JP2008224358A - 熱式流量センサ及び流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺の温度変化の影響を受けず、微少量の流体の流量変化を高精度に検出できる熱式流量センサ及び該熱式流量センサを用いた流量計測装置を得ること。
【解決手段】発熱抵抗体の一方の面に沿った上流側の流路と、発熱抵抗体の他方の面に沿った下流側の流路と、を有し、上流側の流路を流れた流体が、下流側の流路を流れるように構成すること。
【選択図】図１

Description

本発明は微小量の流体の流量を高精度に検出するための熱式流量センサ及び流量計測装置に関する。

従来、高感度で応答性の高い流量測定装置として熱式流量センサが知られている。熱式流量センサの動作原理を、図５を用いて説明する。図５では所定の発熱温度で平衡状態を保っている発熱抵抗体６００と温度補償用の感温抵抗体６０１をそれぞれ固定抵抗、半固定抵抗と接続し、ブリッジ回路を構成している。これらのブリッジ抵抗の電圧差を、オペアンプを介することで差動増幅し、出力をフィードバック回路に接続して定温度差駆動回路が形成される。この回路においては発熱抵抗体６００は常に感温抵抗体６０１より一定の温度高く保たれている。例えば、ここに流体が流れて発熱抵抗体６００の温度が下がった場合、感温抵抗体６０１との温度差を一定に維持するように流速に対応した出力が得られる。

そのなかでも発熱抵抗体と温度補償用の感温抵抗体が同一基板上にあり、発熱抵抗体が温度検出素子を兼ねている公知例として特許文献１や特許文献２が挙げられる。

例えば特許文献１に示されるように、流路が形成されているガラス基板の上に流路の蓋としてシリコン基板を形成し、その上に流体流量検出用の発熱抵抗体を形成することで発熱抵抗体が経時変化することなく、量産が可能な熱式流量センサが提案されている。

また、例えば特許文献２に示されるように、発熱抵抗体と基板の間に熱絶縁層である空気層を設けることで発熱抵抗体と温度補償用の感温抵抗体とを同一基板内に作成した熱式流量センサが考えられている。
特開平７−１５９２１５号公報 特開２０００−２２７３５３号公報

しかしながら、特許文献１に示される構成の熱式流量センサでは発熱抵抗体が外気にさらされているため、周囲温度の変化により発熱抵抗体の温度も変化し、よって、その変化がノイズとなって出力に影響する。また、特許文献２に示される構成の熱式流量センサでは発熱抵抗体の周囲を測定流体が流れる構成になっており、外気の温度の影響を受けにくい構成になっている。しかし、この構成を微小量の流体が流れる流路に用いると発熱抵抗体の上下面での流量が安定せず、全体の流量が一定であるにもかかわらずセンサの出力が変動するという問題が発生した。このため微少量の流体の流量変化を正確に検出できないという問題がある。

本発明は上記の従来の熱式流量センサの問題点を解決するためのもので、その目的は、外気の温度変化の影響を受けず、微小な流量の流体であっても、流量変化を高精度に検出できる熱式流量センサ及び該熱式流量センサを用いた流量計測装置を得ることである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１．
流体の流れる流路に沿って配置された発熱抵抗体と感温抵抗体とを用いて前記流体の流量に対応する電流を出力する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体は２つの面を有し、
前記流路は、
前記発熱抵抗体の一方の面に沿った上流側の流路と、
前記発熱抵抗体の他方の面に沿った下流側の流路と、を有し、
前記上流側の流路を流れる前記流体が、前記下流側の流路を流れるように構成することを特徴とする熱式流量センサ。

２．
前記流路は、前記発熱抵抗体を挟んだＵ字型の形状を有することを特徴とする１に記載の熱式流量センサ。

３．
前記流路は、
貫通穴を有する、前記発熱抵抗体が設けられた第１の基板と、
前記発熱抵抗体と前記貫通穴とに重なる位置に形成された第１の溝を有し、該第１の溝を有する面を前記第１の基板の一方の面に接合した第２の基板と、
前記発熱抵抗体と前記貫通穴とに重なる位置に形成された第２の溝を有し、該第２の溝を有する面を前記第１の基板の他方の面に接合した第３の基板と、から形成され、前記第１の溝と前記第２の溝と前記貫通穴とに連通する連通部を有することを特徴とする１又は２に記載の熱式流量センサ。

４．
前記発熱抵抗体の表面に保護膜が形成されていることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の熱式流量センサ。

５．
前記発熱抵抗体と前記流路とを複数組有し、それぞれの前記流路は、それぞれの前記発熱体の下流側で合流することを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の熱式流量センサ。

６．
前記感温抵抗体が前記第１の基板に形成されることを特徴とする３に記載の熱式流量センサ。

７．
１乃至６の何れか１項に記載の流量センサと、
前記流量センサを収容する収容部と前記流量センサの出力から前記流体の流量を算出する流量算出部を有する本体部とを備えることを特徴とする流量計測装置。

８．
１乃至５の何れか１項に記載の流量センサと、
前記流量センサを収容する収容部と前記流量センサの出力から前記流体の流量を算出する流量算出部を有する本体部とを備えた流量計測装置において、
前記本体部が前記感温抵抗体を有することを特徴とする流量計測装置。

本発明によれば、発熱抵抗体の一方の面に沿って流れる流体が、下流側で発熱抵抗体の他方の面に沿って流れるように構成された流路を有する熱式流量センサとしたので、発熱抵抗体が外気にさらされることがなく、外部の温度変化によるノイズの発生を抑えることができる。また、微小な流量の流体であっても、発熱抵抗体の上下面に沿って流れる流量が安定する。よって、微少量の流体の流量変化を高精度に検出できる熱式流量センサ及び流量計測装置を提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態の熱式流量センサは、微小な流量の流体に用いるものである。

図１は、熱式流量センサの構成を示す斜視図であり、図２は図１の分解図である。また、図３は平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。

本発明に係る流量センサ１００は、図１に示すように第１の基板１と第２の基板２と第３の基板３からなる。また、図２に示すように、第１の基板１は、シート状で、発熱抵抗体１１、感温抵抗体１２、電極１１１、１１２、１２１、１２２及び貫通穴１３、１４を備え、第２の基板２は、流体の流入口２１、流出口２２及び円筒状の流路２３、２４と溝状の流路２５、２６を備え、第３の基板３は、Ｌ字に曲がった溝状の流路３１を備えている。

第１の基板１の一方の面は、第１の基板１に形成した発熱抵抗体１１と感温抵抗体１２及び貫通穴１３が、図３に示すように第２の基板２に形成した上流側の流路となる流路２５上に重なるように配置され、接合されている。また、第１の基板１の他方の面は、発熱抵抗体１１と貫通穴１３が図３及び図４に示すように第３の基板３に形成した下流側の流路となる流路３１の真下に重なるように配置され、接合されている。

このように構成することにより流入口２１から流出口２２につながる一連の連通部からなる流路が形成される。流入口２１から流入した流体は、流路２３から上流側の流路となる流路２５に進み、貫通穴１３を経て、下流側の流路となる流路３１に進み、貫通光１４を経て、流路２６を通って、流出口２２に流れる。

第１の基板１は、例えば絶縁性の樹脂からなるシート状部材で、厚さは数１０μｍ〜数１００μｍのものを用いることができる。あまり厚いと流路中の流体の温度が伝熱的に伝わらなくなり、また、薄すぎると製造時における取り扱いが難しくなる。５０μｍ〜２００μｍが好ましい。また、材料としては、樹脂以外にガラス等のセラミック部材を用いても良い。

発熱抵抗体１１および感温抵抗体１２は白金、サーミスタなどで形成されており、貫通穴１３は第２の基板２の流路２５の幅と略同等の径を有する。また、発熱抵抗体１１の表面には、絶縁性の樹脂層を形成し、保護膜としている。このような保護膜を形成することで流路３１を流れる流体に発熱抵抗体１１が直接触れることがなく、腐食等の劣化を防止することができ、耐久性が向上する。また、保護層の代わりに第１の基板１と同じ位置に貫通穴を有する絶縁性のシート上部材を第１の基板１と第３の基板３との間に設けても良い。

第２の基板２及び第３の基板３は、例えば樹脂材料からなり、流路２５、２６、３１は、幅数１００μｍ〜数ｍｍ、深さ数百μｍである。また、材料としては、樹脂以外にガラス等のセラミック部材を用いても良い。

このような構成の熱式流量センサ１００に流体が流れると、発熱抵抗体１１が流路２５と貫通穴１３と流路３１とで形成されたＵ字型の形状の流路部分に挟まれた状態になり、熱式流量センサ１００は外気の温度の影響を受けずに済む。また、発熱抵抗体１１の一方の面に沿った上流側の流路２５を流れる流体がそのまま発熱抵抗体１１の他方の面に沿った下流側の流路３１を流れるので、微小な流量であっても流量変化を正確に検知し、流量に対応する電流を出力することができる。よって、高精度な熱式流量センサを提供することができる。

また、このような構成にすることで液体、気体に関わらず使用することが可能になる。

次に本発明の第２の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図６は、熱式流量センサ２００の構成を示す斜視図であり、図７は図６の分解図である。また、図８は平面図であり、図９は図８のＢ−Ｂ線断面図である。

第２の実施形態である熱式流量センサ２００は第１の実施形態である熱式流量センサ１００と比べて、流体の流入口５１と流出口６２とが別の基板上に形成されていることである。

流量センサ２００は、図６に示すように第１〜第３の基板４、５、６からなり、第２の基板５に流体の流入口５１と第３の基板６に流出口６２を備えている。また、図７に示すように、第１の基板４は、シート状で、発熱抵抗体４１、感温抵抗体４２、電極４１１、４１２、４２１、４２２及び貫通穴４３を備え、第２の基板５は、流体の流入口５１及び円筒状の流路５２と溝状の流路５３を備え、第３の基板６は、流出口６２と円筒状の流路６３と溝状の流路６１を備えている。

第１の基板４の一方の面は、第１の基板４に形成した発熱抵抗体４１と感温抵抗体４２及び貫通穴４３が、図８に示すように第２の基板５に形成した上流側の流路となる流路５３上に重なるように配置され、接合されている。また、第１の基板４の他方の面は、発熱抵抗体４１と貫通穴４３が図８及び図９に示すように第３の基板６に形成した下流側の流路となる流路６１の真下に重なるように配置され、接合されている。

このように構成することにより流入口５１から流出口６２につながる一連の連通部からなる流路が形成される。流入口２１から流入した流体は、流路５２から上流側の流路となる流路５３に進み、貫通穴４３を経て、下流側の流路となる流路６１に進み、流路６３を通って、流出口６２に流れる。

このような構成の熱式流量センサ２００に流体が流れると、発熱抵抗体４１が流路５３と貫通穴４３と流路６１とで形成されたＵ字型の形状の流路部分に挟まれた状態になり、熱式流量センサ２００は外気の温度の影響を受けずに済む。また、発熱抵抗体４１の一方の面に沿った上流側の流路５３を流れる流体がそのまま発熱抵抗体４１の他方の面に沿った下流側の流路６１を流れるので、微小な流量であっても流量変化を正確に検知し、流量に対応する電流を出力することができる。よって、高精度な熱式流量センサを提供することができる。また、流入口５１と流出口６２を別の基板に形成したので、流入した流体が流入した方向と反対側から抜けることが可能になる。

次に本発明の第３の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１０は、熱式流量センサ３００の構成を示す斜視図であり、図１１は図１０の分解図である。また、図１２は平面図であり、図１３は図１２のＣ−Ｃ及びＤ−Ｄ線断面図である。ＣーＣとＤ−Ｄの断面は同じ形状なので、１つの図面上に表している。

第３の実施形態である熱式流量センサ３００は第１の実施形態である熱式流量センサ１００で示した流路と発熱抵抗体及び感温抵抗体の組を２組有しており、それぞれの組の発熱抵抗体の下流側で流路が合流している。

流量センサ３００は、図１０に示すように第１〜第３の基板７、８、９からなり、第２の基板８に流体の２つの流入口８１、８２と流出口８３を備えている。また、図１１に示すように、第１の基板７は、シート状で、２つの発熱抵抗体７１、７２と２つの感温抵抗体７３、７４、電極７１１、７１２、７２１、７２２、７３１、７３２、７４１、７４２及び３つの貫通穴７５、７６、７７を備え、第２の基板８は、２つの流入口８１、８２と流出口８３と、３つの円筒状の流路８４、８５、８６と、３つの溝状の流路８７、８８、８９を備え、第３の基板９は、逆コの字状の溝状の流路９１を備えている。

図１２において、第１の基板７の一方の面は、第１の基板７に形成した発熱抵抗体７１と感温抵抗体７３及び貫通穴７５が、第２の基板８に形成した上流側の流路となる流路８７上に重なるように配置され、また、発熱抵抗体７２と感温抵抗体７４及び貫通穴７６が、第２の基板８に形成した上流側の流路となる流路８８上に重なるように配置され、接合されている。

また、図１２及び図１３に示すように、第１の基板７の他方の面は、発熱抵抗体７１、７２と貫通穴７５、７６、７７が第３の基板９に形成した下流側の流路となる流路９１の真下に重なるように配置され、接合されている。

このように構成することにより流入口８１から流入した流体Ｅは流路８４から上流側の流路８７を経て、発熱抵抗体７１の下部を通過し、貫通穴７５を通って発熱抵抗体７１の上部にある下流側の流路９１に流れる。一方、流入口８２から流入した流体Ｆは流路８６から上流側の流路８８を経て、発熱抵抗体７２の下部を通過し、貫通穴７６を通って発熱抵抗体７２の上部にある下流側の流路９１に流れる。流体Ｅ及びＦは、それぞれの発熱抵抗体７１、７２の下流側の貫通穴７７で合流し、混合流体Ｇとなって、流路８９と８６を経て流出口８３から流出する。

このように熱式流量センサ３００に流体Ｅ、Ｆが流れると、それぞれの発熱抵抗体７１、７２が、それぞれの上流側の流路８７、８８と下流側の流路９１と貫通穴７５、７６、７７によって形成されたＵ字型の形状の流路部分に挟まれた状態になるので、熱式流量センサ３００は外気の温度の影響を受けずに済む。また、発熱抵抗体７１、７２の一方の面に沿った上流側の流路８７、８８を流れる流体Ｅ、Ｆがそのまま発熱抵抗体７１、７２の他方の面に沿った下流側の流路９１を流れるので、微小な流量であっても流量変化を正確に検知し、流量に対応する電流を出力することができる。よって、高精度な熱式流量センサを提供することができる。また、このような構成にすることにより異なる２流体の流量を計測しながら精密な分量で混合することが可能になる。

次に本発明の熱式流量センサを用いた流量計測装置について図面に基づいて詳細に説明する。図１４は本発明の流量計測装置４００の斜視図であり、流量センサ４２０と、流量センサ４２０を収容する収容部４３０と流量センサ４２０の出力から流体の流量を算出する流量算出部４０１を有する本体部４１０とを備えている。熱式流量センサ４２０を搭載したチップ４０２をチップ搬送トレイ４０３に載せ、挿入口４０４から挿入し、本体部４１０の収容部４３０に収容する。また、計測する流体は、流入口４０５に接続されたチューブ４０７から図示していないポンプにより流入し、流出口４０６に接続されたチューブ４０８に流出する。この流量計測装置４００の内部には、熱式流量センサ４２０からの出力を演算し、流量を算出する流量算出部４０１を備えており、流量算出部４０１の算出結果を表示部４０９に表示するようになっている。

図１５は流量計測装置４００に用いられる熱式流量センサ５００の斜視図であり、図１６は、図１５の分解図である。この流量計測装置４００は、第１の実施形態で説明した熱式流量センサ１００の感温抵抗体を第１の基板上に設けず、熱量計測装置４００の流入口４０５から熱式流量センサまでの流路の間に設置している（不図示）。その他は、第１の実施形態と同様な熱式流量センサを用いた。

第１の基板５０１の一方の面は、第１の基板５０１に形成した発熱抵抗体５３０と貫通穴５０４が、第２の基板５０２に形成した上流側の流路となる流路５０６上に重なり、貫通穴５０５が流路５０８と重なるように配置され、接合されている。また、第１の基板５０１の他方の面は、発熱抵抗体５０３と貫通穴５０４、５０５が第３の基板５０３に形成した下流側の流路となるＬ字型の流路５０７の真下に重なるように配置され、接合されている。

このように構成することにより流入口５０９から流出口５０２につながる一連の連通部からなる流路が形成される。流入口５０９から流入した流体は、流路５１１から上流側の流路となる流路５０６に進み、貫通穴５０４を経て、下流側の流路となる流路５０７に進み、貫通穴５０５を経て、流路５０８を通って、流路５１２から流出口６２に流れる。

このような構成の熱式流量センサ５００に流体が流れると、発熱抵抗体５３０が流路５０６と貫通穴５０４と流路５０７とで形成されたＵ字型の形状の流路部分に挟まれた状態になり、熱式流量センサ５００の外気の温度の影響を受けず済む。また、発熱抵抗体５３０の一方の面に沿った上流側の流路５０６を流れる流体がそのまま発熱抵抗体５３０の他方の面に沿った下流側の流路５０７を流れるので、微小な流量であっても流量変化を正確に検知することができる。よって、高精度な熱式流量センサを提供することができる。

このように感温抵抗体は、特に第１の基板上に無くても良く、例えば、チップ４０２とポンプを接続する中間流路上にあってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されず、発熱抵抗体の一方の面に沿った上流側の流路と、前記発熱抵抗体の他方の面に沿った下流側の流路と、を有し、上流側の流路を流れた前記流体が、前記下流側の流路を流れるように構成された熱式流量センサ及び該熱式流量センサを用い、流量算出部を備えた流量計測装置であれば良い。

本発明の一実施形態による熱式流量センサの斜視図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの分解図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの平面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 熱式流量センサの動作原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの斜視図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの分解図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの平面図である。 図８のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの斜視図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの分解図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの平面図である。 図１２のＣ−Ｃ及びＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の流量計測装置の斜視図である。 本発明の一実施形態の熱式流量センサの斜視図である。 本発明の一実施形態による熱式流量センサの分解図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４２０、５００ 熱式流量センサ
１、４、７、５０１ 第１の基板
２、５、８、５０２ 第２の基板
３、６、９、５０３ 第３の基板
１１、４１、７１、７２、５３０、６００ 発熱抵抗体
１２、４２、７３、７４、６０１ 感温抵抗体
１３、１４、４３、７５、７６、７７、５０４、５０５ 貫通穴
１１１、１１２、１２１、１２２、４１１、４１２、４２１、４２２、７１１、７１２、７２１、７２２、７３１、７３２、７４１、７４２ 電極
２１、５１、８１、８２、５０９、４０５ 流入口
２２、６２、８３、５１０、４０６ 流出口
２３、２４、２５、２６、３１、５２、５３、６１、６３、８４、８５、８６、８７、８８、８９、９１、５１１、５０６、５０７、５０８、５１２ 流路
４００ 流量計測装置
４０１ 流量算出部
４０２ チップ
４０３ チップ搬送トレイ
４０７、４０８ チューブ
４０９ 表示部
４１０ 本体部
４３０ 収容部

Claims (8)

1. 流体の流れる流路に沿って配置された発熱抵抗体と感温抵抗体とを用いて前記流体の流量に対応する電流を出力する熱式流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体は２つの面を有し、
   前記流路は、
   前記発熱抵抗体の一方の面に沿った上流側の流路と、
   前記発熱抵抗体の他方の面に沿った下流側の流路と、を有し、
   前記上流側の流路を流れる前記流体が、前記下流側の流路を流れるように構成することを特徴とする熱式流量センサ。
2. 前記流路は、前記発熱抵抗体を挟んだＵ字型の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量センサ。
3. 前記流路は、
   貫通穴を有する、前記発熱抵抗体が設けられた第１の基板と、
   前記発熱抵抗体と前記貫通穴とに重なる位置に形成された第１の溝を有し、該第１の溝を有する面を前記第１の基板の一方の面に接合した第２の基板と、
   前記発熱抵抗体と前記貫通穴とに重なる位置に形成された第２の溝を有し、該第２の溝を有する面を前記第１の基板の他方の面に接合した第３の基板と、から形成され、前記第１の溝と前記第２の溝と前記貫通穴とに連通する連通部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱式流量センサ。
4. 前記発熱抵抗体の表面に保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱式流量センサ。
5. 前記発熱抵抗体と前記流路とを複数組有し、それぞれの前記流路は、それぞれの前記発熱体の下流側で合流することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱式流量センサ。
6. 前記感温抵抗体が前記第１の基板に形成されることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量センサ。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の流量センサと、
   前記流量センサを収容する収容部と前記流量センサの出力から前記流体の流量を算出する流量算出部を有する本体部とを備えることを特徴とする流量計測装置。
8. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の流量センサと、
   前記流量センサを収容する収容部と前記流量センサの出力から前記流体の流量を算出する流量算出部を有する本体部とを備えた流量計測装置において、
   前記本体部が前記感温抵抗体を有することを特徴とする流量計測装置。

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