JP2007248221A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度の変化に拘わることなく、しかもゼロ点ドリフトを抑えて微少な流量を確実に検出することのできる熱式流量計を提供する。
【解決手段】肉薄ダイヤフラムおよびこの肉薄ダイヤフラムを空中に支持した基体部を備え、基体部に第１のヒータを設け、薄膜部に第２のヒータを設けたセンサチップを、熱絶縁して支持して雰囲気ガスの流路に位置付ける。そして第１のヒータを前記雰囲気ガスの温度よりも高い第１の一定温度で発熱駆動すると共に、第２のヒータを前記第１のヒータの発熱温度よりも高い第２の一定温度で発熱駆動し、このときの第２のヒータの駆動電気信号、例えば駆動電力、印加電圧および通電電流の少なくとも１つを前記雰囲気ガスの流量信号として求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、気体の通流空間におけるヒータから発せられた熱の移動現象から上記気体の流量を計測する熱式流量計に関する。

気体の通流空間に設けられて、ヒータから発せられた熱の移動現象や温度分布から上記気体の流量を計測する熱式流量計として、従来より種々のタイプのものが提唱されている（例えば特許文献１,２を参照）。これらの熱式流量計の多くは、例えば温度センサを用いてその周囲温度を検出し、ヒータの発熱温度（ヒータ温度）を上記周囲温度から一定温度だけ高くなるように制御したり、或いは周囲温度に関係なくそのヒータ温度を一定化制御するようにしている。また周囲温度に応じてヒータ温度を上昇させるための温度閾値を変更することも提唱されている。

またこの種の熱式流量計において、外部環境の温度変化に起因する熱的影響を除去して計測精度を高めるべく、ピン等の熱絶縁体（台座）を介して流量センサを支持することも提唱されている（例えば特許文献３を参照）。
特開２００４−８５４９０号公報 特開２００３−３１５１２８号公報 特開２００２−２９６０８８号公報

しかしながら従来の熱式流量計においては、例えば計測対象とする流体（気体）の温度が、その配管系等の周囲温度によって変化した場合、流量計のゼロ点がドリフトしたり、その感度が変化する等の不具合があった。ちなみにゼロ点がドリフトするとその最低流量検出レベルに制限が加わり、例えば配管系の漏れに起因する微少な流量を検出することが困難となると言う問題が生じる。また感度変化に対しては、専ら、周囲温度センサ等を用いて温度特性を補正するようにしている。しかし温度特性自体が流体の種類によって変化するので、流体の種類に応じてその都度、補正係数等を調整しなければならないと言う問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、周囲温度の変化に拘わることなく流体の流量を精度良く計測することができ、しかもゼロ点のドリフトを抑えて微少な流量を確実に検出することのできる熱式流量計を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、
<ａ> 基体部に形成された凹部を橋架して設けられて、その両面を外気に開放した薄膜部を有するセンサチップと、
<ｂ> このセンサチップの前記基体部に設けられた第１のヒータおよび前記薄膜部に設けられた第２のヒータと、
<ｃ> 前記センサチップをその支持体から熱絶縁して該センサチップを前記雰囲気ガスの流路に位置付ける熱絶縁性の台座と、
<ｄ> 前記第１のヒータを前記雰囲気ガスの温度よりも高い第１の一定温度で発熱駆動する第１の電源と、
<ｅ> 前記第２のヒータを前記第１のヒータの発熱温度よりも高い第２の一定温度で発熱駆動する第２の電源と、
<ｆ> 前記第２のヒータの駆動電気信号、例えば駆動電力、印加電圧および通電電流の少なくとも１つを前記雰囲気ガスの流量信号として出力する出力回路と
を備えたことを特徴としている。

好ましくは前記第１および第２の電源は、それぞれその発熱駆動対象とする前記第１または第２のヒータを１つのブリッジ辺とする抵抗ブリッジ回路のブリッジ間電圧に応じて上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御して前記第１および第２のヒータの抵抗値をそれぞれ一定化するものとして構成される。また前記センサチップについては、前記基体部に熱結合され、且つ前記薄膜部に対峙させて設けられて、前記薄膜部に沿う前記雰囲気ガスの通流路を形成した流路構造体を備えることが好ましい。尚、前記センサチップおよび前記流路構造体は、それぞれ熱伝導性の高い半導体、例えばシリコン等を用いて実現され、また前記熱絶縁性の台座は、ガラスやセラミック等を用いて実現される。

また本発明に係る別の熱式流量計は、上述した構成の熱式流量計に加えて、更に前記センサチップの薄膜部上に前記第２のヒータを間にして雰囲気ガスの通流方向に並べて設けられた第１および第２の温度センサと、これらの第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度を、例えばその温度差を前記雰囲気ガスの流量信号として出力する第２の出力回路とを備えることを特徴としている。

この場合、好ましくは前記第２の出力回路としては、例えば前記第２のヒータが発熱駆動されているときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度と、前記第２のヒータの発熱駆動を停止させたときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度との差を出力するものとして構成するようにすれば良い。
また本発明の別の態様は、前記第２のヒータとして流体の通流方向に並べて設けられた２つの発熱抵抗体、具体的には上述した第１および第２の温度センサに相当する発熱抵抗体を備え、前記第２の電源としては、これらの２つの発熱抵抗体をそれぞれ独立に一定温度で発熱駆動するものとして実現される。この場合、前記出力回路は前記２つの発熱抵抗体を個別に発熱駆動する駆動電気信号の差を前記雰囲気ガスの流量信号として出力するように構成される。

上述した如く構成された熱式流量計によれば、第１のヒータによってセンサチップ全体が第１の温度に一定化制御されるので、配管系に導かれた雰囲気ガスの温度に拘わりなく、前記センサチップの周囲近傍における上記雰囲気ガスの温度を上記第１の温度に一定化することができる。その上で、第２のヒータが上記第１の温度よりも高い第２の温度に一定化制御されるので、この第２のヒータの近傍においては、雰囲気ガスとの間で常に一定の条件で熱の移動が生じることになる。この結果、配管系に導かれた雰囲気ガスの温度が変化しても、第２のヒータの近傍における熱の移動条件が一定なので熱式流量センサのゼロ点変動が生じることがなくなる。従って常に安定にその流量計測を精度良く行うことが可能となる。またゼロ点変動がないので、配管系の漏れ等に起因する微少な流量を確実に検出することが可能となる。

またセンサチップが前述した流路構造体を備えれば、この流路構造体によってセンサチップとその周囲近傍を外部環境から熱的に隔離することができるので、その流路を通流する雰囲気ガスの温度を安定的に第１の温度に一定化することが可能となる。この結果、配管系に導かれた雰囲気ガスの温度変化に拘わることなく、そのゼロ点と検出感度を一定に保って高精度な流量検出を行うことが可能となる。しかもその計測範囲を広くし、雰囲気ガスの通流方向に拘わりなく流量検出を行うことが可能となる。

更に前記第２のヒータを挟んで流体の通流方向に第１および第２の温度センサを備えた熱式流量計によれば、雰囲気ガスの温度が変化しても第２のヒータの近傍における温度分布が変化することがないので、第１および第２の温度センサの抵抗温度係数が異なる場合であっても、そのゼロ点が変化することがない。従って上述した構造の熱式流量センサと同様に微少な流量であっても、これを確実に検出することができる。また流体の振動（流速の揺らぎ）が生じても、これを平均化して検出することができるので、上述した微少な流量を確実に検出することができる。

更には第２のヒータが発熱駆動されているときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度と、第２のヒータの発熱駆動を停止させたときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度との差を雰囲気ガスの流量信号として出力するようにすれば、出力回路自体の温度に起因するドリフトを除去することが可能となる。この結果、前述した流路構造体を設けたことによる効果と相俟って、更にゼロ点のドリフトを確実に抑えることが可能となる。

更には前記第２のヒータが、流体の通流方向に並べて設けられた２つの発熱抵抗体からなるときには、これらの２つの発熱抵抗体をそれぞれ独立に一定温度で発熱駆動するように前記第２の電源を構成すれば良い。この場合、流体の流量に応じて上記２つの発熱抵抗体と流体との熱的平衡条件が変化するので、前記２つの発熱抵抗体を個別に発熱駆動する駆動電気信号の差を前記雰囲気ガスの流量信号として求めることで、上述した構成の熱式流量センサと同様にその検出感度を一定に保って高精度な流量検出を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱式流量計について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る熱式流量計で用いられるセンサチップ１の概略構成を示している。このセンサチップ１は、例えば厚み０.５ｍｍで縦横の寸法がそれぞれ１.５ｍｍ程度のシリコン製のものからなり、その基体１ａの上面の略中央部にＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いて舟形凹状のキャビティ（凹部）１ｂを形成すると共に、このキャビティ１ｂを架橋して薄膜ダイヤフラム（薄膜部）１ｃを形成した構造を有する。またこの薄膜ダイヤフラム１ｃには、その中央領域を除いて多数の透孔１ｄが設けられており、これらの透孔１ｄを介して上記薄膜ダイヤフラム１ｃの両面が外気に開放されている。そして白金等からなる微小な発熱抵抗体である第１のヒータ（Ｒr）２は、センサチップ１におけるキャビティ１ｂの周辺の基台部１ａ上に形成されており、また同様な発熱抵抗体である第２のヒータ３は前記ダイヤフラム１ｃ上に形成されている。

更に上記ダイヤフラム１ｃ上には、流体の通流方向Ｆに第２のヒータ（Ｒh）３を挟んで一対の温度センサＲu,Ｒdが形成されている。これらの一対の温度センサＲu,Ｒdも白金等の発熱抵抗体からなる。このような構造のセンサチップ１は、図２にその概略的な断面構造を示すように、第２のヒータ（Ｒh）３および一対の温度センサＲu,Ｒdを薄膜のダイヤフラム１ｃ上に形成することで実質的に空中に浮かした状態で支持し、ダイヤフラム１ｃの両面（表裏面）に沿って通流する雰囲気ガスに接するようになっている。

また上述したセンサチップ１は、例えばガラス製またはセラミック製等の熱絶縁性の台座（熱絶縁体）４を介して雰囲気ガス中に支持されている。この台座４は、例えばセンサチップ１の四隅をそれぞれ支持する４つの脚部を有して該センサチップ１を空中に浮かして保持する、いわゆる逆テーブル型のものからなる。このような台座（熱絶縁体）４を介してセンサチップ１を支持し、ガス配管内等における雰囲気ガス中に位置付けることで、センサチップ１は外部から熱的に遮断されて周囲温度等の影響が及ぶことがないようになってい。

ちなみに熱絶縁性の台座（熱絶縁体）４としては、本出願人が先に提唱した、例えば特許第３７４００２６号公報、特許第３７４００２７号公報、特開２００２−２９６８８号公報、特開２００２−３１８１４８号公報、特開２００２−３１８１４９号公報等にそれぞれ記載されている技術を適宜採用したものであれば、この発明において望む断熱効果が得られる。またセンサチップ１を保持する台座４としては、好ましくは熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の部材が望ましい。このような部材としては、例えば多孔性部材などがある。熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となると、センサチップ１全体を第１の温度に一定化制御するために必要となる電流が大きくなるので、容量の大きい電源を準備することが必要となり実用的ではない。従ってセンサチップ１を保持する台座４としては、上述したように熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の部材が望ましい。

本発明に係る熱式流量計は、例えば上述した構造のセンサチップ１を用いて構築されるものであって、特にセンサチップ１の基台部１ａに設けられた第１のヒータ２の発熱温度を雰囲気ガスの温度よりも高い第１の温度Ｔh1に一定化制御すると共に、薄膜部１ｃに設けられた第２のヒータ３の発熱温度を前記第１のヒータ２の発熱温度Ｔh1よりも更に高い第２の発熱温度Ｔh2（＞Ｔh1）に一定化制御し、この状態において前記第２のヒータ３の駆動電気量、具体的にはその放熱係数Ｃ、駆動電力Ｐh、駆動電圧Ｖh、または通電電流Ｉhを前記雰囲気ガスの流量信号として出力することを特徴としている。

尚、センサチップ１が上述したように第２のヒータ３を挟んで一対の温度センサＲu,Ｒdを備えている場合には、これらの温度センサＲu,Ｒdによりそれぞれ検出される温度から、特にその温度差を前記雰囲気ガスの流量信号として出力することも勿論可能である。上記温度センサＲu,Ｒdは、例えば温度に応じて電気抵抗値が変化する温度センサ、或いは温度に応じて起電力が生じる温度センサ等である。

また上記一対の温度センサＲu,Ｒdを前述した第２のヒータと看做し、これらの温度センサＲu,Ｒdの各発熱温度を前記第１のヒータ２の発熱温度Ｔh1よりも更に高い第２の発熱温度Ｔh2にそれぞれ一定化制御し、この状態において前記各温度センサＲu,Ｒdの駆動電気量の差、具体的にはその放熱係数Ｃ、駆動電力Ｐh、駆動電圧Ｖh、または通電電流Ｉhの差を前記雰囲気ガスの流量信号として出力するようにしても良い。

即ち、本発明は概念的には図３(ａ)(ｂ)(ｃ)にそれぞれ示すように、センサチップ１の基体部１ａに設けられた第１のヒータ２と、薄膜部１ｃに設けられた第２のヒータ３とをそれぞれ一定の温度Ｔh1,Ｔh2に発熱駆動し、そのときの第２のヒータ３の駆動電気量を求めたり［図３(ａ)］、または前記第１および第２のヒータ２,３の上述した発熱駆動条件下において一対の温度センサＲu,Ｒdにより検出される温度差を求めたり［図３(ｂ)］、或いは更に一対の温度センサＲu,Ｒdをそれぞれ一定の温度Ｔh2に発熱駆動し、そのときの温度センサＲu,Ｒdの駆動電気量の差を求める［図３(ｃ)］ことで、雰囲気ガスの流量Ｑを検出するように構成される。

図４は、第２のヒータ３の駆動電気量から流量を求める本発明の第１の実施形態を示す概略的なブロック構成図である。この熱式流量計は、前述した第１および第２のヒータ２,３をそれぞれ一定抵抗駆動してその発熱温度Ｔh1,Ｔh2に一定化制御するヒータ電源５Ａ,５Ｂを備える。そして第１および第２のヒータ２,３の上記駆動条件下において第２のヒータ３の駆動電力Ｐhを検出し（出力手段）、例えばこの駆動電力Ｐhから第２のヒータ３の放熱係数Ｃを求めるように構成される（放熱係数算出手段１１）。そして予め求められて流量テーブル１２に登録されている放熱係数Ｃと流量Ｑとの関係（Ｃ-Ｑ特性）に従って、上記放熱係数Ｃに相当する流量Ｑを求めるように構成される（流量算出手段１３）。

尚、第２のヒータ３の駆動電力Ｐhを検出することに代えて、第２のヒータ３に対する印加電圧Ｖhやその通電電流Ｉhを検出し、これらの印加電圧Ｖhや通電電流Ｉhに基づいて第２のヒータ３の流量Ｑを求めることも勿論可能である。また流量テーブル１２にヒータの駆動電力Ｐhと流量Ｑとの関係を直接記述しておくことも勿論可能である。更にはテーブル１２に登録する上記特性は、計測対象とする雰囲気ガスの種類に応じて予め求めたものであることは言うまでもない。

ちなみに上記第１および第２の温度Ｔh1,Ｔh2は、例えば６０℃および１２０℃としてそれぞれ設定される。上記第１および第２のヒータ２,３の発熱温度を上述したように一定化制御するヒータ電源５Ａ,５Ｂは、例えば図５に示すように、それぞれその発熱制御対象である前記第１または第２のヒータ（発熱抵抗体）２,３を１つのブリッジ辺とし、抵抗値が既知の３つの固定抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3を他のブリッジ辺として構築された抵抗ブリッジ回路５ａと、この抵抗ブリッジ回路５ａのブリッジ電圧Ｖ2に応じて上記抵抗ブリッジ回路５ａに加える駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御する電圧制御回路５ｂとを備えて構成される。

即ち、ヒータ駆動電源５Ａは、抵抗値が既知の固定抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3と抵抗値がＲrの第１のヒータ２とを用いた抵抗ブリッジ回路５ａのブリッジ電圧Ｖ2a,Ｖ2bを差動増幅器（電圧制御回路）５ｂに入力し、第１のヒータ２側のブリッジ電圧Ｖ2aが常に固定抵抗Ｒ2,Ｒ3側のブリッジ電圧Ｖ2bとなるように、そのブリッジ駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御することで、前記ヒータ２の抵抗値Ｒrを一定化するように構成される。従って前述したヒータ２の抵抗値Ｒrとその発熱温度（ヒータ温度）との関係に従って予め上記固定抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3の各抵抗値をそれぞれ選定することにより、第１のヒータ２の発熱温度（ヒータ温度）を６０℃（第１の温度Ｔh1）に一定化制御することが可能となる。

同様にヒータ駆動電源５Ｂは、抵抗値が既知の固定抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3と抵抗値がＲhの第２のヒータ３とを用いた抵抗ブリッジ回路５ａのブリッジ電圧Ｖ2a,Ｖ2bを差動増幅器（電圧制御回路）５ｂに入力し、第１のヒータ２側のブリッジ電圧Ｖ2aが常に固定抵抗Ｒ2,Ｒ3側のブリッジ電圧Ｖ2bとなるように、そのブリッジ駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御することで、前記ヒータ３の抵抗値Ｒhを一定化するように構成される。これによって第２のヒータ３の発熱温度（ヒータ温度）が１２０℃（第２の温度Ｔh2）に一定化制御される。

尚、このとき、第２のヒータ３に流れる電流Ｉhは、
Ｉh＝（Ｖ1−Ｖ2a）÷Ｒ1
となる。またヒータ３側のブリッジ電圧Ｖ2aは
Ｖ2a＝Ｖ2b＝Ｖ1・Ｒ3／（Ｒ2＋Ｒ3）
として与えられる。そしてこのときにヒータ３に加えられる電力Ｐhは
Ｐh＝Ｉh・Ｖ2a
として求めることができる。更にはヒータ抵抗Ｒhは前述したように
Ｒh＝Ｖh÷Ｉh
となる。

ここで上述した第２のヒータ３の駆動電気量（駆動電力Ｐh、印加電圧Ｖh、または通電電流Ｉh）に基づく流量Ｑの検出について説明する。
白金等の発熱抵抗体からなる第１および第２のヒータ２,３は、温度によってその抵抗値が変化する性質を有する。例えば２０℃なる標準温度Ｔstdでの第１のヒータ２の抵抗値がＲstd1である場合、１次の抵抗温度係数をα、２次の抵抗温度係数をβとしたとき、温度Ｔh1での上記第１のヒータ２の抵抗値Ｒrは
Ｒr＝Ｒstd1・［１＋α(Ｔh1−Ｔstd)＋β(Ｔh1−Ｔstd)^２］
として与えられる。同様に標準温度Ｔstdでの第２のヒータ３の抵抗値がＲstd2である場合、温度Ｔh2での前記第２のヒータ３の抵抗値Ｒhは
Ｒh＝Ｒstd2・［１＋α(Ｔh2−Ｔstd)＋β(Ｔh2−Ｔstd)^２］
として与えられる。従ってヒータ２,３の各抵抗値Ｒr,Ｒhが判れば、逆にこれらの抵抗値Ｒr,Ｒhから第１および第２のヒータ２,３の各発熱温度（ヒータ温度）Ｔh1,Ｔh2をそれぞれ求めることが可能となる。

また第１のヒータ２の発熱温度（ヒータ温度）Ｔh1は、第２のヒータ３の発熱と、この第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱とが釣り合ったところで、つまり雰囲気ガスとの間で熱的に平衡状態となったときに安定する。特に第１のヒータ２は、熱伝導性の高いシリコンからなるセンサチップ１の基体部１ａに設けられており、またセンサチップ１自体が熱絶縁性の台座３を介して外部から熱絶縁されて空中に支持されているので、第１のヒータ２の発熱に伴ってセンサチップ１全体が第１のヒータ２の発熱温度まで加熱される。そして第１のヒータ２の発熱に伴うシリコンチップ１からの放熱は、専ら、その周囲近傍のシリコンチップ１を取り巻く雰囲気ガスに対してだけとなる。この結果、シリコンチップ１の周囲近傍の雰囲気ガスは、その周囲温度に拘わることなく上記センサチップ１全体の発熱温度（第１のヒータ２の発熱温度）Ｔh1まで加熱されて安定化する。

一方、第２のヒータ３の発熱温度（ヒータ温度）Ｔh2は、第２のヒータ３の発熱と、この第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱とが釣り合ったところで、つまり雰囲気ガスとの間で熱的に平衡状態となったときに安定する。特に第２のヒータ３は肉薄のダイヤフラム（薄膜部）３ｃに形成されているので、専ら、第２のヒータ３だけが局部的に発熱すると看做し得る。そしてこの熱的平衡状態における上記第２のヒータ３の駆動電力Ｐhは、第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数をＣとしたとき、そのヒータ温度Ｔh2と周囲温度Ｔoとの間で
Ｃ・(Ｔh2−Ｔo)＝Ｐh
なる関係を有する。従って第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数Ｃを、上記熱的平衡状態の条件から
Ｃ＝Ｐh÷(Ｔh2−Ｔo)
として求めることが可能となる。特にセンサチップ１の周囲近傍においては雰囲気ガスの温度が第１の温度Ｔh1に一定化されているので、第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数Ｃを
Ｃ＝Ｐh÷(Ｔh2−Ｔh1)
として求めることが可能となる。

尚、第２のヒータ３の駆動電力Ｐhについては、前述したように第２のヒータ２の両端間に印加される電圧Ｖhと、そのときにヒータ３に流れる電流Ｉhとから
Ｐh＝Ｖh・Ｉh
として求めることができる。またそのときの第２のヒータ２の抵抗値Ｒhは、
Ｒh＝Ｖh÷Ｉh＝Ｐh÷Ｉh^２
として求めることができる。故に、第２のヒータ３の駆動電力Ｐhを求め、更に第２のヒータ３の抵抗値Ｒhに従って第２のヒータ３の発熱温度Ｔh2を求めれば、第２のヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数Ｃを容易に算出することが可能となる。

尚、上述した放熱係数Ｃは、第２のヒータ３から雰囲気ガスへの平均熱伝達係数をｈとし、第２のヒータ３の放熱面積をＳとしたとき、一般的には
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ
として表すことができる。但し、上記平均熱伝達係数ｈは、一般的には雰囲気ガスの自然対流の状況や第２のヒータ３の表面状態によって変化し、更に雰囲気ガスの流量（流速）によっても変化する。また上記係数［２］は、第２のヒータ３から雰囲気ガスへの熱伝達が、図６にその概念を模式的に示すように第２のヒータ３の表裏の２面でそれぞれ行われることを考慮したものである。

しかし第２のヒータ３の素子面積（発熱面積）が微小であり、この第２のヒータ３の発熱によって生じる温度変化の範囲が微小であってスポット的な温度変位しか生じることがなく、また雰囲気ガスの流量（流速）が零［０］であって自然対流もないものとすると、第２のヒータ３の周囲の温度分布は、専ら図６に示すように第２のヒータ３から離れるに従って次第に低くなる。特に第２のヒータ３に接する部位での温度はそのヒータ温度Ｔh2まで高められ、第２のヒータ３から離れるに従ってその温度は次第に周囲温度Ｔh1まで低下する。

このような温度分布をなす雰囲気ガスの温度が、上記ヒータ温度Ｔhから周囲温度Ｔh1まで低下するまでの領域を温度境界層と定義し、その厚みｄとすると、前述した平均熱伝達係数ｈは雰囲気ガスの熱伝導率λに比例し、且つ温度境界層の厚みｄに反比例すると考えられる。即ち、平均熱伝達係数ｈは
ｈ＝λ÷ｄ
として決定される。

また雰囲気ガスの熱伝導率λは、一般的に温度が高くなるに従って大きくなる傾向にあり、温度Ｔにおける雰囲気ガスの熱伝導率λ_（Ｔ）は
λ_（Ｔ）＝λo（１＋γ・Ｔ）
として与えられる。但し、上記λoは、基準温度（例えば０℃）における雰囲気ガスの熱伝導率であり、γは１次の温度係数である。

また前記温度境界層の厚みｄは雰囲気ガスの熱伝導率λによって変化し、熱伝導率λが大きくなる程、熱伝達が早いのでその厚みｄが薄くなる。逆に雰囲気ガスの熱伝導率λが小さい場合には、熱伝達が遅い分、その温度変化の勾配が緩やかとなって温度境界層の厚みｄが厚くなる。つまり境界層の厚みｄは雰囲気ガスの熱伝導率λによって変化し、また雰囲気ガスの熱伝導率λは温度によって変化するので、温度Ｔにおける上記温度境界層の厚みｄ_（Ｔ）は
ｄ_（Ｔ）＝ｆ［λ_（Ｔ）］
として、温度Ｔにより変化する雰囲気ガスの熱伝導率λ_（Ｔ）をパラメータαとする関数ｆ［α］を用いて表すことができる。

また第２のヒータ３の放熱面積Ｓは、一般的には前述した発熱抵抗体（ヒータ）１ｄを形成したダイヤフラム１ｃの全体の面積を指すことが多く、第２のヒータ３の近傍における雰囲気ガスの温度分布はダイヤフラム１ｃ上での温度分布に依存して変化する。しかし雰囲気ガスの熱伝導率λが大きい場合には、その温度分布がシャープな形状となる。そしてその実効的な第２のヒータ３の放熱面積Ｓは雰囲気ガスの熱伝導率λに応じて小さくなるので、ダイヤフラム１ｃの面積Ｓoよりも十分小さい面積として捉えることができる。特に第２のヒータ３自体が微小であることと相俟って、第２のヒータ３の放熱面積Ｓはスポット状であり、実質的に点熱源をなしていると看做すことができる。従ってその実効的な放熱面積Ｓを
Ｓ_（Ｔ）＝ｇ［λ_（Ｔ）］
として、温度Ｔにより変化する雰囲気ガスの熱伝導率λ_（Ｔ）をパラメータαとする関数ｇ［α］を用いて表すことが可能となる。

従って第２のヒータ３の放熱係数Ｃと雰囲気ガスの熱伝導率λ_（Ｔ）との関係をまとめると、前述した各式から
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ
＝２・(λ_（Ｔ）÷ｄ_（Ｔ）)・Ｓ_（Ｔ）
＝２・（λ_（Ｔ）÷ｆ［λ_（Ｔ）］)・ｇ［λ_（Ｔ）］
なる関係を導くことができる。

しかしセンサチップ１の周囲近傍の雰囲気ガスは、前述したようにセンサチップ１全体からの放熱を受けて加熱され、センサチップ１との間で熱的に平衡状態となった状態で安定する。またセンサチップ１の周囲近傍においては、雰囲気ガスはその温度に拘わりなく上記センサチップ１の温度Ｔh1に保たれる。そしてこの温度が一定化された前記センサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスが、前述したように第２のヒータ３からの放熱を受けて温度境界層を形成することになる。

従ってそのときの温度境界層の厚みｄは、一定化された温度Ｔh1における雰囲気ガスの熱伝導率をλとしたとき、
ｄ＝ｆ［λ］
として一意に決定される。また第２のヒータ３の実効的な放熱面積Ｓも
Ｓ＝ｇ［λ］
として、一定化された温度Ｔh1における雰囲気ガスの熱伝導率λに依存して一意に決定される。故に、第２のヒータ３の放熱係数Ｃと上記一定温度Ｔh1における雰囲気ガスの熱伝導率λとの関係は
Ｃ＝２・（λ÷ｆ［λ］)・ｇ［λ］
となり、これらは雰囲気ガスの温度特性に依存することなく１対１に対応付けられることになる。特に雰囲気ガスの成分が既知であり、自然対流がなく、その流量が零［０］の場合における熱伝導率λが明らかである場合には、上述した第２のヒータ３の放熱係数Ｃ、ひいてはその駆動電力Ｐhは雰囲気ガスの温度に関係なく一定となる。

また雰囲気ガスの流量が零［０］でない場合、上記雰囲気ガスの見かけ上の放熱係数Ｃはその流量（流速）に比例して変化する。換言すれば雰囲気ガスが流れている場合、その流量（流速）に応じた強制対流により熱の移動が行われるので、放熱係数Cはその流量（流速）に比例して増大する。従って、例えば前述したように第２のヒータ３の駆動電力Ｐhからその放熱係数Ｃを求めれば上記雰囲気ガスの流量（流速）を求めることが可能となる。

ここでセンサチップ１の面に直交する方向における雰囲気ガスの温度分布について考察してみると、従来一般的に行われている、雰囲気ガスの温度Ｔoを基準として第２のヒータ３の発熱温度を一定温度ΔＴだけ高くするヒータ制御を行った場合、雰囲気ガスの温度変化に伴ってセンサチップ１の周囲の温度分布は、図７(ｂ)に示すように変化する。即ち、雰囲気ガスの温度変化に伴って第２のヒータ３の発熱温度自体が変化するので、センサチップ１の周囲における温度分布が全体的にシフトする。従って従来のように第２のヒータ３の発熱温度を雰囲気ガスの温度よりも一定温度ΔＴだけ高くして流量測定を行った場合、図８(ｂ)に示すように雰囲気ガスの温度に依存して第２のヒータ３の駆動電力Ｐhとその流量との比例関係が変化し、しかもその零点が変化することが否めない。

この点、本発明に係る熱式流量計においては、前述したようにセンサチップ１の周囲近傍の領域における雰囲気ガスの温度を第１の温度Ｔh1に一定に保ち、且つ第２のヒータ３の温度を上記第１の温度Ｔh1よりも高い第２の温度Ｔh2に保っている。従って第２のヒータ３の直上における雰囲気ガスの温度分布は、第２のヒータ３からの距離Ｌが離れるに従って図８(ａ)に示すように変化する。

即ち、第２のヒータ３に接する距離においては雰囲気ガスは第２のヒータ３の発熱温度（第２の温度Ｔh2）まで加熱され、前述した温度境界層の厚みｄに亘ってその周囲温度である第１の温度Ｔh1まで徐々に低下する。そして温度境界層を超えた領域においては、前述した第１のヒータ２の発熱に伴って加熱されたセンサチップ１からの熱を受ける温度層に亘ってその温度が第１の温度Ｔh1に保たれており、この温度層を超えた領域において雰囲気ガスの温度が、それ自体の温度Ｔoまで徐々に低下する。そして雰囲気ガス自体の温度Ｔoが変化しても、上述したセンサチップ１からの熱を受ける温度層の温度Ｔh1が変化することがないので、図７(ａ)に示すように雰囲気ガスの温度Ｔoに拘わることなく、センサチップ１の周囲における温度分布が一定に保たれる。

故にこのようなヒータの駆動条件で流量測定を行った場合には、前述したように流量が零［０］の場合における雰囲気ガスの熱伝導率λを一定に保つことができるので、図８(ａ)に示すようにそのゼロ点変動を抑えることができる。但し、雰囲気ガスの温度Ｔoによって、同じ流量（流速）であってもその放熱係数Ｃが若干変化するので、第２のヒータ３の駆動電力Ｐhとその流量との比例関係（比例係数）が多少変化ことは否めない。

しかし、例えば図９に示すようにセンサチップ１の表面を、熱伝導性の高い蓋状の流路構造体６にて覆い、センサチップ１の表面近傍に周囲からの熱の影響を阻止する流路を形成するようにする。このような流路構造体６を用いてセンサチップ１の表面近傍をその周囲から熱的に隔離すれば、雰囲気ガスの温度Ｔoに拘わりなく上記流路を通流する雰囲気ガスの温度を安定的に第１の温度Ｔh1に設定することができるので、雰囲気ガスの温度に拘わりなくその流量（流速）を精度良く計測することが可能となる。尚、上記流路構造体６については、センサチップ１と同じ素材であるシリコン製のものとし、これらを互いに密着させて半導体接合するようにすれば良い。このようにセンサチップ１と上記流路構造体６とを熱伝導率が同じ素材で形成することにより、異種素材で形成するに比べて製造が容易になる効果があり、またセンサチップ１の温度分布が一様になるので計測精度の向上効果がある。

次に前述した一対の温度センサＲu,Ｒdを用いて検出される温度差から流量を求める本発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態に係る熱式流量計は、図１０にその概略的なブロック構成図を示すように、先に説明した実施形態と同様に第１および第２のヒータ２,３をそれぞれ一定抵抗駆動してその発熱温度Ｔh1,Ｔh2に一定化制御する電源５Ａ,５Ｂを備える。そして第１および第２のヒータ２,３の上記駆動条件下において、第１および第２の温度センサＲu,Ｒdにより検出される温度の差を求め、この温度差を流量信号として求め（温度差検出手段２０）、流量テーブル２１に予め登録した温度差と流量との関係（ΔＴ-Ｑ特性）を参照して、上記温度差に相当する流量を求める（流量算出手段２２）ように構成される。

このように構成された熱式流量計においても、センサチップ１の周囲近傍の雰囲気ガスを該センサチップ１全体からの放熱により加熱し、センサチップ１との間で熱的に平衡状態となった状態で安定化して上記センサチップ１の温度Ｔh1に保つことができる。そして第２のヒータ３により加熱された上記雰囲気ガスは、その通流方向に流量Ｑに応じた温度分布を呈するので、第２のヒータ３を挟んで設けられた一対の温度センサＲu,Ｒdにて第２のヒータ２の雰囲気ガスの通流方向における温度差を求めることにより、その温度差から雰囲気ガスの流量Ｑを求めることが可能となる。

この際、予め第２のヒータ３を通電加熱する前（ヒータ・オフ時）の温度差を求めておき、第２のヒータ３を通電加熱した際（ヒータ・オン時）の温度差を検出して、その温度差変化を流量信号として出力することも有用である。このようにすれば温度検出回路の温度ドリフトを除去して流量信号を求めることが可能となるので、その計測精度を高めることが可能となる。

またダイヤフラム１ｃを局部的に加熱した場合、上述したようにその周囲近傍の雰囲気ガスは流量に応じた温度分布を呈するので、前述したように一対の温度センサＲu,Ｒdを第２のヒータと看做して、これらの温度センサＲu,Ｒdをそれぞれ一定の温度Ｔh2に発熱駆動し、そのときの温度センサＲu,Ｒdの駆動電気量の差から雰囲気ガスの流量Ｑを検出するようしても良い。

図１１は、このようにして一対の温度センサＲu,Ｒdをそれぞれ一定の温度Ｔh2に発熱駆動して流量検出を行う本発明の第３の実施形態を示す概略的なブロック構成図である。この熱式流量計においても、前述したようにチップセンサ１の基体部１ａに設けた第１のヒータ２を一定温度Ｔh1に発熱駆動する。そして前述した図５に示したヒータ電源５Ａ（５Ｂ）と同様に構成されるヒータ電源５Ｃ,５Ｄを用いて図１１に示すように一対の温度センサＲu,Ｒdをそれぞれ一定温度Ｔh2に発熱駆動し、このときの各温度センサＲu,Ｒdの駆動電気量、例えば駆動電圧Ｖu,Ｖdをそれぞれ検出し、その電圧差を流量信号として求める（電圧差検出手段３０）。そして予め求められて流量テーブル３１に登録されている電圧差Ｖと流量Ｑとの関係（Ｖ-Ｑ特性）に従って、上記電圧差Ｖに相当する流量Ｑを求めるように構成される（流量算出手段３３）。

このように構成された熱式流量計によれば、第１のヒータ２によるセンサチップ１の周囲近傍の雰囲気ガスの温度を一定温度Ｔh1にした状態で、雰囲気ガスの通流方向に所定の距離を隔てて設けられた一対の温度センサ（ヒータ）Ｒu,Ｒdをそれぞれ一定の抵抗値（温度）で発熱駆動すると、これらの温度センサＲu,Ｒdは雰囲気ガスとの間でそれぞれ熱的に平衡状態となって安定化する。この際、下流側の温度センサＲdは、上流側の温度センサＲuにて加熱された雰囲気ガスとの間で熱的な平衡状態に達し、その平衡条件は温度センサＲu,Ｒd近傍の雰囲気ガスの温度分布、つまりその流量Ｑによって変化する。

従って熱的に平衡状態となった一対の温度センサ（ヒータ）Ｒu,Ｒdの駆動電気量をそれぞれ求めれば、それらの電気量の差は雰囲気ガスの流量Ｑに相当することになる。故に、一対の温度センサＲu,Ｒdの駆動電圧Ｖu,Ｖdの差を求めれば、この電圧差Ｖから前述した各実施形態と同様に雰囲気ガスの流量Ｑを計測することが可能となる。そしてこの場合においてもときの各実施形態と同様な効果が奏せられる。

以上説明したように本発明によれば、雰囲気ガスの温度が変化しても、或いはその周囲環境の変化に伴って周囲温度が変化しても、第２のヒータ３の周囲近傍における雰囲気ガスの温度を一定に保って流量計測を行うので、そのゼロ点変動を抑えて精度の高い流量計測を行うことができる。しかもゼロ点変動がないので、例えば雰囲気ガスの漏れに起因する微少な流れが生じても、これを確実に検出することが可能となる。

また第２のヒータの通量方向の前後に設けられた温度センサＲu,Ｒdを用いて流量計測を行う場合であっても、周囲温度の変化に拘わることなく高精度な測定を行うことができる。しかも上記温度センサＲu,Ｒdの抵抗温度係数が異なる場合であっても、ゼロ点変動が生じないので、微少な流量であっても確実に検出することができる。更には流体の揺らぎにより正方向および逆方向の流れが生じても、これを平均化して流量検出することができ、例えば流体の微少な漏れを確実に検出することができる。更には前述した流路構造体を用いて第２のヒータ３の近傍に流路を形成し、その周囲から熱的に絶縁した測定環境を形成するようにすれば、ゼロ点変動のみならず、流量計測感度の変動も効果的に抑えることが可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前述した各演算機能については、マイクロコンピュータにおけるソフトウェアにより実現することも可能である。またマイクロヒータの構造も特に限定されるものではなく、既存の熱式流量センサに設けられたヒータ素子をそのまま流用することも可能である。また第２のヒータ３の発熱駆動手段についても上述した抵抗ブリッジ回路３ａと、そのブリッジ電圧をフィードバック制御する作動増幅器３ｂを用いた例に限定されないことは言うまでもない。

またセンサチップ１としては、例えば図９に示すように基体部１ａの上面中央部に設けたキャビティ（凹部）１ｂの上を跨いで橋状のマイクロブリッジ（薄膜部）１ｄを設け、このマイクロブリッジ１ｄ上に第２のヒータ３等を形成したものであっても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明で用いられるセンサチップの概略的な素子構造を示す図。 センサチップの概略的な断面構造を示す図。 本発明に係る熱式流量計におけるヒータ駆動形態の態様を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る熱式流量計の概略的なブロック構成図。 ヒータの抵抗値を一定化制御するヒータ電源の構成例を示す図。 第２のヒータを発熱駆動したときの第２のヒータ近傍における雰囲気ガスの温度分布を模式的に示す図。 第１および第２のヒータをそれぞれ一定温度で発熱駆動したときのセンサチップからの距離に対する雰囲気ガスの温度の分布を、第２のヒータを雰囲気ガスの温度から一定温度高くして駆動した場合と対比して示す図。 第１および第２のヒータをそれぞれ一定温度で発熱駆動したときのヒータ駆動電力と流量との関係を、第２のヒータを雰囲気ガスの温度から一定温度高くして駆動した場合と対比して示す図。 センサチップの表面に、流路構造体を設ける場合の例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る熱式流量計を示す概略的なブロック構成図。 本発明の第３の実施形態に係る熱式流量計を示す概略的なブロック構成図。

符号の説明

１ センサチップ
１ａ 基体部
１ｂ キャビティ（凹部）
１ｃ ダイヤフラム（薄膜部）
２ 第１のヒータ
３ 第２のヒータ
４ 台座（熱絶縁体）
５Ａ,５Ｂ ヒータ電源
６ 流路構造体
１０ 出力回路
１１ 放熱係数算出手段
１２ 流量テーブル
１３ 流量算出手段
２０ 温度差検出手段（出力回路）
２１ 流量テーブル
２２ 流量算出手段
Ｒu,Ｒd 温度センサ

Claims (7)

1. 基体部に形成された凹部を橋架して設けられて、その両面を外気に開放した薄膜部を有するセンサチップと、
   このセンサチップの前記基体部に設けられた第１のヒータおよび前記薄膜部に設けられた第２のヒータと、
   前記センサチップをその支持体から熱絶縁して該センサチップを前記雰囲気ガスの流路に位置付ける熱絶縁性の台座と、
   前記第１のヒータを前記雰囲気ガスの温度よりも高い第１の一定温度で発熱駆動する第１の電源と、
   前記第２のヒータを前記第１のヒータの発熱温度よりも高い第２の一定温度で発熱駆動する第２の電源と、
   前記第２のヒータの駆動電気信号を前記雰囲気ガスの流量信号として出力する出力回路と
   を具備したことを特徴とする熱式流量計。
2. 前記第１および第２の電源は、それぞれその発熱駆動対象とする前記第１または第２ヒータを１つのブリッジ辺とする抵抗ブリッジ回路のブリッジ間電圧に応じて、上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御して前記ヒータの抵抗値をそれぞれ一定化するものである請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記センサチップは、前記基体部に熱結合され、且つ前記薄膜部に対峙させて設けられて、前記薄膜部に沿う前記雰囲気ガスの通流路を形成した流路構造体を備えたものである請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記センサチップおよび前記流路構造体は、それぞれ半導体からなる請求項３に記載の熱式流量計。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の熱式流量計において、
   更に前記センサチップの薄膜部上に前記第２のヒータを間にして雰囲気ガスの通流方向に並べて設けられた第１および第２の温度センサと、これらの第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度を前記雰囲気ガスの流量信号として出力する第２の出力回路とを備えることを特徴とする熱式流量計。
6. 前記第２の出力回路は、前記第２のヒータが発熱駆動されているときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度と、前記第２のヒータの発熱駆動を停止させたときの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度との差を出力するものである請求項５に記載の熱式流量計。
7. 前記第２のヒータは、流体の通流方向に並べて設けられた２つの発熱抵抗体からなり、
   前記第２の電源は、上記２つの発熱抵抗体をそれぞれ独立に一定温度で発熱駆動するものであって、前記出力回路は前記２つの発熱抵抗体を個別に発熱駆動する駆動電気信号の差を前記雰囲気ガスの流量信号として出力するものである請求項１に記載の熱式流量計。

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