JP2009229092A - 熱式流量計およびその初期調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造ロットの異なりに拘わることなく熱式流量センサのゼロ点変化特性のバラツキを抑え得る熱式流量計の初期調整方法を提供する。
【解決手段】熱式流量センサに一定流量のガスを通流した状態において、前記センサ回路の出力が予め定めた値となるように前記温度検出素子に直列接続された固定抵抗の値を調整する調整工程を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量センサのロットによって異なる特性を調整し、平均的な特性に対するバラツキを小さくした熱式流量計およびその初期調整方法に関する。

熱式流量センサは、例えば図３に示すようにシリコン基板（センサチップ）Ｂに形成した肉薄のダイヤフラムＤ上に、発熱素子Ｒｈを間にして流体（ガス）の通流方向Ｆに一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄを設けると共に、前記シリコン基板Ｂの周辺部に前記流体（ガス）の温度を検出する温度検出素子Ｒｒを一体に設けた構造を有する。そしてダイヤフラムＤがなすセンサ面に沿って通流する流体（ガス）による該センサ面近傍の温度分布の変化から前記流体（ガス）の流量（流速）を検出するように構成される。

ところで上記構造の熱式流量センサを、ガスの流路を垂直方向に形成した流量計本体に組み込んで構成される熱式流量計においては、発熱素子Ｒｈが発する熱に起因する対流の影響を受けてガス通流方向（上下方向）の温度分布が変化し、前記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値変化として検出されるセンサ出力のゼロ点が変化することが否めない。尚、ガスの流路を水平方向に形成した流量計本体に組み込んで構成される熱式流量計においては、上述した対流の問題が生じることはない。

ちなみに上述したセンサ出力のゼロ点変化は、例えば図４に示すようにガス圧力の上昇に伴って大きくなり、またガス密度の高まりによっても大きくなる。そこで従来においては、圧力センサを用いて測定したガス圧力に応じて、或いはガスの種別（密度）に応じてセンサ出力のゼロ点補正を行っている（例えば特許文献１,２を参照）。
尚、熱式流量センサの特性には、例えば製造ロットの異なりに起因する個体性がある。これ故、熱式流量計には、一般的に熱式流量センサの出力に対するリニアライズ性（直線性）、感度の温度変化特性、流体圧力（密度）や温度差に起因する感度の変化特性、更には熱式流量センサを垂直に取り付けた場合におけるゼロ点変動等を補正する為の各種の補正機能が組み込まれる。
特開平１１−１９０６４７号公報 特開２００４−９３１７９号公報

ところで熱式流量センサの検出特性には個体性が有るが、一般的には同一製造ロットにおける複数の熱式流量センサのゼロ点変化特性は略同一であると看做し得る。しかし図５に例示するように製造ロットの異なりに起因して熱式流量センサの検出特性（ゼロ点変化特性）にバラツキが生じることが否めない。しかもそのゼロ点変化特性のバラツキ幅は、ガス圧力が高くなるに従って大きくなる傾向にある。

しかしながら熱式流量計の設置現場において個々の熱式流量センサ毎にゼロ点変化特性を計測し、それに応じたゼロ点補正を行うことは極めて困難である。そもそも熱式流量計の設置現場においてガス圧力を変える等して熱式流量センサのゼロ点変化特性を計測すること自体が困難である。そこで従来一般的には、熱式流量センサの標準的（平均的）な特性を基準として定められたゼロ点補正テーブルを用いて個々の熱式流量センサに対するゼロ点補正を行うようにしている。しかし前述した特性のバラツキが原因して、却ってゼロ点変位が大きくなる虞があった。

また、例えば製造ロットの違いに起因して熱式流量センサが有する初期特性自体が異なるので、熱式流量計が備えた各種の補正機能を用いてその出力特性を補正するには、熱式流量センサの初期特性を予め各種条件下において個々に調べておくことが必要となる。しかも熱式流量センサの初期特性に応じた補正テーブルを準備することも非常に煩わしいと言う問題がある。

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、製造ロットの異なりに拘わることなく熱式流量センサのゼロ点変化特性を標準的（平均的）な特性に近付ける調整を施すことでバラツキを小さくし、これによって標準的（平均的）な特性を基準として定められたゼロ点補正テーブルを用いて簡易にゼロ点補正を施すことを可能とした熱式流量計およびその初期調整方法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の初期調整方法は、ガスの通流方向に発熱素子を挟んで設けられた一対の感熱素子および前記ガスの温度を検出する温度検出素子を備えた熱式流量センサと、前記温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路と、前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を計測するセンサ回路とを備え、ガスの流路を垂直方向に形成した流量計本体に組み込まれる熱式流量計を、例えば工場出荷前に調整する初期調整方法であって、
前記熱式流量センサに一定流量のガスを通流した状態において、前記センサ回路の出力が予め定めた値となるように前記温度検出素子に直列接続された固定抵抗の値を調整して前記発熱素子の抵抗値と前記温度検出素子の抵抗値との比、またはその抵抗値比の温度に対する変化率を予め定めた比率に設定する調整工程を備えることを特徴としている。

また本発明に係る熱式流量計は、ガスの通流方向に発熱素子を挟んで設けられた一対の感熱素子および前記ガスの温度を検出する温度検出素子とを備えた熱式流量センサと、この温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路と、前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を計測するセンサ回路とを備え、ガスの流路を垂直方向に形成した流量計本体に組み込まれるものであって、
前記温度検出素子は、該温度検出素子に直列接続された固定抵抗を備え、この固定抵抗は前記熱式流量センサに一定流量のガスを通流した状態において前記センサ回路の出力が予め定めた値となるように予めその抵抗値が調整して、前記発熱素子の抵抗値と前記温度検出素子の抵抗値との比、またはその抵抗値比の温度に対する変化率が予め定めた比率に設定されていることを特徴としている。

ちなみに前記ヒータ回路は、例えば前記発熱素子とこの発熱素子に直列接続された第１の固定抵抗、および前記温度検出素子とこの温度検出素子に直列接続された第２の固定抵抗を用いて形成される抵抗ブリッジ回路と、この抵抗ブリッジ回路の出力に応じて該ブリッジ回路の駆動電圧を制御する増幅器とからなり、前記調整工程は、前記第２の固定抵抗の抵抗値を調整する工程からなる。尚、前記第２の固定抵抗の抵抗値の調整は、前記第２の固定抵抗に調整用抵抗を並列接続して、若しくは前記第２の固定抵抗をトリミングすることによって行われる。

熱式流量計に対する上述した初期調整によれば、センサ出力のゼロ点変化特性がその製造ロットにより異っても、温度検出素子に直列接続された第２の固定抵抗を調整することで発熱素子の抵抗値と温度検出素子の抵抗値との比、またはその抵抗値比の温度に対する変化率を予め定めた比率に設定するので、ガス温度に対する前記発熱素子の発熱温度のバラツキを抑えることができる。この結果、ヒータ温度上昇のバラツキがない分、前記熱式流量センサの検出特性（ゼロ点変化特性）のバラツキを抑えてそのゼロ点変化特性を一定化することができるので、熱式流量計の設置現場においては標準的（平均的）な特性を基準とするゼロ点補正テーブルを用いることで簡易にゼロ点補正を行うことが可能となる。

換言すれば製造ロットの拘わりなく熱式流量センサの検出特性（ゼロ点変化特性）を標準的（平均的）な特性に揃えることができるので、熱式流量計の設置現場において、その都度、ガス圧力を変える等して熱式流量センサのゼロ点変化特性を計測することなく、そのゼロ点補正を簡易に、しかも効果的に行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る熱式流量計とその初期調整方法について説明する。尚、この熱式流量計は、センサチップ上にガスの通流方向に沿って発熱素子（ヒータ素子）Ｒｈを挟んで設けた一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の雰囲気温度を該センサチップに沿って通流するガスの温度よりも一定温度Ｔだけ高め、このときに前記一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄにより検出される温度差ΔＴから前記流体の流量Ｑを求めるタイプのものである。

図１は本発明の一実施形態に係る熱式流量計と初期調整装置の概略構成を示しており、１はシリコン等の半導体基板上に一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄと発熱素子（ヒータ素子）Ｒｈ、および温度検出素子Ｒｒを形成した、例えば図３に示した素子構造の熱式流量センサである。この熱式流量センサ１の駆動回路は、基本的には上記温度検出素子Ｒｒによって検出される雰囲気温度に応じて前記発熱素子Ｒｈを発熱駆動して前記一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度を一定温度Ｔだけ高くするヒータ回路３と、前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄによりその近傍の温度Ｔｕ,Ｔｄをそれぞれ検出し、これらの温度差ΔＴ（＝Ｔｕ−Ｕｄ）を前記熱式流量センサ１に沿って通流する流体の流量Ｑとして求めるセンサ回路４とを備える。

具体的には前記センサ回路４は、前記発熱素子Ｒｈを間にして流体の通流方向に設けられた一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄ、および一対の固定抵抗体Ｒｘ,Ｒｙを用いて構成された流量計測用の第１のブリッジ回路４ａと、この第１のブリッジ回路４ａにおける上記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差）を検出する差動増幅器４ｂとを備えて構成される。

また前記ヒータ回路３は、前記発熱素子Ｒｈとこの発熱素子Ｒｈに直列接続した第１の固定抵抗Ｒ１、および前記温度検出素子Ｒｒとこの温度検出素子Ｒｒに直列接続した第２の固定抵抗体Ｒ２を用い、これらの直列回路を並列接続して構成した温度制御用の第２のブリッジ回路３ａと、電源電圧Ｖccを受けて上記ブリッジ回路３ａの駆動電圧を可変するトランジスタ３ｂと、前記ブリッジ回路３ａのブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差）を求め、このブリッジ出力電圧が零（０）となるように前記トランジスタ３ｂの作動を帰還制御する差動増幅器３ｃとを備えて構成される。この差動増幅器３ｃの出力による前記トランジスタ３ｂの帰還制御により前記発熱素子Ｒｈの発熱温度Ｔｈが、前記温度検出素子Ｒｒにて検出される周囲温度（雰囲気温度）よりも常に一定温度Ｔだけ高くなるように制御される。

基本的には上述した如く構成される熱式流量計において、本発明が特徴とするところは初期調整装置１０の管理の下で前記温度制御用の第２のブリッジ回路３ａにおける前記温度検出素子Ｒｒに直列接続された第２の固定抵抗体Ｒ２が、センサ回路４によって検出されるセンサ出力に応じて初期調整されるようになっている点である。ちなみに第２の固定抵抗体Ｒ２の初期調整は、該第２の固定抵抗体Ｒ２に調整用抵抗を並列接続して、或いは第２の固定抵抗体Ｒ２をトリミングして行われる。

即ち、この熱式流量計に対する初期調整は、例えば図２にその処理手順を示すように工場出荷前の熱式流量計に一定流量のガスを通流し［ステップＳ１］、この状態において前記センサ出力を検出しながら実行される［ステップＳ２］。そして初期調整装置１０においてはセンサ出力が予め求められている標準的な熱式流量計のセンサ出力（基準値）と同じであるか否かを判定し［ステップＳ３］、センサ出力が上記基準値となるように前記第２の固定抵抗体Ｒ２の抵抗値を調整することによって行われる［ステップＳ４］。

具体的にはセンサ出力が基準値よりも大きい場合には、前記発熱素子Ｒｈの発熱温度Ｔｈを低くするべく前記第２の固定抵抗体Ｒ２をトリミングしてその抵抗値を高くする。逆にセンサ出力が基準値よりも小さい場合には、前記発熱素子Ｒｈの発熱温度Ｔｈを高くするべく前記第２の固定抵抗体Ｒ２に調整用抵抗を並列接続してその抵抗値を低くする。調整用抵抗の並列接続については、予め複数の調整用抵抗を前記熱式流量センサ１における基板の周辺部等に形成しておき、適当と判断した調整用抵抗の結線されていない端子を半田付け等によって第２の固定抵抗体Ｒ２に選択的に結線するようにすれば良い。

かくしてこのような初期調整方法によれば、発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨと、温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲとの比、つまり抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］を、またはその抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］の温度に対する変化率［（ＲＲ／ＲＨ）／（ＲＲo／ＲＨｏ）］を予め設定した標準的（平均的）な比率に設定することができ、これによって熱式流量センサの検出特性（ゼロ点変化特性）を標準的（平均的）な特性に揃えることができる。そして熱式流量センサのゼロ点変化特性を標準的（平均的）なものとして初期設定しておけば、予め求められている標準的（平均的）なゼロ点補正テーブルを参照する等して、そのゼロ点補正を簡易に実行することが可能となる。

即ち、発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨは、その発熱温度をＴＨ、基準温度（０℃）での抵抗値をＲＨoとしたとき、
ＲＨ＝ＲＨo（１＋αＴＨ）
として与えられる。また温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲは、周囲温度をＴａ、基準温度（０℃）での抵抗値をＲＲoとしたとき、
ＲＲ＝ＲＲo（１＋αＴａ）
として与えられる。

そこで発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨと、温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲとの抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］の温度に対する変化率［（ＲＲ／ＲＨ）／（ＲＲo／ＲＨｏ）］に着目すれば、
（ＲＲ／ＲＨ）／（ＲＲo／ＲＨｏ）
＝｛［ＲＲo（１＋αＴａ）］／［ＲＨo（１＋αＴＨ）］｝／（ＲＲo／ＲＨｏ）
＝（１＋αＴａ）／（１＋αＴＨ）
となり、基準温度における前記発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨoと、温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲoとの抵抗値比［ＲＲo／ＲＨo］のバラツキに拘わらず一定となる。従って前記変化率［（ＲＲ／ＲＨ）／（ＲＲo／ＲＨｏ）］が一定の比率となるように前記第２の固定抵抗体Ｒ２の抵抗値を調整すれば、前記発熱素子Ｒｈの発熱温度ＴＨを常に一定にすることが可能となる。

尚、基準温度における前記発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨo、および温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲoのバラツキが無視できるとすれば、
ＲＲo ／ＲＨo ＝Ｋ
として示され、発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨと、温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲとの抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］は
ＲＲ／ＲＨ＝［ＲＲo（１＋αＴａ）］／［ＲＨo（１＋αＴＨ）］
＝Ｋ（１＋αＴａ）／（１＋αＴＨ）
となる。従って前記発熱素子Ｒｈと温度検出素子Ｒｒとの抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］が一定の比率となるように前記第２の固定抵抗体Ｒ２の抵抗値を調整すれば、周囲温度Ｔａに対する発熱温度ＴＨのバラツキ、つまりヒータ温度上昇のバラツキを抑え、発熱素子Ｒｈの発熱による自然対流を一定化することができる。

故に上述した調整を施せば、センサ出力のゼロ点変化の特性自体を標準的（平均的）な熱式流量センサのゼロ点変化特性に簡易に、しかも精度良く揃えることが可能となる。そして初期調整が施された熱式流量計は、流量センサのゼロ点変化特性が一定に揃えられたものとなる。従って熱式流量計の設置現場において、熱式流量計が備えるゼロ点補正機能を活用するだけで、予め求められているゼロ点補正テーブルを参照する等してそのゼロ点補正を簡易に実行することが可能となる。

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。例えば発熱素子Ｒｈの抵抗値ＲＨと、温度検出素子Ｒｒの抵抗値ＲＲとをオフラインでそれぞれ計測しながら、これらの抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］が発熱素子Ｒｈの発熱温度Ｔｈに１対１に対応することを利用して上記抵抗値比［ＲＲ／ＲＨ］が予め定められた値となるように第２の固定抵抗Ｒ２の値を調整することも可能である。要は本発明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。

本発明の一実施形態に係る熱式流量計の概略構成図。 本発明の一実施形態に係る熱式流量計の初期調整方法の処理手順を示す図。 熱式流量センサの概略構成図。 密度と圧力によって変化する熱式流量センサのゼロ点変化特性を示す図。 製造ロットによって異なる熱式流量センサのゼロ点変化特性のバラツキを示す図。

符号の説明

１ 熱式流量センサ
３ ヒータ回路
４ センサ回路
Ｒｈ 発熱素子
Ｒｒ 温度検出素子
Ｒ１,Ｒ２ 固定抵抗
Ｒｕ,Ｒｄ 感熱素子
Ｒｘ,Ｒｙ 固定抵抗

Claims (6)

1. ガスの通流方向に発熱素子を挟んで設けられた一対の感熱素子および前記ガスの温度を検出する温度検出素子を備えた熱式流量センサと、前記温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路と、前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を計測するセンサ回路とを備え、ガスの流路を垂直方向に形成した流量計本体に組み込まれる熱式流量計の初期調整方法であって、
   前記熱式流量センサに一定流量のガスを通流した状態において、前記センサ回路の出力が予め定めた値となるように前記温度検出素子に直列接続された固定抵抗の値を調整して前記発熱素子の抵抗値と前記温度検出素子の抵抗値との比、またはその抵抗値比の温度に対する変化率を予め定めた比率に設定する調整工程を備えることを特徴とする熱式流量計の初期調整方法。
2. 前記ヒータ回路は、前記発熱素子とこの発熱素子に直列接続された第１の固定抵抗、および前記温度検出素子とこの温度検出素子に直列接続された第２の固定抵抗を用いて形成される抵抗ブリッジ回路と、この抵抗ブリッジ回路の出力に応じて該ブリッジ回路の駆動電圧を制御する増幅器とからなり、
   前記調整工程は、前記第２の固定抵抗の抵抗値を調整するものである請求項１に記載の熱式流量計の初期調整方法。
3. 前記第２の固定抵抗の抵抗値の調整は、前記第２の固定抵抗に調整用抵抗を並列接続して、若しくは前記第２の固定抵抗をトリミングして行われるものである請求項２に記載の熱式流量計の初期調整方法。
4. ガスの通流方向に発熱素子を挟んで設けられた一対の感熱素子および前記ガスの温度を検出する温度検出素子とを備えた熱式流量センサと、この温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路と、前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を計測するセンサ回路とを備え、ガスの流路を垂直方向に形成した流量計本体に組み込まれる熱式流量計であって、
   前記温度検出素子は、該温度検出素子に直列接続された固定抵抗を備え、
   この固定抵抗は、前記熱式流量センサに一定流量のガスを通流した状態において前記センサ回路の出力が予め定めた値となるように予めその抵抗値が調整されて、前記発熱素子の抵抗値と前記温度検出素子の抵抗値との比、またはその抵抗値比の温度に対する変化率が予め定めた比率に設定されていることを特徴とする熱式流量計。
5. 前記ヒータ回路は、前記発熱素子とこの発熱素子に直列接続された第１の固定抵抗、および前記温度検出素子とこの温度検出素子に直列接続された第２の固定抵抗を用いて形成される抵抗ブリッジ回路と、この抵抗ブリッジ回路の出力に応じて該ブリッジ回路の駆動電圧を制御する増幅器とからなり、
   予め抵抗値が調整される前記固定抵抗は、前記第２の固定抵抗である請求項４に記載の熱式流量計。
6. 前記第２の固定抵抗は、調整用抵抗が並列接続されて、若しくはトリミングが施されて抵抗値が調整されたものである請求項５に記載の熱式流量計。

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