JP2019078564A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】流量に対するセンサの出力の変化の割合の線型性を向上させる。【解決手段】フローセンサは、直線的に設けられる発熱部と、前記発熱部と離間して設けられた複数の熱電対とを備え、前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部からの距離及び前記発熱部からの受熱量が所定の範囲内に分散するように配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、フローセンサに関する。

ヒータの周囲にサーモパイルを配置し、温度分布に基づいて流体の流量や流速を測定するセンサが提案されている。

例えば、流体の流量や流速などを測定するサーモパイル型温度センサを用いた感熱式フローセンサであって、複数の熱電対の配置間隔を、ヒータ部から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置したものや、ヒータ部の温度分布の等温曲線に沿うように熱電対の温接点を配置したものが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−２９２２３４号公報 特開平１１−１１８５５４号公報

例えばヒータ部の温度分布の等温曲線に沿うように熱電対の温接点を配置した場合、ヒータ部と熱電対との距離に応じて感度を向上させることができる流量域は決まる。すなわち、当該流量域を外れると、流量の変化に対する出力の変化の割合が大きく変動し、出力から流量を求める際に必要な補正量が増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、流量に対するセンサの出力の変化の割合の線型性を向上させることを目的とする。

フローセンサは、直線的に設けられる発熱部と、前記発熱部と離間して設けられた複数の熱電対とを備え、前記温度測定部は、前記発熱部からの距離及び前記発熱部からの受熱量が所定の範囲内に分散するように配置される。

発熱部は、フローセンサの周囲を流れる流体を加熱する。発熱部は、例えば、ポリシリコンで形成されるヒータを含み、電流が流れることで発熱する。複数の熱電対は、例えばサーモパイルを形成し、熱電対の温接点と冷接点との温度差に応じた電圧を出力する。上述のように、温接点を、発熱部からの距離及び発熱部からの受熱量が分散するように配置することにより、発熱部からの距離又は発熱部からの受熱量が一定の場合よりも広い流量域において、流量に対するセンサの出力の変化の割合を平均的にすることができる。すなわち、流量に対するセンサの出力の変化の線型性を向上させることができる。

また、前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部からの距離が遠いものと近いものとが、前記発熱部の長手方向に沿って繰り返し配置されるようにしてもよい。このようにすれば、複数の温接点において、発熱部からの距離及び発熱部からの受熱量を分散させることができる。

また、前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部の周囲の領域であって、前記発熱部の
長手方向の中央を含む一部に対向する領域に、前記発熱部の長手方向に略平行な方向及び前記長手方向に略垂直な方向にそれぞれ複数配置されるようにしてもよい。このようにすれば、受熱量の比較的低く出力に寄与する程度の低い温接点を減らし、温度測定部の感度を向上させることができる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段に示した流量測定装置の内容は、方法又はプロセッサ等の演算装置に実行させるプログラム、若しくはプログラムを格納する媒体として提供することができる。

流量の変化に対するセンサの出力の変化の線型性を向上させることができる。

フローセンサの一例を示す斜視図である。 フローセンサの一例を示す平面図である。 フローセンサの一例を示す断面図である。 フローセンサの１つの具体例を示す平面図である。 比較例に係るフローセンサの出力と、測定対象流体の流量との関係を説明するための図である。 実施形態に係るフローセンサの出力と、測定対象流体の流量との関係を説明するための図である。 変形例に係るフローセンサの一例を示す平面図である。

＜適用例＞
図１は、フローセンサ（センサ素子）の一例を示す斜視図である。図２は、フローセンサの上面の一例を示す平面図である。図３は、フローセンサを図２に示すＡ−Ａで切断した断面図である。

本実施形態に係るフローセンサ１００は、発熱部１と、発熱部１を間にしてその両側に設けられる２つの温度測定部２と、基板・周囲気体温度測定部３と、ホール４と、パッド５とを、基板６上に備えている。また、基板６の内部にはキャビティ８が設けられており、発熱部１、温度測定部２の一部、及びホール４は、キャビティ８の上に位置する薄膜（メンブレン）７上に存在する。なお、図２においては薄膜７の範囲を破線の矩形で示している。また、図２に示すように、温度測定部２は、発熱部１と離間して設けられる第１の温度測定部２１と、発熱部１を基準にして第１の温度測定部２１とは反対側に設けられる第２の温度測定部２２とを含む。そして、フローセンサ１００は、その周囲を流れる流体の流量又は流速により変化する温度分布に応じた出力を行う。

発熱部１は、例えばポリシリコンで形成されるマイクロヒータを含む。すなわち、発熱部１に含まれる抵抗体は、電流が流れることにより発熱する。なお、図２及び図３においては、破線の楕円で温度分布を模式的に示している。

第１の温度測定部２１及び第２の温度測定部２２の各々は、例えば複数の熱電対を有するサーモパイルである。図２においては、模式的に、各熱電対を矩形で表し、熱電対の温接点を黒い正方形で示す。なお、各熱電対の長手方向における温接点の反対側には、冷接点が位置するものとする。各温接点は薄膜７上に配置されており、冷接点は基板６上に配置されている。

基板６は、例えばシリコンで形成された基体であり、フローセンサ１００の周囲やキャビティ８内に存在する気体よりも一般的に熱伝導率が高くなっているといえる。また、薄膜７及びキャビティ８は、例えばエッチングにより形成される。

ホール４は、薄膜７に設けられ、キャビティ８の内外を連通する。また、ホール４は、発熱部１の周囲（図示せず）及び薄膜７の縁に沿って設けられ、比較的熱伝導率の高い基板６へ発熱部１の熱が伝わることを抑制する。すなわち、ホール４は薄膜７上の断熱部といえる。

基板・周囲気体温度測定部３は、例えば抵抗体であり、フローセンサ１００が設置される環境の温度に応じて抵抗値が変化する。また、基板・周囲気体温度測定部３は、基板６上であって、温度測定部２の冷接点よりも発熱部１から離れた位置に配置され、基板６や、フローセンサ１００の周囲の気体の温度を測定する。

パッド５は、フローセンサ１００への給電や、フローセンサ１００からの出力を行うための電極であり、フローセンサ１００の構成要素と導線を介して接続されている。

また、本実施形態に係る熱電対の温接点は、発熱部１からの距離が所定の範囲に分散するように配置されている。すなわち、温接点は、発熱部１からの距離が一定にならないように分散している。なお、発熱部１から温接点までの距離は、例えば、発熱部１から温接点への最短距離をいうものとする。また、温接点は、フローセンサ１００の周囲に流体の流れがない場合（例えば、無風時）における発熱部１からの受熱量が一定にならない位置に分散しているともいえる。フローセンサ１００の周囲に流体の流れがない場合における温度を、発熱部１からの受熱量とする。図２及び図３において、破線の楕円で模式的な等温線を示す。なお、楕円の太さが太いほど、高温の領域を表している。図２における等温線は、発熱部１の中心を中心として、発熱部１の長手方向に長軸が沿った楕円で表されている。

温接点を、発熱部からの距離及び発熱部からの受熱量が分散するように配置することにより、発熱部からの距離又は発熱部からの受熱量が一定の場合よりも広い流量域において、流量に対するセンサの出力の変化の割合を平均的にすることができる。すなわち、流量に対するセンサの出力の変化の線型性を向上させることができる。

＜実施形態＞
図４は、フローセンサの１つの具体例を示す平面図である。フローセンサ１００は、ある方向に沿って第１の温度測定部２１、発熱部１、第２の温度測定部２２を有している。第１の温度測定部２１及び第２の温度測定部２２は、発熱部１に対して対称に設けられている。例えば、フローセンサ１００の設置場所において流体が流れる方向の上流側に第１の温度測定部２１が位置し、下流側に第２の温度測定部２２が位置するようにフローセンサ１００を設置することで、流量又は流速に応じた温度分布を、精度良く測定することができる。

また、フローセンサ１００は、薄膜７上に発熱部１を有する。発熱部１は、図４において一点鎖線の矩形で示されており、発熱部１は、太い破線で示されるヒータ１１を含む。図４に例示するヒータ１１は、薄膜７上においてジグザグに折れ曲がった形状であるが、ヒータ１１はクランク状に連続する曲線形状であってもよいし、直線上であってもよい。また、発熱部１は、ヒータ１１の周囲にホール４を含む。ホール４は、凸部と凹部とを繰り返し含むヒータ１１の凹部に、千鳥配置で複数設けられている。換言すれば、発熱部１は薄膜７の略中央を通過し薄膜７を二分するように略直線的に配置されている。そして、発熱部１の周囲には、発熱部１の長手方向に沿って、第１の温度測定部２１の温接点２１
１、第２の温度測定部２２の温接点２２１が設けられている。また、第１の温度測定部２１及び第２の温度測定部２２は、それぞれ複数の熱電対を含む。熱電対の各々の長手方向は、発熱部１の長手方向と直交する。そして、第１の温度測定部２１及び第２の温度測定部２２はそれぞれ、発熱部１から遠方の端に、冷接点２１２及び冷接点２２２を有する。また、冷接点は２１２及び冷接点２２２は、薄膜７上でなく基板６上に位置している。

熱電対は、２種類の導体又は半導体の端部を接合して形成される。図４においては、温接点２１１と冷接点２１２とを接続する破線及び一点鎖線が、２種類の導体又は半導体を示している。例えば、Ｎ型ポリシリコンと、アルミニウムとを接合して熱電対を形成することができるが、用いられる導体又は半導体はこれらには限定されない。また、熱電対を複数接合して、温度測定部２の一例であるサーモパイルが形成される。

サーモパイルは、温接点と冷接点との温度差により電位差を生じる。本実施形態では、例えば流体の上流側に位置する第１の温度測定部２１、及び流体の下流側に位置する第２の温度測定部２２が、それぞれの熱電対の温度差に応じた電圧を出力する。

そして、フローセンサ１００は、例えば流体の下流側に位置する第２の温度測定部２２の出力電圧と、流体の上流側に位置する第１の温度測定部２１の出力電圧との差分に応じた値を、流体の流量又は流速に応じた値として出力する。

また、図４に示すように、複数の熱電対の温接点は、発熱部１からの距離が遠いものと近いものとが、前記発熱部１の長手方向に沿って繰り返し配置されている。

＜比較例＞
図５は、発熱部から温接点までの距離が一定であるフローセンサの出力と、測定対象流体の流量との関係を説明するための図である。流量がゼロである無風時の温度分布は、上流側と下流側とで偏りはない。したがって、上流側の第１の温度測定部の出力と、下流側の第２の温度測定部の出力との差分に応じて決まるフローセンサの出力は、ほぼゼロになっている。

流体に流れが生じた中流量時の温度分布は、高温の領域が下流側に偏る。したがって、流量の増加に伴い、上流側の第１の温度測定部の出力は無風時よりも下がると共に、下流側の第２の温度測定部の出力は無風時よりも上がり、フローセンサの出力は上昇する。このときの流量に対するフローセンサの出力の変化は線型にはならない。

さらに流量が増加し、発熱部によって加熱される領域が下流側のサーモパイルの冷接点まで到達した場合は、温接点と冷接点との温度差が小さくなる。したがって、高流量域における下流側の第２の温度測定部の出力は、ある流量をピークに減少することがある。一方、上流側の第１の温度測定部はあまり加熱されず、高流量域における第１の温度測定部の出力は小さな値に漸近する。総合すると、フローセンサの出力は、グラフに示すように、流量の増加に反し減少することがある。

以上のように、複数の温接点が、発熱部からの距離が一定になる位置に配されていると、流量の増加に対するフローセンサの出力の変化の傾きが一定にならない。したがって、出力の大きさに応じて別途補正をしなければ流量を求めることができず、補正量の大きな流量域においては補正後の流量に含まれる誤差も大きくなるおそれがある。すなわち、精度よく使用できる流量域に制限があった。

＜効果＞
図６は、上述した実施形態に係るフローセンサ１００の出力と、測定対象流体の流量と
を関係を模式的に説明するための図である。図６の例では、流量の変化にともなうフローセンサ１００の出力の変化を実線のグラフで示している。フローセンサ１００は、図６の右上に模式的な配置を示すように、発熱部１からの距離が異なる位置に熱電対の温接点が分散している。仮に、発熱部１からの距離が近い位置にすべての温接点を配置した場合は、出力特性はピークが低流量域にある破線のグラフになる。また、発熱部１からの距離が遠い位置にすべての温接点を配置した場合は、出力特性はピークが高流量域にある破線のグラフになる。これに対し、発熱部１からの距離が近いものと遠いものとを所定の範囲内に分散させた場合は、出力のピークに至るまでの区間にわたって、流量の増加に対する出力の変化の傾きが平均的になり、グラフが直線的になっている。すなわち、出力の変化の線型性が向上し、流量域によって必要な補正量が低減する。したがって、より広い流量域において出力の精度を向上させることができる。なお、図６の例では、発熱部１からの距離が近い温接点と遠い温接点の２種類の熱電対が交互に発熱部１の長手方向に沿って並んでいるが、発熱部１から熱電対の温接点までの距離は３段階以上であってもよい。

なお、実施形態に係るフローセンサ１００の温接点は、測定対象の流体について想定される流量によって生じる温度分布の幅に応じて決定される所定の範囲内に分散させることで、所望の流量域全体にわたって出力の精度を向上させることができる。

＜変形例＞
実施形態に係る熱電対の温接点は、発熱部１からの距離が近いものから遠いものが規則的に繰り返し配置されていたが、このような例には限られない。例えば、温接点の位置は所定の範囲内でランダムに分散させてもよい。また、発熱部１から冷接点までの距離を変更してもよい。

図７は、変形例に係るフローセンサの一例を示す平面図である。上述した実施形態では、熱電対の各々は、その長手方向が発熱部１の長手方向と直交するように配置されていたが、このような例には限定されない。図７の例では、発熱部１の周囲であって薄膜７の中央に近い位置に温接点を集約して配置している。換言すれば、複数の温接点は、発熱部１の周囲の領域であって、発熱部１の長手方向の中央を含む一部に対向する領域に、発熱部の長手方向に略平行な方向及び長手方向に略垂直な方向にそれぞれ複数配置されている。より具体的には、複数の熱電対の温接点は、発熱部１の周囲の領域であって、発熱部１の略中央（換言すれば、薄膜７の略中央）を中心とし長辺が発熱部１の長手方向に沿った楕円で定められる領域にほぼ収まるように配置されている。また、複数の温接点は、発熱部１の長手方向に略平行な方向及び発熱部１の長手方向に略垂直な方向にそれぞれ複数配置され、格子状または網目状に並んでいるといえる。

なお、熱電対の冷接点は薄膜７の外の基板６上に設けられ、適宜導体で連結されるものとする（図示せず）。すなわち、変形例に係る熱電対が配置される向きは、発熱部１の長手方向と直交する方向には限定されず、例えば、温接点と冷接点とを接続する導体同士が交差しないような任意のパターンを採用することができる。

発熱部１は、矩形状の薄膜７の対向する２辺の中点同士を結ぶ直線にほぼ沿って設けられている。また、発熱部１の周囲、及び上記の対向する２辺に沿った位置には、薄膜７上の又は基板６への熱の伝達を抑制するために設けられた断熱部であるホール４が存在する。しかしながら、発熱部１が発する熱は、薄膜７の端近づくほど基板６へ逃げやすい。したがって、発熱部１の長手方向に沿って熱電対を配置する場合、サーモパイルの端に近い熱電対（換言すれば、薄膜７の端に近い熱電対、または発熱部１の端に近い熱電対）の受熱量は相対的に小さく、サーモパイルの出力へ寄与する量も小さい。

図７の例では、無風時の温度分布に基づいて、温度が最も高くなる発熱部１の中心を中
心とする所定の範囲内に温接点を分散させている。なお、所定の範囲は、無風時の温度分布における所定の等温線に基づいて定めるようにしてもよい。

このようにすれば、出力が小さい熱電対を減らし、サーモパイル全体としての感度を向上させることができる。

なお、例えば、フローセンサ１００は、直線的に設けられる発熱部１と、前記発熱部と離間して設けられた複数の熱電対（２１、２２）と、を備え、前記複数の熱電対の温接点（２１１、２２１）は、前記発熱部１からの距離及び前記発熱部１からの受熱量が所定の範囲内に分散するように配置されるものであってもよい。

また、前記複数の熱電対の温接点（２１１、２２１）は、前記発熱部１からの距離が遠いものと近いものとが、前記発熱部１の長手方向に沿って繰り返し配置されるようにしてもよい。

また、前記複数の熱電対の温接点（２１１、２２１）は、前記発熱部１の周囲の領域であって、前記発熱部１の長手方向の中央を含む一部に対向する領域に、前記発熱部１の長手方向に略平行な方向及び前記長手方向に略垂直な方向にそれぞれ複数配置されるようにしてもよい。

以上、実施形態及び変形例に係る流量測定装置について説明したが、上述した流量測定装置は一例であり、本発明に係る流量測定装置は、上記の構成には限定されない。説明した実施形態及び変形例の構成は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。

１００ ：フローセンサ
１ ：発熱部
２ ：温度測定部
２１ ：第１の温度測定部
２１１ ：温接点
２１２ ：冷接点
２２ ：第２の温度測定部
２２１ ：温接点
２２２ ：冷接点
３ ：基板・周囲気体温度測定部
４ ：ホール
５ ：パッド
６ ：基板
７ ：薄膜
８ ：キャビティ

Claims (3)

1. 直線的に設けられる発熱部と、
   前記発熱部と離間して設けられた複数の熱電対と、
   を備え、
   前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部からの距離及び前記発熱部からの受熱量が所定の範囲内に分散するように配置される
   フローセンサ。
2. 前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部からの距離が遠いものと近いものとが、前記発熱部の長手方向に沿って繰り返し配置される
   請求項１に記載のフローセンサ。
3. 前記複数の熱電対の温接点は、前記発熱部の周囲の領域であって、前記発熱部の長手方向の中央を含む一部に対向する領域に、前記発熱部の長手方向に略平行な方向及び前記長手方向に略垂直な方向にそれぞれ複数配置される
   請求項１に記載のフローセンサ。

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