JP3802443B2 - 流速センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体や液体等の流体の流速測定に用いられる流速センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出願人は、特開平２−２５９５２７号公報で、高精度かつ高速応答を実現する半導体微細加工構成の流速センサを提案した。図１は本発明の代表的な流速センサの平面図及び断面図であるが、従来の流速センサもその基本構成は同様であるので、図１を用いて特開平２−２５９５２７号公報の流速センサの構成を説明する。
【０００３】
流速センサは、単結晶シリコンなどからなる基台１上に形成され、この基台１の中央部には空隙部２が形成されている。また、基台１上には、空隙部２によって基台１から空間的に隔離された薄膜層３が形成されている。薄膜層３には、空隙部２を介して連通する対をなすスリット４ａ，４ｂが互いに所定の間隔をおいて設けられている。さらに、これらのスリット４ａ，４ｂの間には、スリット４ａ，４ｂの間を結ぶ直線と直交する方向に延びるスリット５が設けられており、このスリット５により、スリット４ａ，４ｂの間に２つの配設部６ａ，６ｂが形成されている。配設部６ａ，６ｂは、スリット５により互いに熱的に絶縁されている。
【０００４】
配設部６ａには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡが形成され、同様に、配設部６ｂには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢが形成されている。また、薄膜層３と基台１とが熱的に接する部分、すなわち空隙部２が設けられていない部分には、周囲温度により抵抗値が変化する周囲温度測温抵抗エレメントＣが形成されている。
【０００５】
図６は特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサの電気回路図である。流速センサの電気回路は、基台１上を移動する気体の流速を測定するためのものであり、温度差検出回路１００と、定電流回路２００と、スイッチング回路３００とで構成されている。温度差検出回路１００は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂとそれより大きな抵抗値を持つ抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２とで構成されるブリッジ回路と、このブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅器Ａ１０１，Ａ１０２と、この増幅器Ａ１０１，Ａ１０２の出力電圧の差分値を出力する差分増幅器Ａ１０３とで構成されている。ブリッジ回路は、周囲温度測温抵抗エレメントＣとトランジスタＴＲ２０１，ＴＲ２０２と抵抗Ｒ２０１で構成される定電流回路２００から定電流を供給されるとともに、トランジスタＴＲ３０１と抵抗Ｒ３０１とで構成されるスイッチング回路３００により間欠的に駆動されることになる。
【０００６】
ここで、周囲温度測温抵抗エレメントＣは、周囲温度の変化を補償するために設けられている。測温抵抗エレメントＡ，Ｂは、定電流回路２００から供給される定電流によって発熱する。ここで、抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに比べてかなり大きな抵抗値を有することから、測温抵抗エレメントＡ，Ｂは一定電流で駆動されるものと見なすことができる。
【０００７】
流速センサの表面で気体が流れると、その上流側に位置する測温抵抗エレメントＡは、その下流側に位置する測温抵抗エレメントＢに比べて、より強く冷やされる。これにより、２つの測温抵抗エレメントＡ，Ｂ間に温度差が現れ、この温度差は抵抗変化となり、前記ブリッジ回路はその平衡を失って、差分増幅器Ａ１０３はその温度差に応じた電圧を出力する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサは、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを熱絶縁した薄膜層３上に形成していることから、流体の流速を高精度に検出できるという特徴を有している。しかしながら、この流速センサでは、流速が増加すると、下流側の測温抵抗エレメントＢから奪われる熱エネルギーが増大して温度が低下し、上流側と下流側の測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値の差が減少する。このため、特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサでは、流速が増加すると、感度が低下し、高流速における測定が困難になるという問題点があった。また、この流速センサでは、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを定電流駆動しているため、流速によって測温抵抗エレメントＡ，Ｂおよびその近傍の薄膜層３の平均温度が変化する。つまり、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの直列抵抗が変化する。この温度、つまり測温抵抗エレメントＡ，Ｂの直列抵抗が変化すると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂおよびその近傍の薄膜層３が持つ熱容量のための熱的遅れとともに測温抵抗エレメントＡ，Ｂでの発熱量変化による温度変化がこれと干渉することによる遅れが生じ、結果として応答速度が遅くなるという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、広範囲な流速を測定することができる高速応答の流速センサ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、流体の流れ方向に並べて配置された発熱体と温度センサとにより、その流体の流れに起因する熱移動を求めることによって流体の流速を測定する流速センサにおいて、前記発熱体兼温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記発熱体兼温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流される電流をそれらの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように制御する制御回路と、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたものである。
また、本発明の流速センサは、前記温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、前記第１の測温抵抗エレメントの近傍に配設された第１の発熱体と、前記第２の測温抵抗エレメントの近傍に配設され前記第１の発熱体と直列に接続された第２の発熱体と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように前記直列に接続された第１および第２の発熱体に流す電流を制御する制御回路と、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたものである。
【００１０】
また、本発明の流速センサの１構成例は、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流す電流を制御する差動増幅回路を含むものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の発熱体に流す電流を制御する差動増幅回路を含むものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメント、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記周囲温度センサとを有するものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体と前記周囲温度センサとを有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となる流速センサの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、図２は図１（ａ），（ｂ）の流速センサの電気回路図である。
【００１２】
本実施の形態の流速センサは、単結晶シリコンなどからなる基台１上に形成され、この基台１の中央部には、例えば異方性エッチング等によって空隙部２が形成されている。また、基台１上には、空隙部２によって基台１から空間的に隔離された薄膜層（ダイアフラム部材）３が形成されている。ガス等の流体は、この薄膜層３上を通過する。
【００１３】
薄膜層３には、空隙部２を介して連通する対をなすスリット４ａ，４ｂが互いに所定の間隔をおいて設けられている。さらに、これらのスリット４ａ，４ｂの間には、スリット４ａ，４ｂの間を結ぶ直線と直交する方向に延びるスリット５が設けられており、このスリット５により、図１に示す流体の流れる方向に沿ってスリット４ａ，４ｂの間に２つの配設部６ａ，６ｂが形成されている。配設部６ａ，６ｂは、スリット５により互いに熱的に絶縁されている。
【００１４】
配設部６ａには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡが薄膜形成技術により形成され、同様に、配設部６ｂには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢが薄膜形成技術により形成されている。また、薄膜層３と基台１とが熱的に接する部分、すなわち空隙部２が設けられていない部分には、周囲温度（流体の温度）により抵抗値が変化する周囲温度測温抵抗エレメントＣが薄膜形成技術により形成されている。
【００１５】
７，８は測温抵抗エレメントＡの両端を外部の電気回路と接続するためのパッド、９，１０は測温抵抗エレメントＢの両端を電気回路と接続するためのパッド、１１，１２は周囲温度測温抵抗エレメントＣの両端を電気回路と接続するためのパッドである。
【００１６】
次に、本実施の形態の流速センサの電気回路を図２を用いて説明する。本実施の形態の流速センサの電気回路は、基台１上を移動する流体の流速を測定するためのものであり、ブリッジ回路２１と、差動増幅回路２２と、出力回路２３とを有している。ブリッジ回路２１は、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢとを直列に接続した第１の直列回路と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３と周囲温度測温抵抗エレメントＣとを直列に接続した第２の直列回路とからなり、第１の直列回路と第２の直列回路とを並列に接続することで構成されている。
【００１７】
差動増幅回路２２は、反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点に接続され、非反転入力端子が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点に接続され、出力端子が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続された演算増幅器Ａ１から構成される。
【００１８】
このような構成により、差動増幅回路２２は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１と、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２との差分値を増幅した出力電圧Ｖｏをブリッジ回路２１の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に印加する。
【００１９】
出力回路２３は、非反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点に接続され、反転入力端子と出力端子とが接続された演算増幅器Ａ２と、一端が演算増幅器Ａ２の出力端子に接続された抵抗Ｒ５と、一端が抵抗Ｒ５の他端と接続され、他端が接地された抵抗Ｒ６と、非反転入力端子が測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点に接続された演算増幅器Ａ３とから構成される。
【００２０】
ブリッジ回路２１の平衡条件は、抵抗Ｒ１の抵抗値／（測温抵抗エレメントＡの抵抗値＋測温抵抗エレメントＢの抵抗値）＝抵抗Ｒ２の抵抗値／（抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値）である。なお、本実施の形態では、室温などの基準となる周囲温度において抵抗Ｒ２の抵抗値＝抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値となるように、また抵抗Ｒ１の抵抗値＝（測温抵抗エレメントＡの抵抗値＋測温抵抗エレメントＢの抵抗値）の設定温度における抵抗値となるように設定されている。抵抗Ｒ３は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの平均温度と周囲温度測温抵抗エレメントＣの温度差を維持するための調整用抵抗である。なお、流速センサの温度特性を補正する目的のため、上記温度差を一定とせずに、例えば周囲温度が高くなるほどこの差を大きくするというように変化させてもよい。
【００２１】
差動増幅回路２２の演算増幅器Ａ１からブリッジ回路２１の抵抗Ｒ１，Ｒ２に電圧が印加されると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに電流が流れてこれらが発熱し、その結果、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２２】
ここで、周囲温度が上昇して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が増加すると、ブリッジ回路２１の平衡が失われ、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が上昇するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１を再度平衡にさせるべく、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを上昇させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに供給される電流が増加するので、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２３】
周囲温度が低下して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が減少すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が低下するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを低下させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２４】
一方、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂが冷やされ、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が下がり、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が低下するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを上昇させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２５】
また、流速が減少して、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が上昇すると、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が上昇するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを低下させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２６】
以上のように、差動増幅回路２２は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂで検出される温度（エレメントＡ，Ｂで検出される温度の平均値）が周囲温度測温抵抗エレメントＣで検出される周囲温度よりも常に一定温度高くなるように、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを発熱させる。
【００２７】
次に、演算増幅器Ａ２はボルテージフォロアを構成している。抵抗Ｒ５，Ｒ６からなる直列回路は、このボルテージフォロアＡ２を介して測温抵抗エレメントＡ，Ｂからなる直列回路に接続されている。ボルテージフォロアを用いることにより、ブリッジ回路２１内を流れる電流が抵抗Ｒ５，Ｒ６に流出しないようにしている。
【００２８】
抵抗Ｒ５，Ｒ６は、一般的には流速が０のとき、抵抗Ｒ５の抵抗値／抵抗Ｒ６の抵抗値＝測温抵抗エレメントＡの抵抗値／測温抵抗エレメントＢの抵抗値が成立するように設定されている。したがって、流速が０のとき、測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点の電位Ｖ３と、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点の電位Ｖ４が同電位となるので、演算増幅器Ａ３の出力電圧は０となる。なお、上記のように設定せずに、流速が０のときの出力電圧を流速０の出力電圧として校正したり、オフセットをもたせて流速０のとき任意の電圧値になるように設定してもよい。
【００２９】
前述のように、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂが冷やされる。このとき、上流側に位置する測温抵抗エレメントＡは、下流側に位置する測温抵抗エレメントＢに比べてより強く冷やされるので、測温抵抗エレメントＡの抵抗値が測温抵抗エレメントＢの抵抗値よりも小さくなる。その結果、測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点の電位Ｖ３が上昇するので、電位Ｖ３と、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点の電位Ｖ４とに差が生じる。演算増幅器Ａ３は、流速に応じた出力電圧、すなわち（Ｖ３−Ｖ４）に比例した電圧を出力する。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、周囲温度や流速に関係なく、測温抵抗エレメントＡ，Ｂで検出する温度の平均値が周囲温度よりも常に一定温度高くなるように測温抵抗エレメントＡ，Ｂを発熱させるので、流速が増加したときに、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値の差が減少して感度が低下することがなくなる。
【００３１】
また、本実施の形態では、測温抵抗エレメントＡ，Ｂからなる直列回路と、抵抗Ｒ５，Ｒ６からなる直列回路とを並列に接続している。したがって、周囲温度又は流速の変化により、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏが変化して、電圧Ｖ２が変化しても、これに応じて抵抗Ｒ５の端子電圧（ボルテージフォロアＡ２の出力電圧）も電圧Ｖ２と同じ値に変化するので、測温抵抗エレメントＡ，Ｂのリファレンス電位（電位Ｖ４）は、電圧Ｖ２に所定比Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６）をかけた値に常に調整される。その結果、電位差Ｖ３−Ｖ４は、流速のみを反映した値となり、流速の増大に伴ってほぼ直線的に増加する特性が得られる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図３は本発明の第２の実施の形態となる流速センサの平面図、図４は図３の流速センサの電気回路図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態では、配設部６ａに、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ’と、発熱体として機能する発熱抵抗エレメントＤとが薄膜形成技術により形成されている。同様に、配設部６ｂには、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢ’と、発熱体として機能する発熱抵抗エレメントＥとが薄膜形成技術により形成されている。
【００３３】
７，８は測温抵抗エレメントＡ’の両端を電気回路と接続するためのパッド、９，１０は測温抵抗エレメントＢ’の両端を電気回路と接続するためのパッド、１３，１４は発熱抵抗エレメントＤの両端を外部の電気回路と接続するためのパッド、１５，１６は発熱抵抗エレメントＥの両端を電気回路と接続するためのパッドである。
【００３４】
本実施の形態のブリッジ回路２１ａは、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ，Ｂの代わりに、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’を用いている。また、本実施の形態では、ブリッジ回路２１ａの抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に一定電圧Ｖｓを印加し、非反転入力端子が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点に接続された演算増幅器Ａ４を用いている。演算増幅器Ａ４の出力端子には、発熱抵抗エレメントＤと発熱抵抗エレメントＥとが直列に接続されている。
【００３５】
ブリッジ回路２１ａの平衡条件は、抵抗Ｒ１の抵抗値／（測温抵抗エレメントＡ’の抵抗値＋測温抵抗エレメントＢ’の抵抗値）＝抵抗Ｒ２の抵抗値／（抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値）である。ブリッジ回路２１ａに電圧Ｖｓが印加されると、演算増幅器Ａ４は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１と、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点の電位Ｖ２との差分電圧Ｖ１−Ｖ２を増幅して出力する。
【００３６】
これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅに電流が流れてこれらが発熱し、その結果、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの近傍に配置された測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の温度が上昇して、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加し、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３７】
ここで、周囲温度が上昇して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が増加すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が上昇するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を上昇させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅに供給される電流が増加するので、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３８】
周囲温度が低下して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が減少すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が低下するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を低下させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３９】
一方、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が下がり、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点の電位Ｖ２が低下するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を上昇させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００４０】
また、流速が減少して、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が上昇すると、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が上昇するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を低下させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
以上のようにして、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、出力回路２３の構成とその動作は、第１の実施の形態と全く同じである。
【００４１】
なお、第１、第２の実施の形態において、抵抗Ｒ３を削除して抵抗Ｒ２と周囲温度測温抵抗エレメントＣを直結し、その代わりに、測温抵抗エレメントＡ，Ｂ（Ａ’，Ｂ’）からなる直列回路と並列に抵抗を追加することにより、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’と周囲温度測温抵抗エレメントＣとの温度差を維持するための調整をしてもよい。また、第１、第２の実施の形態では、単結晶シリコンからなる基台１を用いているが、ステンレス、セラミック、サファイア等からなる基台を用いてもよい。
【００４２】
また、第１、第２の実施の形態では、ブリッジ回路と差動増幅回路を用いて直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの平均温度を周囲温度測温抵抗エレメントで測定された周囲温度よりもある一定温度高くなるようにする実施の形態について説明したが、マイコンなどを用いて周囲温度よりも直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの平均温度がある一定温度高くなるように電流または電圧を制御してもよい。つまり、直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの設定目標とする平均温度における直列抵抗値を温度と抵抗値の関係式から求め、その抵抗値になるように印加する電流または電圧を制御してもよい。なお、この場合は周囲温度の計測に外付けの一般的な温度センサを使用してもよい。さらに、図１、図３において、スリット５をなくしてもよく、１つの測温抵抗体の中点から配線を取り出すようにして、実質上２つの測温抵抗体として使用してもよい。
【００４３】
［第３の実施の形態］
図５は本発明の第３の実施の形態となる流速センサの断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１、第２の実施の形態では、流体の流れの中にエレメントＡ，Ｂ，Ｃを設けたが、本実施の形態は、基台３２に形成された薄肉部（ダイアフラム部）３３の流路側と反対側の被測定流体に直接接しない面にエレメントＡ，Ｂ，Ｃを設けたものである。
【００４４】
図５において、３１はステンレスからなる流路形成部材、３２は流路形成部材３１上に設置された、ステンレスからなる基台、３３は基台３２に形成された薄肉部（ダイアフラム部）、３４は基台３２上に形成された酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナあるいはポリイミド等の電気絶縁膜である。流路形成部材３１は流体の流路３６を形成する２つの貫通孔３７，３８を有している。基台３２の下面中央に長円状の凹部３５が形成されることにより、この凹部３５が形成されている表面側が薄肉部（ダイアフラム部）３３を形成している。凹部３５は、その両端部において貫通孔３７，３８と連通する。なお、凹部３５は、流体の流れをスムーズに流すために長円状が好ましいが、これに限らず矩形状や円形状でもよい。
【００４５】
基台３２の上面には、電気絶縁膜３４が全面にわたって形成されており、この電気絶縁膜３４の表面に測温抵抗エレメントＡ，Ｂや周囲温度測温抵抗エレメントＣ、パッド７〜１２が第１の実施の形態と同様に形成されている。電気回路は、図２に示したとおりである。また、上記とは逆に凹部３５の底面に電気絶縁膜を全面にわたって形成し、この電気絶縁膜の表面に測温抵抗エレメントＡ，Ｂとパッドを同様に形成し、周囲温度測温抵抗エレメントＣは、基台３２の厚肉部に電気絶縁膜を介してパッドと共に同様に形成し、その反対側の面に流体を流してもよい。
【００４６】
なお、第１の実施の形態の測温抵抗エレメントＡ，Ｂや周囲温度測温抵抗エレメントＣ、パッド７〜１２の代わりに、第２の実施の形態の測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’や周囲温度測温抵抗エレメントＣ、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅ、パッド７〜１６を形成してもよいことは言うまでもない。この場合の電気回路は、図３に示したとおりである。なお、本発明の第１〜第３の実施の形態におけるエレメントＡ，Ｂ，Ｃ，Ａ’，Ｂ’，Ｄ，Ｅはすべて白金薄膜などで形成するのが好ましいが、これに限らない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の測温抵抗エレメントと第２の測温抵抗エレメントとの平均の温度（第１、第２の測温抵抗エレメントで検出される温度の平均値）が周囲温度よりも常に一定温度高くなるよう第１の測温抵抗エレメントと第２の測温抵抗エレメントとに印加する電圧を制御するので、流速が増加しても、感度の低下が少なくなる。その結果、低速から高速までの広い範囲の流速の測定が可能となる。また、本発明では、第１、第２の測温抵抗エレメントの温度を一定にすることができるため、従来よりも応答速度を速くすることができる。
【００４８】
また、出力回路を、第３の直列回路と差分増幅器とから構成することにより、流体の流速に応じた値を取り出すことができる。
【００４９】
また、第１の直列回路と第３の直列回路とを接続する少なくとも１つのボルテージフォロアを設けることにより、ブリッジ回路内を流れる電流が第４の抵抗と第５の抵抗に流出しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となる流速センサの平面図及び断面図である。
【図２】 図１の流速センサの電気回路図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態となる流速センサの平面図である。
【図４】 図３の流速センサの電気回路図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態となる流速センサの断面図である。
【図６】 従来の流速センサの電気回路図である。
【符号の説明】
１、３２…基台、２…空隙部、３…薄膜層、４ａ、４ｂ、５…スリット、６ａ、６ｂ…配設部、７〜１６…パッド、２１、２１ａ…ブリッジ回路、２２…差動増幅回路、２３…出力回路、３１…流路形成部材、３３…薄肉部（ダイアフラム部）、３４…電気絶縁膜、Ａ、Ｂ、Ａ’、Ｂ’…測温抵抗エレメント、Ｃ…周囲温度測温抵抗エレメント、Ｄ、Ｅ…発熱抵抗エレメント、Ａ１〜Ａ４…演算増幅器、Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６…抵抗。
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体や液体等の流体の流速測定に用いられる流速センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出願人は、特開平２−２５９５２７号公報で、高精度かつ高速応答を実現する半導体微細加工構成の流速センサを提案した。図１は本発明の代表的な流速センサの平面図及び断面図であるが、従来の流速センサもその基本構成は同様であるので、図１を用いて特開平２−２５９５２７号公報の流速センサの構成を説明する。
【０００３】
流速センサは、単結晶シリコンなどからなる基台１上に形成され、この基台１の中央部には空隙部２が形成されている。また、基台１上には、空隙部２によって基台１から空間的に隔離された薄膜層３が形成されている。薄膜層３には、空隙部２を介して連通する対をなすスリット４ａ，４ｂが互いに所定の間隔をおいて設けられている。さらに、これらのスリット４ａ，４ｂの間には、スリット４ａ，４ｂの間を結ぶ直線と直交する方向に延びるスリット５が設けられており、このスリット５により、スリット４ａ，４ｂの間に２つの配設部６ａ，６ｂが形成されている。配設部６ａ，６ｂは、スリット５により互いに熱的に絶縁されている。
【０００４】
配設部６ａには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡが形成され、同様に、配設部６ｂには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢが形成されている。また、薄膜層３と基台１とが熱的に接する部分、すなわち空隙部２が設けられていない部分には、周囲温度により抵抗値が変化する周囲温度測温抵抗エレメントＣが形成されている。
【０００５】
図６は特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサの電気回路図である。流速センサの電気回路は、基台１上を移動する気体の流速を測定するためのものであり、温度差検出回路１００と、定電流回路２００と、スイッチング回路３００とで構成されている。温度差検出回路１００は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂとそれより大きな抵抗値を持つ抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２とで構成されるブリッジ回路と、このブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅器Ａ１０１，Ａ１０２と、この増幅器Ａ１０１，Ａ１０２の出力電圧の差分値を出力する差分増幅器Ａ１０３とで構成されている。ブリッジ回路は、周囲温度測温抵抗エレメントＣとトランジスタＴＲ２０１，ＴＲ２０２と抵抗Ｒ２０１で構成される定電流回路２００から定電流を供給されるとともに、トランジスタＴＲ３０１と抵抗Ｒ３０１とで構成されるスイッチング回路３００により間欠的に駆動されることになる。
【０００６】
ここで、周囲温度測温抵抗エレメントＣは、周囲温度の変化を補償するために設けられている。測温抵抗エレメントＡ，Ｂは、定電流回路２００から供給される定電流によって発熱する。ここで、抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに比べてかなり大きな抵抗値を有することから、測温抵抗エレメントＡ，Ｂは一定電流で駆動されるものと見なすことができる。
【０００７】
流速センサの表面で気体が流れると、その上流側に位置する測温抵抗エレメントＡは、その下流側に位置する測温抵抗エレメントＢに比べて、より強く冷やされる。これにより、２つの測温抵抗エレメントＡ，Ｂ間に温度差が現れ、この温度差は抵抗変化となり、前記ブリッジ回路はその平衡を失って、差分増幅器Ａ１０３はその温度差に応じた電圧を出力する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサは、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを熱絶縁した薄膜層３上に形成していることから、流体の流速を高精度に検出できるという特徴を有している。しかしながら、この流速センサでは、流速が増加すると、下流側の測温抵抗エレメントＢから奪われる熱エネルギーが増大して温度が低下し、上流側と下流側の測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値の差が減少する。このため、特開平２−２５９５２７号公報で提案した流速センサでは、流速が増加すると、感度が低下し、高流速における測定が困難になるという問題点があった。また、この流速センサでは、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを定電流駆動しているため、流速によって測温抵抗エレメントＡ，Ｂおよびその近傍の薄膜層３の平均温度が変化する。つまり、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの直列抵抗が変化する。この温度、つまり測温抵抗エレメントＡ，Ｂの直列抵抗が変化すると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂおよびその近傍の薄膜層３が持つ熱容量のための熱的遅れとともに測温抵抗エレメントＡ，Ｂでの発熱量変化による温度変化がこれと干渉することによる遅れが生じ、結果として応答速度が遅くなるという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、広範囲な流速を測定することができる高速応答の流速センサ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、流体の流れ方向に並べて配置された発熱体と温度センサとにより、その流体の流れに起因する熱移動を求めることによって流体の流速を測定する流速センサにおいて、前記発熱体兼温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記発熱体兼温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流される電流をそれらの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように制御する制御回路と、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたものである。
また、本発明の流速センサは、前記温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、前記第１の測温抵抗エレメントの近傍に配設された第１の発熱体と、前記第２の測温抵抗エレメントの近傍に配設され前記第１の発熱体と直列に接続された第２の発熱体と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように前記直列に接続された第１および第２の発熱体に流す電流を制御する制御回路と、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたものである。
【００１０】
また、本発明の流速センサの１構成例は、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流す電流を制御する差動増幅回路を含むものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の発熱体に流す電流を制御する差動増幅回路を含むものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメント、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記周囲温度センサとを有するものである。
また、本発明の流速センサの１構成例は、さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体と前記周囲温度センサとを有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となる流速センサの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、図２は図１（ａ），（ｂ）の流速センサの電気回路図である。
【００１２】
本実施の形態の流速センサは、単結晶シリコンなどからなる基台１上に形成され、この基台１の中央部には、例えば異方性エッチング等によって空隙部２が形成されている。また、基台１上には、空隙部２によって基台１から空間的に隔離された薄膜層（ダイアフラム部材）３が形成されている。ガス等の流体は、この薄膜層３上を通過する。
【００１３】
薄膜層３には、空隙部２を介して連通する対をなすスリット４ａ，４ｂが互いに所定の間隔をおいて設けられている。さらに、これらのスリット４ａ，４ｂの間には、スリット４ａ，４ｂの間を結ぶ直線と直交する方向に延びるスリット５が設けられており、このスリット５により、図１に示す流体の流れる方向に沿ってスリット４ａ，４ｂの間に２つの配設部６ａ，６ｂが形成されている。配設部６ａ，６ｂは、スリット５により互いに熱的に絶縁されている。
【００１４】
配設部６ａには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡが薄膜形成技術により形成され、同様に、配設部６ｂには、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢが薄膜形成技術により形成されている。また、薄膜層３と基台１とが熱的に接する部分、すなわち空隙部２が設けられていない部分には、周囲温度（流体の温度）により抵抗値が変化する周囲温度測温抵抗エレメントＣが薄膜形成技術により形成されている。
【００１５】
７，８は測温抵抗エレメントＡの両端を外部の電気回路と接続するためのパッド、９，１０は測温抵抗エレメントＢの両端を電気回路と接続するためのパッド、１１，１２は周囲温度測温抵抗エレメントＣの両端を電気回路と接続するためのパッドである。
【００１６】
次に、本実施の形態の流速センサの電気回路を図２を用いて説明する。本実施の形態の流速センサの電気回路は、基台１上を移動する流体の流速を測定するためのものであり、ブリッジ回路２１と、差動増幅回路２２と、出力回路２３とを有している。ブリッジ回路２１は、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢとを直列に接続した第１の直列回路と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３と周囲温度測温抵抗エレメントＣとを直列に接続した第２の直列回路とからなり、第１の直列回路と第２の直列回路とを並列に接続することで構成されている。
【００１７】
差動増幅回路２２は、反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点に接続され、非反転入力端子が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点に接続され、出力端子が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続された演算増幅器Ａ１から構成される。
【００１８】
このような構成により、差動増幅回路２２は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１と、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２との差分値を増幅した出力電圧Ｖｏをブリッジ回路２１の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に印加する。
【００１９】
出力回路２３は、非反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点に接続され、反転入力端子と出力端子とが接続された演算増幅器Ａ２と、一端が演算増幅器Ａ２の出力端子に接続された抵抗Ｒ５と、一端が抵抗Ｒ５の他端と接続され、他端が接地された抵抗Ｒ６と、非反転入力端子が測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点に接続された演算増幅器Ａ３とから構成される。
【００２０】
ブリッジ回路２１の平衡条件は、抵抗Ｒ１の抵抗値／（測温抵抗エレメントＡの抵抗値＋測温抵抗エレメントＢの抵抗値）＝抵抗Ｒ２の抵抗値／（抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値）である。なお、本実施の形態では、室温などの基準となる周囲温度において抵抗Ｒ２の抵抗値＝抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値となるように、また抵抗Ｒ１の抵抗値＝（測温抵抗エレメントＡの抵抗値＋測温抵抗エレメントＢの抵抗値）の設定温度における抵抗値となるように設定されている。抵抗Ｒ３は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの平均温度と周囲温度測温抵抗エレメントＣの温度差を維持するための調整用抵抗である。なお、流速センサの温度特性を補正する目的のため、上記温度差を一定とせずに、例えば周囲温度が高くなるほどこの差を大きくするというように変化させてもよい。
【００２１】
差動増幅回路２２の演算増幅器Ａ１からブリッジ回路２１の抵抗Ｒ１，Ｒ２に電圧が印加されると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに電流が流れてこれらが発熱し、その結果、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２２】
ここで、周囲温度が上昇して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が増加すると、ブリッジ回路２１の平衡が失われ、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が上昇するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１を再度平衡にさせるべく、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを上昇させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂに供給される電流が増加するので、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２３】
周囲温度が低下して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が減少すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が低下するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを低下させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２４】
一方、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂが冷やされ、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が下がり、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が低下するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを上昇させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２５】
また、流速が減少して、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が上昇すると、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が上昇するので、差動増幅回路２２は、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏを低下させる。これにより、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００２６】
以上のように、差動増幅回路２２は、測温抵抗エレメントＡ，Ｂで検出される温度（エレメントＡ，Ｂで検出される温度の平均値）が周囲温度測温抵抗エレメントＣで検出される周囲温度よりも常に一定温度高くなるように、測温抵抗エレメントＡ，Ｂを発熱させる。
【００２７】
次に、演算増幅器Ａ２はボルテージフォロアを構成している。抵抗Ｒ５，Ｒ６からなる直列回路は、このボルテージフォロアＡ２を介して測温抵抗エレメントＡ，Ｂからなる直列回路に接続されている。ボルテージフォロアを用いることにより、ブリッジ回路２１内を流れる電流が抵抗Ｒ５，Ｒ６に流出しないようにしている。
【００２８】
抵抗Ｒ５，Ｒ６は、一般的には流速が０のとき、抵抗Ｒ５の抵抗値／抵抗Ｒ６の抵抗値＝測温抵抗エレメントＡの抵抗値／測温抵抗エレメントＢの抵抗値が成立するように設定されている。したがって、流速が０のとき、測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点の電位Ｖ３と、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点の電位Ｖ４が同電位となるので、演算増幅器Ａ３の出力電圧は０となる。なお、上記のように設定せずに、流速が０のときの出力電圧を流速０の出力電圧として校正したり、オフセットをもたせて流速０のとき任意の電圧値になるように設定してもよい。
【００２９】
前述のように、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ，Ｂが冷やされる。このとき、上流側に位置する測温抵抗エレメントＡは、下流側に位置する測温抵抗エレメントＢに比べてより強く冷やされるので、測温抵抗エレメントＡの抵抗値が測温抵抗エレメントＢの抵抗値よりも小さくなる。その結果、測温抵抗エレメントＡと測温抵抗エレメントＢの接続点の電位Ｖ３が上昇するので、電位Ｖ３と、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の接続点の電位Ｖ４とに差が生じる。演算増幅器Ａ３は、流速に応じた出力電圧、すなわち（Ｖ３−Ｖ４）に比例した電圧を出力する。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、周囲温度や流速に関係なく、測温抵抗エレメントＡ，Ｂで検出する温度の平均値が周囲温度よりも常に一定温度高くなるように測温抵抗エレメントＡ，Ｂを発熱させるので、流速が増加したときに、測温抵抗エレメントＡ，Ｂの抵抗値の差が減少して感度が低下することがなくなる。
【００３１】
また、本実施の形態では、測温抵抗エレメントＡ，Ｂからなる直列回路と、抵抗Ｒ５，Ｒ６からなる直列回路とを並列に接続している。したがって、周囲温度又は流速の変化により、ブリッジ回路２１への印加電圧Ｖｏが変化して、電圧Ｖ２が変化しても、これに応じて抵抗Ｒ５の端子電圧（ボルテージフォロアＡ２の出力電圧）も電圧Ｖ２と同じ値に変化するので、測温抵抗エレメントＡ，Ｂのリファレンス電位（電位Ｖ４）は、電圧Ｖ２に所定比Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６）をかけた値に常に調整される。その結果、電位差Ｖ３−Ｖ４は、流速のみを反映した値となり、流速の増大に伴ってほぼ直線的に増加する特性が得られる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図３は本発明の第２の実施の形態となる流速センサの平面図、図４は図３の流速センサの電気回路図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態では、配設部６ａに、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ’と、発熱体として機能する発熱抵抗エレメントＤとが薄膜形成技術により形成されている。同様に、配設部６ｂには、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＢ’と、発熱体として機能する発熱抵抗エレメントＥとが薄膜形成技術により形成されている。
【００３３】
７，８は測温抵抗エレメントＡ’の両端を電気回路と接続するためのパッド、９，１０は測温抵抗エレメントＢ’の両端を電気回路と接続するためのパッド、１３，１４は発熱抵抗エレメントＤの両端を外部の電気回路と接続するためのパッド、１５，１６は発熱抵抗エレメントＥの両端を電気回路と接続するためのパッドである。
【００３４】
本実施の形態のブリッジ回路２１ａは、発熱体兼温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ，Ｂの代わりに、温度センサとして機能する測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’を用いている。また、本実施の形態では、ブリッジ回路２１ａの抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に一定電圧Ｖｓを印加し、非反転入力端子が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点に接続された演算増幅器Ａ４を用いている。演算増幅器Ａ４の出力端子には、発熱抵抗エレメントＤと発熱抵抗エレメントＥとが直列に接続されている。
【００３５】
ブリッジ回路２１ａの平衡条件は、抵抗Ｒ１の抵抗値／（測温抵抗エレメントＡ’の抵抗値＋測温抵抗エレメントＢ’の抵抗値）＝抵抗Ｒ２の抵抗値／（抵抗Ｒ３の抵抗値＋周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値）である。ブリッジ回路２１ａに電圧Ｖｓが印加されると、演算増幅器Ａ４は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１と、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点の電位Ｖ２との差分電圧Ｖ１−Ｖ２を増幅して出力する。
【００３６】
これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅに電流が流れてこれらが発熱し、その結果、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの近傍に配置された測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の温度が上昇して、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加し、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３７】
ここで、周囲温度が上昇して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が増加すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が上昇するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を上昇させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅに供給される電流が増加するので、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３８】
周囲温度が低下して周囲温度測温抵抗エレメントＣの抵抗値が減少すると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電位Ｖ１が低下するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を低下させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００３９】
一方、流体に流速が生じると、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が下がり、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡ’の接続点の電位Ｖ２が低下するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を上昇させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が増大し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が増加して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
【００４０】
また、流速が減少して、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が上昇すると、抵抗Ｒ１と測温抵抗エレメントＡの接続点の電位Ｖ２が上昇するので、演算増幅器Ａ４は、出力電圧を低下させる。これにより、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅの発熱量が減少し、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’の抵抗値が減少して、前記平衡条件が成立するところでバランスする。
以上のようにして、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、出力回路２３の構成とその動作は、第１の実施の形態と全く同じである。
【００４１】
なお、第１、第２の実施の形態において、抵抗Ｒ３を削除して抵抗Ｒ２と周囲温度測温抵抗エレメントＣを直結し、その代わりに、測温抵抗エレメントＡ，Ｂ（Ａ’，Ｂ’）からなる直列回路と並列に抵抗を追加することにより、測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’と周囲温度測温抵抗エレメントＣとの温度差を維持するための調整をしてもよい。また、第１、第２の実施の形態では、単結晶シリコンからなる基台１を用いているが、ステンレス、セラミック、サファイア等からなる基台を用いてもよい。
【００４２】
また、第１、第２の実施の形態では、ブリッジ回路と差動増幅回路を用いて直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの平均温度を周囲温度測温抵抗エレメントで測定された周囲温度よりもある一定温度高くなるようにする実施の形態について説明したが、マイコンなどを用いて周囲温度よりも直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの平均温度がある一定温度高くなるように電流または電圧を制御してもよい。つまり、直列に接続された２つの測温抵抗エレメントの設定目標とする平均温度における直列抵抗値を温度と抵抗値の関係式から求め、その抵抗値になるように印加する電流または電圧を制御してもよい。なお、この場合は周囲温度の計測に外付けの一般的な温度センサを使用してもよい。さらに、図１、図３において、スリット５をなくしてもよく、１つの測温抵抗体の中点から配線を取り出すようにして、実質上２つの測温抵抗体として使用してもよい。
【００４３】
［第３の実施の形態］
図５は本発明の第３の実施の形態となる流速センサの断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１、第２の実施の形態では、流体の流れの中にエレメントＡ，Ｂ，Ｃを設けたが、本実施の形態は、基台３２に形成された薄肉部（ダイアフラム部）３３の流路側と反対側の被測定流体に直接接しない面にエレメントＡ，Ｂ，Ｃを設けたものである。
【００４４】
図５において、３１はステンレスからなる流路形成部材、３２は流路形成部材３１上に設置された、ステンレスからなる基台、３３は基台３２に形成された薄肉部（ダイアフラム部）、３４は基台３２上に形成された酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナあるいはポリイミド等の電気絶縁膜である。流路形成部材３１は流体の流路３６を形成する２つの貫通孔３７，３８を有している。基台３２の下面中央に長円状の凹部３５が形成されることにより、この凹部３５が形成されている表面側が薄肉部（ダイアフラム部）３３を形成している。凹部３５は、その両端部において貫通孔３７，３８と連通する。なお、凹部３５は、流体の流れをスムーズに流すために長円状が好ましいが、これに限らず矩形状や円形状でもよい。
【００４５】
基台３２の上面には、電気絶縁膜３４が全面にわたって形成されており、この電気絶縁膜３４の表面に測温抵抗エレメントＡ，Ｂや周囲温度測温抵抗エレメントＣ、パッド７〜１２が第１の実施の形態と同様に形成されている。電気回路は、図２に示したとおりである。また、上記とは逆に凹部３５の底面に電気絶縁膜を全面にわたって形成し、この電気絶縁膜の表面に測温抵抗エレメントＡ，Ｂとパッドを同様に形成し、周囲温度測温抵抗エレメントＣは、基台３２の厚肉部に電気絶縁膜を介してパッドと共に同様に形成し、その反対側の面に流体を流してもよい。
【００４６】
なお、第１の実施の形態の測温抵抗エレメントＡ，Ｂや周囲温度測温抵抗エレメントＣ、パッド７〜１２の代わりに、第２の実施の形態の測温抵抗エレメントＡ’，Ｂ’や周囲温度測温抵抗エレメントＣ、発熱抵抗エレメントＤ，Ｅ、パッド７〜１６を形成してもよいことは言うまでもない。この場合の電気回路は、図３に示したとおりである。なお、本発明の第１〜第３の実施の形態におけるエレメントＡ，Ｂ，Ｃ，Ａ’，Ｂ’，Ｄ，Ｅはすべて白金薄膜などで形成するのが好ましいが、これに限らない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の測温抵抗エレメントと第２の測温抵抗エレメントとの平均の温度（第１、第２の測温抵抗エレメントで検出される温度の平均値）が周囲温度よりも常に一定温度高くなるよう第１の測温抵抗エレメントと第２の測温抵抗エレメントとに印加する電圧を制御するので、流速が増加しても、感度の低下が少なくなる。その結果、低速から高速までの広い範囲の流速の測定が可能となる。また、本発明では、第１、第２の測温抵抗エレメントの温度を一定にすることができるため、従来よりも応答速度を速くすることができる。
【００４８】
また、出力回路を、第３の直列回路と差分増幅器とから構成することにより、流体の流速に応じた値を取り出すことができる。
【００４９】
また、第１の直列回路と第３の直列回路とを接続する少なくとも１つのボルテージフォロアを設けることにより、ブリッジ回路内を流れる電流が第４の抵抗と第５の抵抗に流出しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となる流速センサの平面図及び断面図である。
【図２】 図１の流速センサの電気回路図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態となる流速センサの平面図である。
【図４】 図３の流速センサの電気回路図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態となる流速センサの断面図である。
【図６】 従来の流速センサの電気回路図である。
【符号の説明】
１、３２…基台、２…空隙部、３…薄膜層、４ａ、４ｂ、５…スリット、６ａ、６ｂ…配設部、７〜１６…パッド、２１、２１ａ…ブリッジ回路、２２…差動増幅回路、２３…出力回路、３１…流路形成部材、３３…薄肉部（ダイアフラム部）、３４…電気絶縁膜、Ａ、Ｂ、Ａ’、Ｂ’…測温抵抗エレメント、Ｃ…周囲温度測温抵抗エレメント、Ｄ、Ｅ…発熱抵抗エレメント、Ａ１〜Ａ４…演算増幅器、Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６…抵抗。
Claims (6)
- 流体の流れ方向に並べて配置された発熱体と温度センサとにより、その流体の流れに起因する熱移動を求めることによって流体の流速を測定する流速センサにおいて、
前記発熱体兼温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、
この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記発熱体兼温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流される電流をそれらの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように制御する制御回路と、
前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、
このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたことを特徴とする流速センサ。 - 流体の流れ方向に並べて配置された発熱体と温度センサとにより、その流体の流れに起因する熱移動を求めることによって流体の流速を測定する流速センサにおいて、
前記温度センサである第１の測温抵抗エレメントと、
この第１の測温抵抗エレメントよりも下流側に配設され前記第１の測温抵抗エレメントと直列に接続された、前記温度センサである第２の測温抵抗エレメントと、
前記第１の測温抵抗エレメントの近傍に配設された第１の発熱体と、
前記第２の測温抵抗エレメントの近傍に配設され前記第１の発熱体と直列に接続された第２の発熱体と、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントの平均温度が周囲温度より常に一定温度だけ高くなるように前記直列に接続された第１および第２の発熱体に流す電流を制御する制御回路と、
前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントの両端電圧を受けるボルテージフォロア回路と、
このボルテージフォロア回路の出力電圧を分圧する、直列に接続された２つの抵抗と、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントの接続点の電圧と前記２つの抵抗によって得られた前記両端電圧の分圧との差を取り出す出力回路とを有し、
前記第１および第２の測温抵抗エレメントの温度差に基づいて流速を求めるようにしたことを特徴とする流速センサ。 - 請求項１記載の流速センサにおいて、
前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、
前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の測温抵抗エレメントに流す電流を制御する差動増幅回路を含むことを特徴とする流速センサ。 - 請求項２記載の流速センサにおいて、
前記直列に接続された第１および第２の測温抵抗エレメントを一辺とするブリッジ回路を構成し、この一辺以外の他の一辺に流体の流れに影響されない周囲温度を測定する周囲温度センサを含ませ、
前記制御回路は、前記ブリッジ回路の各中点の電圧差を一定にするように前記第１および第２の発熱体に流す電流を制御する差動増幅回路を含むことを特徴とする流速センサ。 - 請求項１または３記載の流速センサにおいて、
さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、
このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメント、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記周囲温度センサとを有することを特徴とする流速センサ。 - 請求項２または４記載の流速センサにおいて、
さらに、基台に形成されたダイアフラム部と、
このダイアフラム部の流路側と反対側にある、前記流体と接しない面に形成された前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体、または前記第１および第２の測温抵抗エレメントと前記第１および第２の発熱体と前記周囲温度センサとを有することを特徴とする流速センサ。
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