パッド ３０ 基板 ３１ コロナ電極 ３２ａ，３２ｂ コレクタ電極 ３３ 絶縁層 ４０ 基板 ４１ スペーサ部材 ４２ ビーム部材 ４３ コロナ電極 ４５ａ，４５ｂ コレクタ電極

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体あるいは流体中の粒子をイオン化さ
   せ、該イオンの流れを電気的に捉えることにより、該流
   体の流速あるいは流量を検出するイオンドリフト式流量
   計において、 該流体あるいは流体中の粒子をイオン化させる第１の機
   構と、 イオンの流れを電気的に捉える第２の機構とを少なくと
   も有し、 前記第１の機構および前記第２の機構の少なくとも一つ
   は、フォトリソグラフィーを利用して製作されたもので
   あることを特徴とするイオンドリフト式流量計。
2. 【請求項２】 前記フォトリソグラフィーは、シリコン
   基板あるいはガラス基板を用いて行われることを特徴と
   する請求項１に記載のイオンドリフト式流量計。
3. 【請求項３】 前記第１の機構は、コロナ放電を用いる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のイオンドリ
   フト式流量計。
4. 【請求項４】 前記第１の機構は、自由端が突起状に形
   成されたコロナ電極によってコロナ放電をするものであ
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に
   記載のイオンドリフト式流量計。
5. 【請求項５】 前記第２の機構は、コレクタ電極でイオ
   ンを捕捉してその捕捉位置あるいは捕捉範囲を電流とし
   て検出する機構であることを特徴とする請求項１に記載
   のイオンドリフト式流量計。
6. 【請求項６】 前記コレクタ電極は所定の抵抗をもった
   電極であり、該コレクタ電極の複数箇所で前記電流を検
   出することを特徴とする請求項５に記載のイオンドリフ
   ト式流量計。
7. 【請求項７】 前記第２の機構は、複数のコレクタ電極
   を有し、各コレクタ電極で各々電流を検出することを特
   徴とする請求項５に記載のイオンドリフト式流量計。
8. 【請求項８】 前記コレクタ電極は金属あるいは不純物
   拡散を行った半導体からなる導電薄膜であることを特徴
   とする請求項５ないし７のいずれか一項に記載のイオン
   ドリフト式流量計。
9. 【請求項９】 前記コロナ電極はＰｔであることを特徴
   とする請求項４に記載のイオンドリフト式流量計。
10. 【請求項１０】 前記コレクタ電極はＰｔであることを
    特徴とする請求項５ないし８のいずれか一項に記載のイ
    オンドリフト式流量計。
11. 【請求項１１】 前記第２の機構は、イオンの流れを磁
    石あるいは誘導的に発生させた磁界により制御すること
    を特徴とする請求項１に記載のイオンドリフト式流量
    計。