JP2002214014A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスや空気等の流体の流量を測定するため
に、流通通路の上流側と下流側に設けられた測温抵抗エ
レメントの加熱時における温度差を測定して流量を求め
る、流量測定装置における測温抵抗エレメントの長さ方
向の温度分布の均一化を図り、温度差の安定化を図り、
高精度の流量測定を行う流量測定装置を提供する。 【解決手段】 流体流れ方向（Ｘ方向）と交差して基台
の空間部２上の薄膜層３上にパターン形成された上流側
及び下流側の測温抵抗エレメント４ａ及び４ｂの長さ方
向に沿って、外部導通用電極部６の一部を兼ねる擬似抵
抗体１を設ける。この擬似抵抗体１側に測温抵抗エレメ
ントの熱が伝播され、結果として、測温抵抗エレメント
の長さ方向の温度分布の均一化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ガス流量
計におけるガス流路や自動車のエンジンの空間吸入路等
の流路内に配置され、流路内を流れるガスや空気量の流
量を測定する、例えば半導体部材を用いた、比較的小形
の流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流路内を流れるガスや空気等の流量を測
定する手段として各種のものがあるが、数ミリメートル
の比較的小形で、取付けスペース等を必要としない、か
つ安価なものとして半導体部材を用いた流量測定装置が
ある。図１０，図１１はその一例を示すものであり、図
１３は特開平９−８９６１９号公報に開示されるもので
ある。また、本発明において使用される擬似抵抗体を用
いた公知技術として特開平１０−２５３４１４号公報に
開示する公知技術がある。

【０００３】図１０，図１１に示す流量測定装置１００
Ａは、空間部２を有する基台５の表面に薄膜層３を被着
し、空間部２のある薄膜層３の部分に流路内の流体の流
れ方向（Ｘ方向）に交差（直交）して上流側及び下流側
に測温抵抗エレメント４ａ−１，４ｂ−１を設けたもの
である。この測温抵抗エレメント４ａ−１，４ｂ−１は
外部導通用電極部６−１に連結される。また、薄膜層３
の空間部２を外れたコーナ側には流体温度測温体７が配
設される。

【０００４】図１３に示す特開平９−８９６１９号公報
の「感熱式流量計」１００Ｂは前記と同じく薄膜層３の
下方に空間部２を設け、空間部２の中央部に薄膜層から
なる橋１０，１１を流れ方向（Ｘ方向）と交差する上流
側及び下流側に設け、この上に発熱体４ａ−２，４ｂ−
２及び図略の発熱体温度測温体を設けたものである。な
お、基台上に被着されている薄膜層３のコーナの部分に
は流体温度測温体１２が配置される。また、発熱体４ａ
−２，４ｂ−２は電極部１３に連結される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した図１
０，図１１の流量測定装置１００Ａや図１３の感熱式流
量計１００Ｂによる流体の流量測定は次のようにして行
われる。即ち、測温抵抗エレメント４ａ−１，４ｂ−１
や発熱体１０，１１が適温に加熱されている状態でＸ方
向から流体が流れると、上流側の測温抵抗エレメント４
ａ−１や発熱体１０は流れによって冷却され降温する
が、下流側の測温抵抗エレメント４ｂ−１や発熱体１１
は温度が上昇する。このため、測温抵抗エレメント４ａ
−１と４ｂ−１との間や発熱体１０と１１との間で温度
差が生じ抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を予め形
成されているホイートストンブリッジ回路等に取り込
み、抵抗値を電圧に変換することにより流体の流速及び
流量が測定される。

【０００６】然し乍ら、測温抵抗エレメント４ａ−１，
４ｂ−１や発熱体１０，１１はその長さ方向（Ｘ方向に
直交する方向）に対しほぼ同一の矩形状の形状からな
り、その温度分布は図１２に示すように中央で極端なピ
ーク値を形成する山形状のものからなる。このため、上
流側の測温抵抗エレメント４ａ−１や、発熱体１０によ
って加熱される下流側の測温抵抗エレメント４ｂ−１
や、発熱体１１の温度上昇が不均一となり、特に、その
中央部の温度が高くなり、この上昇温度値を基にしてセ
ンサの寿命を決める必要があり、このため、中央部以外
の部分の温度上昇が小さくなり、結果として上流側と下
流側との温度差の値が安定せず、高精度の流量測定がで
きない恐れがある。

【０００７】前記の公知技術の特開平１０−２５３４１
４号公報の「流量検出装置」は、以上の問題点を解消す
るため感温抵抗体（前記の測温抵抗エレメントに相当す
るもの）の長さ方向に擬似抵抗体を配置し、図１２に示
した不均一な温度上昇を低減させるようにしたものであ
る。然し乍ら、この技術では、本発明と異なり擬似抵抗
体の性質が明記されておらず、かつ開口部を形成するも
のではなく、温度上昇の均一化の手段としては不十分な
ものと思われる。

【０００８】本発明は、以上の事情に鑑みて発明された
ものであり、測温抵抗エレメントの長さ方向の温度分布
の均一化を図り、比較的簡便な手段により高精度の流量
測定を可能にする流量測定装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、請求項１の流量測定装置は、流路内に
配設される平板状の基台と、該基台の一部に凹設される
空間部を部分的に覆って前記基台の表面上に敷設される
薄膜層と、該薄膜層の表面に流体の流れ方向と交差して
上流側及び下流側にエッチング等により形成される熱伝
導性材料の測温抵抗エレメントと、該測温抵抗エレメン
トと電通し前記薄膜層上に形成される外部導通用電極部
とを有する流量測定装置であって、前記外部導通用電極
部の一部に前記測温抵抗エレメントの長さ方向に沿って
適宜間隙を介して熱伝導性材料からなる擬似抵抗体を形
成することを特徴とする。これにより、上流側の測温抵
抗エレメントと下流側の測温抵抗エレメントで発生した
熱が擬似抵抗体側と伝播され、かつ基板や外部導通用電
極部側にも伝播されるため前記したような中央部でのピ
ーク現象が緩和又はなくなり、長さ方向に均一の温度分
布を得ることができる。これにより、高精度の流量測定
ができる。

【００１０】また、請求項２の流量測定装置は、前記擬
似抵抗体の一部又は全体が、前記測温抵抗エレメントの
複数列の抵抗体パターンの長さ方向に沿う複数列の抵抗
体からなることを特徴とする。これにより、測温抵抗エ
レメントの夫々の抵抗体パターンに発生した熱が、これ
等に連設されている擬似抵抗体により効果的に伝播さ
れ、温度分布の一層の均一化が図れる。

【００１１】また、請求項３の流量測定装置は、前記擬
似抵抗体には、該擬似抵抗体に伝導された熱を前記の空
間部内に逃がす熱伝導抑制手段が形成されることを特徴
とする。これにより、擬似抵抗体に伝播された熱は熱伝
導抑制手段によって基台側に逃げる熱が抑制され、不要
なエネルギ消費を抑えることができる。

【００１２】また、請求項４の流量測定装置は、前記熱
伝導抑制手段が、前記擬似抵抗体の一部に開口形成され
る開口部であることを特徴とする。これにより、擬似抵
抗体に伝播された熱が空間部側に逃げ、基台側に逃げる
熱を一層抑制できる。

【００１３】また、請求項５の流量測定装置は、前記基
台がシリコンからなることを特徴とする。これにより、
空間部をシリコンの異方性エッチングによって基台に容
易に形成することができる。

【００１４】また、請求項６の流量測定装置は、前記測
温抵抗エレメントと前記擬似抵抗体とが同一の熱伝導性
材料からなることを特徴とする。これにより、両者を同
時にエッチング形成でき、余分な工程を追加する必要が
なく、生産性の向上が図れる。

【００１５】また、請求項７の流量測定装置は、前記同
一の熱伝導性材料が白金であることを特徴とする。白金
にすることにより、適度な抵抗温度係数を有し、温度測
定が正確に行われると共に経時安定性が向上する。

【００１６】また、請求項８の流量測定装置は、前記同
一の熱伝導性材料がシリコンであることを特徴とする。
シリコンにすることにより、不純物ドーブにより抵抗値
及び抵抗温度係数を適度の値に調整でき所望の特性のも
のを得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の流量測定装置の実
施の形態を図面を参照して詳述する。図１は本発明の流
量測定装置の１つの実施の形態を示す。図１，図２に示
すように流量測定装置１００は、図示のような空間部２
をほぼ中央に形成する基台５（図２）と、この表面に熱
的に絶縁されて被着される薄肉状の薄膜層３と、空間部
２の上方側において薄膜部３上に形成された測温抵抗エ
レメント４ａ，４ｂと、これに連結される外部導通用電
極部６と、外部導通用電極部６上にこの機能を兼ねて配
設される擬似抵抗体１等とからなる。

【００１８】基台５はシリコンからなり、図示のように
ほぼ四角形のものからなり、例えば、数ミリメートルの
大きさのものからなる。基台５の１つのコーナ側からガ
スや空気等の流体が流れ込んで基台５の表面に接触する
が、この流体の流れ方向をＸ方向とすると前記の測温抵
抗エレメント４ａ，４ｂはＸ方向と交差（本実施の形態
では直交）する方向に配設される。また、測温抵抗エレ
メント４ａは上流側に配置され、測温抵抗エレメント４
ｂは下流側に配置される。また、基台５の表面上のコー
ナの位置には流体温度測温体７が設けられている。ま
た、外部導通用電極部６には測温抵抗エレメント４ａ，
４ｂに電流を送る駆動制御部９が連結される。

【００１９】図１及び図３に示すように、本実施の形態
における擬似抵抗体１は四角状のものからなる。また、
その材料は測温抵抗エレメント４ａ，４ｂと同一のもの
からなり、同時にエッチング形成される。なお、その材
質としては例えば、白金又はシリコンが用いられるがこ
れに限定するものではない。

【００２０】次に、この流量測定装置１００の作用を説
明する。測温抵抗エレメント４ａ，４ｂは駆動制御部９
により適温に加熱される。この測温抵抗エレメント４
ａ，４ｂに流体が触れると、上流側の測温抵抗エレメン
ト４ａは冷却されるが、下流側の測温抵抗エレメント４
ｂは上流側の測温抵抗エレメント４ａから流体が吸収し
た熱により加熱されて高温となる。従って、両者の間に
は温度差が生ずる。然し乍ら、本実施の形態では測温抵
抗エレメント４ａ，４ｂの夫々の両端側に擬似抵抗体
１，１が配設されているため測温抵抗エレメント４ａ，
４ｂで発生した熱は擬似抵抗体１，１側に伝播される。
これにより、夫々の測温抵抗エレメント４ａ，４ｂの抵
抗体パターンの長さ方向の温度分布は均一のものにな
る。図８はこの状態を示したものであり、図１２に示し
た従来のものの温度分布と比較すると均一化の効果が著
しく向上していることがわかる。

【００２１】図３の擬似抵抗体１は四角状のものからな
るが、図４に示す擬似抵抗体１ａは測温抵抗エレメント
４ａ，４ｂの抵抗体パターンと同一方向に伸延する複数
本のものからなる。これにより、擬似抵抗体１ａ側に測
温抵抗エレメント４ａ，４ｂ側からより効果的に熱が伝
播され、温度分布の均一化がより向上する。また、図５
は図３と図４に示した擬似抵抗体１，１ａを連設したも
のであり、前記のものとほぼ同様の効果を上げることが
できる。

【００２２】図６の流量測定装置１００は図３に示す擬
似抵抗体１に開口部８を設けた擬似抵抗体１ｂを有する
ものである。この開口部８は基台５に形成されている空
間部２に連通する。また、図７の流量測定装置１００
は、図５に示した擬似抵抗体１，１ａの１つに開口部８
を設けたものである。開口部８を空間部２に連通させる
ことにより擬似抵抗体１，１ａに伝播された熱の基台５
側への伝播を抑制し、エネルギ消費を抑えることができ
る。

【００２３】以上の説明では基台１の一部に空間部２を
設けてその上に形成した薄膜層３に測温抵抗エレメント
４ａ，４ｂ等をマイクロブリッジ構造にした場合につい
て説明したが、この構造に限定されるものではなく、例
えば、図９に示すようなダイヤフラム構造の流量測定装
置１００ｃにも適用され、同様の効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】１）本発明の請求項１の流量測定装置に
よれば、流体の流れ方向と交差して形成された測温抵抗
エレメントの抵抗体パターンの長さ方向の温度分布がほ
ぼ均一になるため、測温抵抗エレメントで発生した熱が
流体の流れによって効率よく下流側の測温抵抗エレメン
トに伝えられ、両者の温度差の確実性が得られる。これ
により、正確な流量測定ができると共にその寿命の向上
が図れる。また、擬似抵抗体が外部導通用電極部を兼ね
るため外部導通用電極部の抵抗値を低くでき、不要のエ
ネルギ消費を抑えることができる。

【００２５】２）本発明の請求項２の流量測定装置によ
れば、擬似抵抗体を測温抵抗エレメントの夫々の抵抗体
パターンの長さ方向に沿って複数列設けるため、配線パ
ターンの疎密度を抵抗体パターンの中間部と両端側で均
一化できると共に、測温抵抗エレメントの抵抗体パター
ンをエッチング処理によりその全長にわたって安定形成
できる。また、熱の伝播効率がより向上し、一層均一の
温度分布が得られ、高精度の流量測定が可能になる。

【００２６】３）本発明の請求項３の流量測定装置によ
れば、擬似抵抗体に熱伝導抑制手段を設けるため、発生
した熱が基台側に逃げることを抑制でき、不要なエネル
ギ消費を抑えることができる。 ４）本発明の請求項４の流量測定装置によれば、熱伝導
抑制手段を擬似抵抗体に設けた開口部とし、これを空間
部に連通せしめる構造としたため、基台側に逃げる熱を
抑制でき、不要なエネルギ消費を抑えることができる。 ５）本発明の請求項５の流量測定装置によれば、基台を
シリコンから形成することにより、シリコンの異方性エ
ッチングを用いて空間部を容易に形成することができ
る。

【００２７】６）本発明の請求項６の流量測定装置によ
れば、測温抵抗エレメントと擬似抵抗体とを同一の熱伝
導性材料にすることにより、両者を同時に形成すること
ができ、新たな工程を追加する必要がなく作業効率の向
上が図れる。 ７）本発明の請求項７の流量測定装置によれば、熱伝導
性材料として白金を用いるため、適度な抵抗温度係数が
得られ、温度測定が正確に伝えると共に、経時安定性を
向上させることができる。 ８）本発明の請求項８の流量測定装置によれば、熱伝導
性材料としてシリコンを用いるため、不純物ドーブによ
り抵抗値及び抵抗温度係数を適度な値に容易に調整で
き、所望の機能を有する流量測定装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量測定装置の一実施の形態の全体構
造を示す平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図。

【図３】図１における測温抵抗エレメントと擬似抵抗体
との構造を示す部分平面図。

【図４】測温抵抗エレメントとこの抵抗体パターンに連
設される擬似抵抗体を示す部分平面図。

【図５】図３と図４に示した擬似抵抗体を設けた実施の
形態を示す部分平面図。

【図６】図３に示した形状の擬似抵抗体に熱伝導抑制手
段の開口部を設けた実施の形態を示す部分平面図。

【図７】図５に示した擬似抵抗体に熱伝導抑制手段の開
口部を設けた実施の形態を示す部分平面図。

【図８】本発明における測温抵抗エレメントの長さ方向
における温度分布を示す線図。

【図９】ダイヤフラム構造の測温抵抗エレメントを有す
る流量測定装置の概要構造を示す平面図。

【図１０】従来の流量測定装置の１つの概要構造を示す
平面図。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ線断面図。

【図１２】従来の流量測定装置における測温抵抗エレメ
ントの長さ方向における温度分布を示す線図。

【図１３】従来の公知流量測定装置の一例の概要構造を
示す平面図。

【符号の説明】

１ 擬似抵抗体 １ａ 擬似抵抗体 １ｂ 擬似抵抗体 ２ 空間部 ３ 薄膜層 ４ａ 測温抵抗エレメント ４ｂ 測温抵抗エレメント ５ 基台 ６ 外部導通用電極部 ７ 流体温度測温体 ８ 開口部 ９ 駆動制御部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路内に配設される平板状の基台と、該
   基台の一部に凹設される空間部を部分的に覆って前記基
   台の表面上に敷設される薄膜層と、該薄膜層の表面に流
   体の流れ方向と交差して上流側及び下流側にエッチング
   等により形成される熱伝導性材料の測温抵抗エレメント
   と、該測温抵抗エレメントと電通し前記薄膜層上に形成
   される外部導通用電極部とを有する流量測定装置であっ
   て、前記外部導通用電極部の一部に前記測温抵抗エレメ
   ントの長さ方向に沿って適宜間隙を介して熱伝導性材料
   からなる擬似抵抗体を形成することを特徴とする流量測
   定装置。
2. 【請求項２】 前記擬似抵抗体は、その一部又は全体が
   前記測温抵抗エレメントの複数列の抵抗体パターンの長
   さ方向に沿う複数列の抵抗体からなることを特徴とする
   請求項１に記載の流量測定装置。
3. 【請求項３】 前記擬似抵抗体には、該擬似抵抗体に伝
   導された熱を前記の空間部内に逃がす熱伝導抑制手段が
   形成されることを特徴とする請求項１に記載の流量測定
   装置。
4. 【請求項４】 前記熱伝導抑制手段が、前記擬似抵抗体
   の一部に開口形成される開口部であることを特徴とする
   請求項３に記載の流量測定装置。
5. 【請求項５】 前記基台がシリコンからなることを特徴
   とする請求項１に記載の流量測定装置。
6. 【請求項６】 前記測温抵抗エレメントと前記擬似抵抗
   体とが同一の熱伝導性材料からなることを特徴とする請
   求項１に記載の流量測定装置。
7. 【請求項７】 前記同一の熱伝導性材料が白金であるこ
   とを特徴とする請求項６に記載の流量測定装置。
8. 【請求項８】 前記同一の熱伝導性材料がシリコンであ
   ることを特徴とする請求項６に記載の流量測定装置。