JP3969167B2 - 流体流量測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車のエンジン制御や空調機器など、空気等流体の流量計測が必要な場所に使用される流体流量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は特開平１１−３２６００３号公報に示された従来の流体流量測定装置の要部断面図である。図１３において、１０１はシリコン基板、１０２はこのシリコン基板１０１にエッチングにより形成された空気スペース、１０３、１０４はこの空気スペース１０２上に架橋された薄膜部材すなわち薄肉部、１０５は第１の発熱体、１０６は第２の発熱体，１０７は第１の温度検出体、１０８は第２の温度検出体である。発熱体１０５、１０６、温度検出体１０７、１０８は温度によりその抵抗値が変化する感温抵抗材料により形成されている。感温抵抗材料としては例えば白金が用いられる。第１の発熱体１０５と第２の発熱体１０６とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つように作製されている。また、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つように作製されている。図１３中では構成をわかりやすくするため第１の発熱体１０５と第１の温度検出体１０７、および、第２の発熱体１０６と第２の温度検出体１０８を距離を離して記載しているが、実際はそれぞれが密な熱的接触状態を確保するため、ほぼ同一の場所に形成されている。
【０００３】
図１４は従来の流体流量測定装置の回路図である。図１４において、１０９，１１０は温度検出体１０７，１０８とともにブリッジ回路１１７を形成する固定抵抗、１１１はブリッジの中間電位１１８，１１９を比較する比較器、１１２はインバータ、１１３，１１４は電子スイッチ、１１５は電源、１１６は流体の流路である。
【０００４】
次に動作について説明する。流体の流れがない場合において、図１４における中間電位１１８と１１９には差が生じた場合、この差を比較器１１１が検出し、電子スイッチ１１３、１１４の制御を行う。固定抵抗１０９，１１０の抵抗値を等しくしておけば、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の抵抗値も等しくなり、両者の温度は等しくなる。流体の流れがない場合には電子スイッチ１１３および電子スイッチ１１４がＯＮしている時間は等しくなり、第１、第２の発熱体１０５，１０６への電力の分配比率は５０％：５０％となる。
【０００５】
次に、流体の流れが存在する場合について説明する。図１４の矢印の方向から流体が流れてくると、第１の発熱体１０５と第１の温度検出体１０７から流体へ熱が奪われ、第１の温度検出体１０７の温度が低下する。上流側から熱を奪った流体は第２の温度検出体１０８にその熱を伝えるため、第２の温度検出体１０８の温度は上昇する。そのため、中間電位１１８の方が中間電位１１９よりも低くなる。すると比較器１１１がＨＩＧＨとなり、電子スイッチ１１３がオンされ、第１の発熱体１０５に電流が流れる。第１の発熱体１０５はジュール熱により発熱し、第１の温度検出体１０７の温度を上昇させる。第１の発熱体１０５、および、第１の温度検出体１０７は流れにより冷却されているため、中間電位１１８が中間電位１１９を超えるまでに要する電子スイッチ１１３のＯＮ時間は流れのない状態よりも長くなる。中間電位１１８が上昇し、中間電位１１９よりも高くなった時点で電子スイッチ１１４がＯＮとなって、第２の発熱体１０６に電流が流れる。第２の発熱体１０６はジュール熱により発熱し、第２の温度検出体１０８の温度を上昇させるため、中間電位１１９が上昇する。第２の発熱体１０６、および、第２の温度検出体１０８は流れにより温められているため、中間電位１１９が中間電位１１８を超えるまでに要する電子スイッチ１１４のＯＮ時間は、前述の流れのない状態よりも短くなる。中間電位１１９が中間電位１１８を超えた時点で電子スイッチ１１４はＯＦＦになり、電子スイッチ１１３がＯＮとなって、再び第１の発熱体１０５に電流が流れる。以上のような動作を繰り返すことによって中間電位１１８と１１９は再度等しく保たれる。よって、流体の流れが存在する場合でも、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の温度が等しく制御されるが、このとき、第１の発熱体１０５に供給される電力は第２に発熱体１０６に供給される電力よりも大きくなり，分配比率は例えば６０％：４０％のように第１の発熱体１０５の方が大きくなる。
【０００６】
図１５はこの動作の際の出力波形を示す図であり、出力電圧Ｖoutは図１５に示すようなパルス波形となる。流体の流量が大きいほど第１の発熱体１０５への供給電力が増えるので、図１５中のｔ１が大きくなり、ｔ2が小さくなる。よってduty比の差
（ｔ１−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）・・・（１）
を計測すると、流量依存性を持つ出力を得ることができる。
図１６はこのような出力特性を示す図である。ここで、縦軸は出力、横軸は流量である。
さらに、（１）式のduty比差は第１の発熱体１０５の発熱量Ｐ１と第２の発熱体１０６の発熱量Ｐ2を用いて次式のようにも表せる。
（ｔ１−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）・・・(2)
また、本方式では、逆流が発生した場合、ｔ1が小さくなり、ｔ２が大きくなるので出力は反転し、逆流検出も可能である。
【０００７】
図１７に温度分布の流量依存性を示す。ここで流量は、０＜ｖ１＜ｖ２＜ｖ３である。流量増大により発生する第１の温度検出体１０７の温度低下は、第２の温度検出体１０８の温度上昇よりも大きいので、両者の温度を等しく制御すると、温度の絶対値は流量増大とともに低下していく。そして、温度検出体１０７、１０８の温度は流体の温度に限りなく近づいていく。温度検出体１０７、１０８の温度が流体の温度とほぼ等しくなった点では発熱体１０５、１０６から供給される熱は温度検出体１０７、１０８の温度に影響を与えない状態となるので、流体の流量を測定することができなくなる。この流量を飽和流量とすると、この流量測定装置の流量の測定上限は飽和流量となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本構成を用いた場合の温度検出体１０７、１０８の温度変化を流量の関係を図１８に示す。ここで線１２１および線１２２は流量０の場合の発熱体への電力供給のduty比を変化させずに流体の流量を増大させた場合の第１の温度検出体１０７の温度と第２の温度検出体１０８の温度を示している。第１の温度検出体１０７の温度は線１２１が示すとおり、流量の増大とともに低下していく。また、第２の温度検出体１０８の温度は、流量の小さいときは上流側から熱を受け取って上昇するが、あるポイントから下降する。このような流量依存性を持つ第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の温度を等温制御すると、第１の温度検出体１０７の温度は上がり、第２の温度検出体１０８の温度は下がって、線１２３が示すような温度となる。第２の温度検出体１０８の温度を線１２２から線１２３に下げるために必要な降下温度は流量が小さい領域では大きくなるが（図中の矢印Ａ→Ｂ）、中流量域以上では逆に小さくなる（図中の矢印Ｂ→Ｃ→Ｄ）。このため、第２の発熱体の放熱量の変化が小さくなり、（１）式で示すduty比差の変化量も小さくなる。よって、従来の方式では飽和流量まで流量が大きくなるまでにおいても感度が低下するという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明はなされたもので測定可能な全流領域において流量感度が向上する流体流量測定装置を提供するものである。
【００１０】
第１の発明の流体流量測定装置は上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１および第２の発熱体に接続された電源とを備え、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より常に一定温度高くなるように前記第１および第２の発熱体に電力を配分し、この配分比率から流体流量を測定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、第２の発明の流体流量測定装置は、第１の発明の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記固定抵抗の抵抗値が選択されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、第３の発明の流体流量測定装置は、第１の発明の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記第１および第２の温度検出体の抵抗値が選択されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、第４の発明の流体流量測定装置は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と同じ抵抗値を有する第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の固定抵抗に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第１のスイッチ回路と接続され、前記第２のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の温度検出体の抵抗値が第２の温度検出体の抵抗値よりも小さいことを特徴するものである。
【００１４】
また、第５の発明の流体流量測定装置は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された前記第１の温度検出体と同じ抵抗値を有する第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の温度検出体に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第２のスイッチ回路と接続され、前記第１のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の固定抵抗の抵抗値が第２の固定抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について説明する。図１は本発明の実施の形態１の流体流量測定装置の一部を示す平面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面図である。図１においてシリコン基板１の表面の本発明に係る流体流量測定装置を形成する部位に絶縁層３と、絶縁層３上にそれぞれ第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８とがある。この第１の温度検出体７は第１の発熱体５とほぼ同一の位置または近傍にあればよい。同様に、第２の温度検出体８は第２の発熱体６とほぼ同一の位置または近傍にあればよい。第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８は例えば白金のような感温抵抗材料からなり、第１の発熱体５と第２の発熱体６とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つ。また、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つ。
【００１６】
さらに、図２に示すように発熱体５、６および温度検出体７、８の保護膜として絶縁膜４がある。また、第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８の形成された部分の裏面には空洞部２がある。このような構造とすることにより流量測定部の熱容量を非常に小さくすることができる。
【００１７】
図３は本実施の形態１の流体流量測定装置の回路図である。図３において、９、１０は第１の温度検出体７と第２の温度検出体８とともにブリッジ回路１７を形成する固定抵抗、１１はブリッジの中間電位１８、１９を比較する比較器、１２はインバータ、１３、１４は電子スイッチ、１５は電源、１６は流体の流路である。また、第２の温度検出体８と固定抵抗１０の間に固定抵抗２０が直列に接続されている。なお、中間電位１９は固定抵抗１０と固定抵抗２０との間の電位である。また、固定抵抗９、１０は同一抵抗値を持つ。
【００１８】
次に動作について説明する。図３の回路において、流体の流れがない場合、流体流量測定装置が動作していないときには第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の温度はほぼ同一である。流体流量測定装置を動作させた場合、動作開始時においては第１の温度検出体７、および第２の温度検出体８は同じ温度であるために抵抗値はほぼ同じであるが、固定抵抗２０が存在するため、中間電位１８は中間電位１９よりも低くなる。このため比較器１１の出力はＨＩＧＨとなり、電子スイッチ１３がオンとなり、第１の発熱抵抗体５に電流が流れる。そのことにより第１の発熱抵抗体５はジュール熱により発熱し、第１の温度検出体７の温度が上昇し、中間電位１８が上昇する。中間電位１８が中間電位１９より高くなると比較器１１の出力がＬＯＷとなり、インバータ１２の出力がＨＩＧＨとなって電子スイッチ１４がオンとなる。すると第２の発熱体６に電流が流れ、そのジュール熱により第２の温度検出体８の温度が上昇し、中間電位１９が上昇する。中間電位１９が中間電位１８をより高くなると比較器１１の出力がＨＩＧＨとなり、第１の発熱体５が発熱する。このような動作を繰り返して、中間電位１８と１９が等しくなるように制御が働く。中間電位１８と１９が等しいとき、第１の温度検出体７の抵抗値Ｒ７は次式で表される。
Ｒ７＝Ｒ８×Ｒ９／Ｒ１０＋Ｒ２０×Ｒ９／Ｒ１０
ただし、Ｒ８は第２の温度検出体８の抵抗値、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ２０はそれぞれ固定抵抗９、１０、２０の抵抗値である。ここで、
Ｒ９＝Ｒ１０
であるから、
Ｒ７＝Ｒ８＋Ｒ２０・・・（３）
となる。
（３）式からわかるように、固定抵抗２０が存在するため、第１の温度検出体７の抵抗値は第２の温度検出体８の抵抗値より大きくなっている。つまり、第１の温度検出体７の温度は第２の温度検出体８の温度より一定温度高く保たれる。この一定温度差は固定抵抗２０の抵抗値により調整できる。
【００１９】
次に、本実施の形態における出力特性について説明する。
図４は本実施の形態における温度検出体の温度の流量依存性とその制御形態を示す図であり、縦軸は温度、横軸は流量である。また図５は流体流量測定装置の温度分布を示す図であり、縦軸は温度、横軸は流体流量測定装置の流れに沿った位置を示している。さらに図６は本実施の形態の流体流量測定装置の出力特性を示す図であり、縦軸は出力、横軸は流量である。
【００２０】
流体の流れがない状態において第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保った場合、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保ったときの第１の温度検出体７の温度より第１の温度検出体７の温度がより高い。そのため、第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保った状態で図３の矢印の方向に流体の流れが発生すると温度を等しく保ったときよりもより多くの熱が上流側から下流側に伝わる。そのため、図４に示すように下流側の第２の温度検出体８は温度を等しく保った場合より大流量まで温度上昇を続ける。図４において線２１、２２はそれぞれ流量０のときの一定温度差を保つduty比のままで発熱体に電力が供給された場合の上流側の第１の温度検出体７と下流側の第２の温度検出体８の温度の流量依存性である。この状態で一定温度差制御が働くと、両者の温度差が設定された値になるまで、第１の温度検出体７の温度は線２３ａに上昇し、第２の温度検出体８の温度は線２３ｂに低下する。この温度差は流量が増大したときも保たれるが、流量が増大するに従い流れにより熱が奪われるために温度分布の流量依存性は図５に示すようになる。ここで、流量は０＜ｖ１＜ｖ２＜ｖ３である。流量が増大すれば温度検出体７、８の温度は低下していく。そして、流量が増大するにつれ、第２の温度検出体８の温度が流体の温度と限りなく近づいていく。また、第１の温度検出体７においてはある流量以上になれば奪われる熱量が発熱体５が供給する熱量を超え、温度差を保つことができなくなる。温度差を保つことができなくなる流量以上では流量を測定することはできない。この流量を飽和流量とすると、この流量測定装置の流量の測定上限は飽和流量となる。
【００２１】
第２の温度検出体８の温度降下量は図４に示すように（図中の矢印Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ）小流量から大流量まで増加を続ける。よって、第２の発熱体６の放熱量も小流量から大流量まで大きく変化し、（１）式で示すduty比差の変化も大きくなる。
このことにより、図６に示されるように、従来に比べ測定可能な全流量域において流量感度が向上する。特に、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保った場合に、第２の温度検出体８の温度変化量が低下してくる大流量においてその効果は大きい。
【００２２】
図７は本実施の形態の他の流体流量測定装置の回路図である。
図７では、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８をブリッジの上辺に置き、固定抵抗２０を固定抵抗９の辺に直列に接続しているが、図３にしめした回路図の流体流量測定装置と全く同様の効果が得られる。
また、図３、図７の回路以外でも、（３）式の関係が得られ、第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれるような回路構成であれば同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００２３】
本実施の形態によれば、第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保つことにより、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保つ場合に比べて測定可能な全流量域において流量感度が向上する。特に、大流量においてその効果は大きい。
【００２４】
また、流れのない状態においても第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保つため、流量０のときに第１の発熱体５に第２の発熱体６よりも多くの電力が配分される。よって図６に示すように、流量０のときにバイアス電圧Ｖ０が発生する。このため、従来技術では必要だったバイアス回路が必要なくなり、回路規模の縮小と低コスト化も実現できる効果もある。
【００２５】
実施の形態２．
図８は実施の形態２を示す平面図である。本実施の形態において、第１の温度検出体７の抵抗値は第２の温度検出体８の抵抗値より小さく形成されている。例えば、第１の温度検出体７のパターン幅を第２の温度検出体８のパターン幅より広くすることにより、抵抗値に差をつけることができる。もちろん、温度検出体の長さや厚みを変えることにより抵抗値に差をつけることができるのはもちろんである。
【００２６】
第１、第２の温度検出体７、８の抵抗値Ｒ７、Ｒ８を温度の関数として表すと(４)、(５)式のようになる。
Ｒ７０＝Ｒ７０（１＋αＴ７） ・・・(４)
Ｒ８０＝Ｒ８０（１＋αＴ８） ・・・(５)
ここでＲ７０、Ｒ８０はそれぞれＲ７、Ｒ８の０℃のときの値、αは抵抗温度係数、Ｔ７、Ｔ８はそれぞれＲ７、Ｒ８の温度である。本実施の形態では、
Ｒ７０＜Ｒ８０ ・・・(６)
となるように第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値が形成されている。これを図９に示す回路に接続して動作させると、実施の形態１で説明したのと同様の制御がなされ、中間電位１８と１９が等しく保たれる。このとき、固定抵抗９と１０の抵抗値を等しく選んでおけば、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値も等しくなる。つまり、
Ｒ７０＝Ｒ８０ ・・・(７)
が成り立つ。よって、(４)、(５)式から
Ｔ７０＝（Ｒ８０／Ｒ７０）Ｔ８＋（Ｒ８０／Ｒ７０−１）／α ・・・(８)
となり、(６)式より
Ｒ８０／Ｒ７０＞１ ・・・(９)
であるから
Ｔ７０＞Ｔ８０ ・・・(１０)
となり、第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれる。これにより、実施の形態１で説明したのと同様に第２の温度検出体８の温度変化量を大きく保つことができる作用が発生し、感度向上の効果が得られる。
【００２７】
また、実施の形態２では第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値を流量測定装置の製造時に変化させることにより、回路に余分な固定抵抗を付加する必要がなく、低コストで製造が容易な流量測定装置を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図１０は実施の形態３を示す回路図である。本実施の形態において、中間電位１８には差動増幅器２５が接続され、バイアス電圧２６が引き算される。４つの固定抵抗２４はすべて同じ値にしておりゲインは１倍である。よって比較器１１の一方の入力端子に入力される電圧は、中間電位１８（Ｖ18）からバイアス電圧２６（Ｖbias）を引き算した値となる。比較器１１の他方の入力は中間電位１９（Ｖ19）であるので、図１０の回路を動作させることにより、
Ｖ18−Ｖbias＝V19 ・・・（１１)
となるように制御がなされる。つまり、中間電位１８が中間電位１９よりも大きくなるように制御される。中間電位１８を中間電位１９よりも大きくするには、第１の温度検出体７の抵抗値を第２の温度検出体８の抵抗値よりも大きくしなければならない。よって第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれる。
【００２９】
このことにより、実施の形態１で説明したのと同様に第２の温度検出体８の温度変化量を大きく保つことができる作用作用が発生し、感度向上の効果が得られる。
【００３０】
図１０では中間電位１８からバイアス電圧を引き算する構成としたが、中間電位１９にバイアス電圧を加算する構成としても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００３１】
【実施例】
実施の形態１に示した流体流量測定装置を用いて流体の流量を測定した結果について説明する。図１１は電源電圧５Ｖの場合の流量と図１におけるＶｏｕｔとの関係を示したグラフである。ここで示したグラフはそれぞれ第１と第２の温度検出体間の温度差が０℃、１３℃および２５℃の場合である。グラフより流量が１５ｇ／秒以上のときに温度差なしの場合より感度が高いことがわかる。この感度上昇度合いは、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の間に設定する温度差に依存する。
【００３２】
また、図１２においては電源電圧５Ｖの場合で、流量１０ｇ／秒の感度上昇率および飽和流量と温度差との関係を示している。この図において、感度上昇率と飽和流量の温度差との関係から好適な温度差を設定することが可能となる。
【００３３】
車載用の流体流量測定装置の場合、測定値の再現性は１％以内を要求される。つまり１％以内の感度上昇率では再現性の観点から本発明の流体流量測定装置を適用できない。このことから、感度の低い小流量では０．５ｇ／秒が測定可能下限流量となる。また、測定値のダイナミックレンジを最低２００倍必要としている。０．５ｇ／秒が測定可能下限流量であるので、大流量側は少なくとも１００Ｇ／秒が測定可能である必要がある。この２つの条件から、車載用の流体流量測定装置の場合、有効温度差範囲は５℃〜２６℃となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１および第２の発熱体に接続された電源とを備え、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より常に一定温度高くなるように前記第１および第２の発熱体に電力を配分し、この配分比率から流体流量を測定することにより、従来と比して測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３５】
また、第２の発明は、第１の発明の流体流量測定装置において前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記固定抵抗の抵抗値が選択することにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３６】
また、第３の発明は、第１の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記第１および第２の温度検出体の抵抗値が選択されていることにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３７】
また、第４の発明は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と同じ抵抗値を有する第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の固定抵抗に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第１のスイッチ回路と接続され、前記第２のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の温度検出体の抵抗値が第２の温度検出体の抵抗値よりも小さいことにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３８】
さらに、第５の発明では、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された前記第１の温度検出体と同じ抵抗値を有する第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の温度検出体に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第２のスイッチ回路と接続され、前記第１のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の固定抵抗の抵抗値が第２の固定抵抗の抵抗値よりも大きいことにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る流体流量測定装置を示す平面図である。
【図２】 実施の形態１に係る流体流量測定装置を示す断面図である。
【図３】 実施の形態１に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図４】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の温度分布の流量依存性を示す図である。
【図５】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の温度分布を示す図である。
【図６】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の出力特性を示す図である。
【図７】 実施の形態１に係る他の流体流量測定装置の回路図である。
【図８】 実施の形態２に係る流体流量測定装置を示す平面図である。
【図９】 実施の形態２に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１０】 実施の形態３に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１１】 実施例に係る流体流量測定装置の出力電圧の流量依存性を示す図である。
【図１２】 実施例に係る流体流量測定装置の感度上昇率と飽和流量の温度差との関係を示す図である。
【図１３】 従来の流体流量測定装置を示す断面図である。
【図１４】 従来の流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１５】 従来の流体流量測定装置の出力波形を示す図である。
【図１６】 従来の流体流量測定装置の出力特性を示す図である。
【図１７】 従来の流体流量測定装置の温度分布の流量依存性を示す図である。
【図１８】 従来の流体流量測定装置の温度検出体の温度の流量依存性とその制御形態を示す図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板、２ 空洞部、３ 絶縁層、４ 絶縁層、５ 第１の発熱体、６ 第２の発熱体、７ 第１の温度検出体、８ 第２の温度検出体、９ １０固定抵抗、１１ 比較器、１２ インバータ、１３ １４ 電子スイッチ、１５ 電源、１６ 流路、１７ ブリッジ回路、１８ １９ 中間電位、２０ 固定抵抗、２１ 第１の温度検出体の温度変化、２２ 第２の温度検出体の温度変化、２３ａ ２３ｂ 温度制御後の温度変化、２４ 差動増幅器用固定抵抗、２５ 差動増幅器、２６ バイアス電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車のエンジン制御や空調機器など、空気等流体の流量計測が必要な場所に使用される流体流量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は特開平１１−３２６００３号公報に示された従来の流体流量測定装置の要部断面図である。図１３において、１０１はシリコン基板、１０２はこのシリコン基板１０１にエッチングにより形成された空気スペース、１０３、１０４はこの空気スペース１０２上に架橋された薄膜部材すなわち薄肉部、１０５は第１の発熱体、１０６は第２の発熱体，１０７は第１の温度検出体、１０８は第２の温度検出体である。発熱体１０５、１０６、温度検出体１０７、１０８は温度によりその抵抗値が変化する感温抵抗材料により形成されている。感温抵抗材料としては例えば白金が用いられる。第１の発熱体１０５と第２の発熱体１０６とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つように作製されている。また、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つように作製されている。図１３中では構成をわかりやすくするため第１の発熱体１０５と第１の温度検出体１０７、および、第２の発熱体１０６と第２の温度検出体１０８を距離を離して記載しているが、実際はそれぞれが密な熱的接触状態を確保するため、ほぼ同一の場所に形成されている。
【０００３】
図１４は従来の流体流量測定装置の回路図である。図１４において、１０９，１１０は温度検出体１０７，１０８とともにブリッジ回路１１７を形成する固定抵抗、１１１はブリッジの中間電位１１８，１１９を比較する比較器、１１２はインバータ、１１３，１１４は電子スイッチ、１１５は電源、１１６は流体の流路である。
【０００４】
次に動作について説明する。流体の流れがない場合において、図１４における中間電位１１８と１１９には差が生じた場合、この差を比較器１１１が検出し、電子スイッチ１１３、１１４の制御を行う。固定抵抗１０９，１１０の抵抗値を等しくしておけば、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の抵抗値も等しくなり、両者の温度は等しくなる。流体の流れがない場合には電子スイッチ１１３および電子スイッチ１１４がＯＮしている時間は等しくなり、第１、第２の発熱体１０５，１０６への電力の分配比率は５０％：５０％となる。
【０００５】
次に、流体の流れが存在する場合について説明する。図１４の矢印の方向から流体が流れてくると、第１の発熱体１０５と第１の温度検出体１０７から流体へ熱が奪われ、第１の温度検出体１０７の温度が低下する。上流側から熱を奪った流体は第２の温度検出体１０８にその熱を伝えるため、第２の温度検出体１０８の温度は上昇する。そのため、中間電位１１８の方が中間電位１１９よりも低くなる。すると比較器１１１がＨＩＧＨとなり、電子スイッチ１１３がオンされ、第１の発熱体１０５に電流が流れる。第１の発熱体１０５はジュール熱により発熱し、第１の温度検出体１０７の温度を上昇させる。第１の発熱体１０５、および、第１の温度検出体１０７は流れにより冷却されているため、中間電位１１８が中間電位１１９を超えるまでに要する電子スイッチ１１３のＯＮ時間は流れのない状態よりも長くなる。中間電位１１８が上昇し、中間電位１１９よりも高くなった時点で電子スイッチ１１４がＯＮとなって、第２の発熱体１０６に電流が流れる。第２の発熱体１０６はジュール熱により発熱し、第２の温度検出体１０８の温度を上昇させるため、中間電位１１９が上昇する。第２の発熱体１０６、および、第２の温度検出体１０８は流れにより温められているため、中間電位１１９が中間電位１１８を超えるまでに要する電子スイッチ１１４のＯＮ時間は、前述の流れのない状態よりも短くなる。中間電位１１９が中間電位１１８を超えた時点で電子スイッチ１１４はＯＦＦになり、電子スイッチ１１３がＯＮとなって、再び第１の発熱体１０５に電流が流れる。以上のような動作を繰り返すことによって中間電位１１８と１１９は再度等しく保たれる。よって、流体の流れが存在する場合でも、第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の温度が等しく制御されるが、このとき、第１の発熱体１０５に供給される電力は第２に発熱体１０６に供給される電力よりも大きくなり，分配比率は例えば６０％：４０％のように第１の発熱体１０５の方が大きくなる。
【０００６】
図１５はこの動作の際の出力波形を示す図であり、出力電圧Ｖoutは図１５に示すようなパルス波形となる。流体の流量が大きいほど第１の発熱体１０５への供給電力が増えるので、図１５中のｔ１が大きくなり、ｔ2が小さくなる。よってduty比の差
（ｔ１−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）・・・（１）
を計測すると、流量依存性を持つ出力を得ることができる。
図１６はこのような出力特性を示す図である。ここで、縦軸は出力、横軸は流量である。
さらに、（１）式のduty比差は第１の発熱体１０５の発熱量Ｐ１と第２の発熱体１０６の発熱量Ｐ2を用いて次式のようにも表せる。
（ｔ１−ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）・・・(2)
また、本方式では、逆流が発生した場合、ｔ1が小さくなり、ｔ２が大きくなるので出力は反転し、逆流検出も可能である。
【０００７】
図１７に温度分布の流量依存性を示す。ここで流量は、０＜ｖ１＜ｖ２＜ｖ３である。流量増大により発生する第１の温度検出体１０７の温度低下は、第２の温度検出体１０８の温度上昇よりも大きいので、両者の温度を等しく制御すると、温度の絶対値は流量増大とともに低下していく。そして、温度検出体１０７、１０８の温度は流体の温度に限りなく近づいていく。温度検出体１０７、１０８の温度が流体の温度とほぼ等しくなった点では発熱体１０５、１０６から供給される熱は温度検出体１０７、１０８の温度に影響を与えない状態となるので、流体の流量を測定することができなくなる。この流量を飽和流量とすると、この流量測定装置の流量の測定上限は飽和流量となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本構成を用いた場合の温度検出体１０７、１０８の温度変化を流量の関係を図１８に示す。ここで線１２１および線１２２は流量０の場合の発熱体への電力供給のduty比を変化させずに流体の流量を増大させた場合の第１の温度検出体１０７の温度と第２の温度検出体１０８の温度を示している。第１の温度検出体１０７の温度は線１２１が示すとおり、流量の増大とともに低下していく。また、第２の温度検出体１０８の温度は、流量の小さいときは上流側から熱を受け取って上昇するが、あるポイントから下降する。このような流量依存性を持つ第１の温度検出体１０７と第２の温度検出体１０８の温度を等温制御すると、第１の温度検出体１０７の温度は上がり、第２の温度検出体１０８の温度は下がって、線１２３が示すような温度となる。第２の温度検出体１０８の温度を線１２２から線１２３に下げるために必要な降下温度は流量が小さい領域では大きくなるが（図中の矢印Ａ→Ｂ）、中流量域以上では逆に小さくなる（図中の矢印Ｂ→Ｃ→Ｄ）。このため、第２の発熱体の放熱量の変化が小さくなり、（１）式で示すduty比差の変化量も小さくなる。よって、従来の方式では飽和流量まで流量が大きくなるまでにおいても感度が低下するという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明はなされたもので測定可能な全流領域において流量感度が向上する流体流量測定装置を提供するものである。
【００１０】
第１の発明の流体流量測定装置は上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１および第２の発熱体に接続された電源とを備え、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より常に一定温度高くなるように前記第１および第２の発熱体に電力を配分し、この配分比率から流体流量を測定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、第２の発明の流体流量測定装置は、第１の発明の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記固定抵抗の抵抗値が選択されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、第３の発明の流体流量測定装置は、第１の発明の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記第１および第２の温度検出体の抵抗値が選択されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、第４の発明の流体流量測定装置は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と同じ抵抗値を有する第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の固定抵抗に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第１のスイッチ回路と接続され、前記第２のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の温度検出体の抵抗値が第２の温度検出体の抵抗値よりも小さいことを特徴するものである。
【００１４】
また、第５の発明の流体流量測定装置は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された前記第１の温度検出体と同じ抵抗値を有する第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の温度検出体に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第２のスイッチ回路と接続され、前記第１のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の固定抵抗の抵抗値が第２の固定抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について説明する。図１は本発明の実施の形態１の流体流量測定装置の一部を示す平面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面図である。図１においてシリコン基板１の表面の本発明に係る流体流量測定装置を形成する部位に絶縁層３と、絶縁層３上にそれぞれ第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８とがある。この第１の温度検出体７は第１の発熱体５とほぼ同一の位置または近傍にあればよい。同様に、第２の温度検出体８は第２の発熱体６とほぼ同一の位置または近傍にあればよい。第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８は例えば白金のような感温抵抗材料からなり、第１の発熱体５と第２の発熱体６とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つ。また、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８とはそれぞれほぼ同一の抵抗値と温度係数を持つ。
【００１６】
さらに、図２に示すように発熱体５、６および温度検出体７、８の保護膜として絶縁膜４がある。また、第１の発熱体５、第２の発熱体６、第１の温度検出体７、第２の温度検出体８の形成された部分の裏面には空洞部２がある。このような構造とすることにより流量測定部の熱容量を非常に小さくすることができる。
【００１７】
図３は本実施の形態１の流体流量測定装置の回路図である。図３において、９、１０は第１の温度検出体７と第２の温度検出体８とともにブリッジ回路１７を形成する固定抵抗、１１はブリッジの中間電位１８、１９を比較する比較器、１２はインバータ、１３、１４は電子スイッチ、１５は電源、１６は流体の流路である。また、第２の温度検出体８と固定抵抗１０の間に固定抵抗２０が直列に接続されている。なお、中間電位１９は固定抵抗１０と固定抵抗２０との間の電位である。また、固定抵抗９、１０は同一抵抗値を持つ。
【００１８】
次に動作について説明する。図３の回路において、流体の流れがない場合、流体流量測定装置が動作していないときには第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の温度はほぼ同一である。流体流量測定装置を動作させた場合、動作開始時においては第１の温度検出体７、および第２の温度検出体８は同じ温度であるために抵抗値はほぼ同じであるが、固定抵抗２０が存在するため、中間電位１８は中間電位１９よりも低くなる。このため比較器１１の出力はＨＩＧＨとなり、電子スイッチ１３がオンとなり、第１の発熱抵抗体５に電流が流れる。そのことにより第１の発熱抵抗体５はジュール熱により発熱し、第１の温度検出体７の温度が上昇し、中間電位１８が上昇する。中間電位１８が中間電位１９より高くなると比較器１１の出力がＬＯＷとなり、インバータ１２の出力がＨＩＧＨとなって電子スイッチ１４がオンとなる。すると第２の発熱体６に電流が流れ、そのジュール熱により第２の温度検出体８の温度が上昇し、中間電位１９が上昇する。中間電位１９が中間電位１８をより高くなると比較器１１の出力がＨＩＧＨとなり、第１の発熱体５が発熱する。このような動作を繰り返して、中間電位１８と１９が等しくなるように制御が働く。中間電位１８と１９が等しいとき、第１の温度検出体７の抵抗値Ｒ７は次式で表される。
Ｒ７＝Ｒ８×Ｒ９／Ｒ１０＋Ｒ２０×Ｒ９／Ｒ１０
ただし、Ｒ８は第２の温度検出体８の抵抗値、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ２０はそれぞれ固定抵抗９、１０、２０の抵抗値である。ここで、
Ｒ９＝Ｒ１０
であるから、
Ｒ７＝Ｒ８＋Ｒ２０・・・（３）
となる。
（３）式からわかるように、固定抵抗２０が存在するため、第１の温度検出体７の抵抗値は第２の温度検出体８の抵抗値より大きくなっている。つまり、第１の温度検出体７の温度は第２の温度検出体８の温度より一定温度高く保たれる。この一定温度差は固定抵抗２０の抵抗値により調整できる。
【００１９】
次に、本実施の形態における出力特性について説明する。
図４は本実施の形態における温度検出体の温度の流量依存性とその制御形態を示す図であり、縦軸は温度、横軸は流量である。また図５は流体流量測定装置の温度分布を示す図であり、縦軸は温度、横軸は流体流量測定装置の流れに沿った位置を示している。さらに図６は本実施の形態の流体流量測定装置の出力特性を示す図であり、縦軸は出力、横軸は流量である。
【００２０】
流体の流れがない状態において第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保った場合、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保ったときの第１の温度検出体７の温度より第１の温度検出体７の温度がより高い。そのため、第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保った状態で図３の矢印の方向に流体の流れが発生すると温度を等しく保ったときよりもより多くの熱が上流側から下流側に伝わる。そのため、図４に示すように下流側の第２の温度検出体８は温度を等しく保った場合より大流量まで温度上昇を続ける。図４において線２１、２２はそれぞれ流量０のときの一定温度差を保つduty比のままで発熱体に電力が供給された場合の上流側の第１の温度検出体７と下流側の第２の温度検出体８の温度の流量依存性である。この状態で一定温度差制御が働くと、両者の温度差が設定された値になるまで、第１の温度検出体７の温度は線２３ａに上昇し、第２の温度検出体８の温度は線２３ｂに低下する。この温度差は流量が増大したときも保たれるが、流量が増大するに従い流れにより熱が奪われるために温度分布の流量依存性は図５に示すようになる。ここで、流量は０＜ｖ１＜ｖ２＜ｖ３である。流量が増大すれば温度検出体７、８の温度は低下していく。そして、流量が増大するにつれ、第２の温度検出体８の温度が流体の温度と限りなく近づいていく。また、第１の温度検出体７においてはある流量以上になれば奪われる熱量が発熱体５が供給する熱量を超え、温度差を保つことができなくなる。温度差を保つことができなくなる流量以上では流量を測定することはできない。この流量を飽和流量とすると、この流量測定装置の流量の測定上限は飽和流量となる。
【００２１】
第２の温度検出体８の温度降下量は図４に示すように（図中の矢印Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ）小流量から大流量まで増加を続ける。よって、第２の発熱体６の放熱量も小流量から大流量まで大きく変化し、（１）式で示すduty比差の変化も大きくなる。
このことにより、図６に示されるように、従来に比べ測定可能な全流量域において流量感度が向上する。特に、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保った場合に、第２の温度検出体８の温度変化量が低下してくる大流量においてその効果は大きい。
【００２２】
図７は本実施の形態の他の流体流量測定装置の回路図である。
図７では、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８をブリッジの上辺に置き、固定抵抗２０を固定抵抗９の辺に直列に接続しているが、図３にしめした回路図の流体流量測定装置と全く同様の効果が得られる。
また、図３、図７の回路以外でも、（３）式の関係が得られ、第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれるような回路構成であれば同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００２３】
本実施の形態によれば、第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保つことにより、第１の温度検出体７の温度と第２の温度検出体８の温度とを等しく保つ場合に比べて測定可能な全流量域において流量感度が向上する。特に、大流量においてその効果は大きい。
【００２４】
また、流れのない状態においても第１の温度検出体７の温度を第２の温度検出体８の温度より高く保つため、流量０のときに第１の発熱体５に第２の発熱体６よりも多くの電力が配分される。よって図６に示すように、流量０のときにバイアス電圧Ｖ０が発生する。このため、従来技術では必要だったバイアス回路が必要なくなり、回路規模の縮小と低コスト化も実現できる効果もある。
【００２５】
実施の形態２．
図８は実施の形態２を示す平面図である。本実施の形態において、第１の温度検出体７の抵抗値は第２の温度検出体８の抵抗値より小さく形成されている。例えば、第１の温度検出体７のパターン幅を第２の温度検出体８のパターン幅より広くすることにより、抵抗値に差をつけることができる。もちろん、温度検出体の長さや厚みを変えることにより抵抗値に差をつけることができるのはもちろんである。
【００２６】
第１、第２の温度検出体７、８の抵抗値Ｒ７、Ｒ８を温度の関数として表すと(４)、(５)式のようになる。
Ｒ７０＝Ｒ７０（１＋αＴ７） ・・・(４)
Ｒ８０＝Ｒ８０（１＋αＴ８） ・・・(５)
ここでＲ７０、Ｒ８０はそれぞれＲ７、Ｒ８の０℃のときの値、αは抵抗温度係数、Ｔ７、Ｔ８はそれぞれＲ７、Ｒ８の温度である。本実施の形態では、
Ｒ７０＜Ｒ８０ ・・・(６)
となるように第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値が形成されている。これを図９に示す回路に接続して動作させると、実施の形態１で説明したのと同様の制御がなされ、中間電位１８と１９が等しく保たれる。このとき、固定抵抗９と１０の抵抗値を等しく選んでおけば、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値も等しくなる。つまり、
Ｒ７０＝Ｒ８０ ・・・(７)
が成り立つ。よって、(４)、(５)式から
Ｔ７０＝（Ｒ８０／Ｒ７０）Ｔ８＋（Ｒ８０／Ｒ７０−１）／α ・・・(８)
となり、(６)式より
Ｒ８０／Ｒ７０＞１ ・・・(９)
であるから
Ｔ７０＞Ｔ８０ ・・・(１０)
となり、第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれる。これにより、実施の形態１で説明したのと同様に第２の温度検出体８の温度変化量を大きく保つことができる作用が発生し、感度向上の効果が得られる。
【００２７】
また、実施の形態２では第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の抵抗値を流量測定装置の製造時に変化させることにより、回路に余分な固定抵抗を付加する必要がなく、低コストで製造が容易な流量測定装置を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図１０は実施の形態３を示す回路図である。本実施の形態において、中間電位１８には差動増幅器２５が接続され、バイアス電圧２６が引き算される。４つの固定抵抗２４はすべて同じ値にしておりゲインは１倍である。よって比較器１１の一方の入力端子に入力される電圧は、中間電位１８（Ｖ18）からバイアス電圧２６（Ｖbias）を引き算した値となる。比較器１１の他方の入力は中間電位１９（Ｖ19）であるので、図１０の回路を動作させることにより、
Ｖ18−Ｖbias＝V19 ・・・（１１)
となるように制御がなされる。つまり、中間電位１８が中間電位１９よりも大きくなるように制御される。中間電位１８を中間電位１９よりも大きくするには、第１の温度検出体７の抵抗値を第２の温度検出体８の抵抗値よりも大きくしなければならない。よって第１の温度検出体７の温度が第２の温度検出体８の温度より高く保たれる。
【００２９】
このことにより、実施の形態１で説明したのと同様に第２の温度検出体８の温度変化量を大きく保つことができる作用作用が発生し、感度向上の効果が得られる。
【００３０】
図１０では中間電位１８からバイアス電圧を引き算する構成としたが、中間電位１９にバイアス電圧を加算する構成としても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００３１】
【実施例】
実施の形態１に示した流体流量測定装置を用いて流体の流量を測定した結果について説明する。図１１は電源電圧５Ｖの場合の流量と図１におけるＶｏｕｔとの関係を示したグラフである。ここで示したグラフはそれぞれ第１と第２の温度検出体間の温度差が０℃、１３℃および２５℃の場合である。グラフより流量が１５ｇ／秒以上のときに温度差なしの場合より感度が高いことがわかる。この感度上昇度合いは、第１の温度検出体７と第２の温度検出体８の間に設定する温度差に依存する。
【００３２】
また、図１２においては電源電圧５Ｖの場合で、流量１０ｇ／秒の感度上昇率および飽和流量と温度差との関係を示している。この図において、感度上昇率と飽和流量の温度差との関係から好適な温度差を設定することが可能となる。
【００３３】
車載用の流体流量測定装置の場合、測定値の再現性は１％以内を要求される。つまり１％以内の感度上昇率では再現性の観点から本発明の流体流量測定装置を適用できない。このことから、感度の低い小流量では０．５ｇ／秒が測定可能下限流量となる。また、測定値のダイナミックレンジを最低２００倍必要としている。０．５ｇ／秒が測定可能下限流量であるので、大流量側は少なくとも１００Ｇ／秒が測定可能である必要がある。この２つの条件から、車載用の流体流量測定装置の場合、有効温度差範囲は５℃〜２６℃となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１および第２の発熱体に接続された電源とを備え、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より常に一定温度高くなるように前記第１および第２の発熱体に電力を配分し、この配分比率から流体流量を測定することにより、従来と比して測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３５】
また、第２の発明は、第１の発明の流体流量測定装置において前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記固定抵抗の抵抗値が選択することにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３６】
また、第３の発明は、第１の流体流量測定装置において、前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記第１および第２の温度検出体の抵抗値が選択されていることにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３７】
また、第４の発明は、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と同じ抵抗値を有する第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の固定抵抗に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第１のスイッチ回路と接続され、前記第２のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の温度検出体の抵抗値が第２の温度検出体の抵抗値よりも小さいことにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【００３８】
さらに、第５の発明では、上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された前記第１の温度検出体と同じ抵抗値を有する第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の温度検出体に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第２のスイッチ回路と接続され、前記第１のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の固定抵抗の抵抗値が第２の固定抵抗の抵抗値よりも大きいことにより測定可能な全流量域において流量感度が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る流体流量測定装置を示す平面図である。
【図２】 実施の形態１に係る流体流量測定装置を示す断面図である。
【図３】 実施の形態１に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図４】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の温度分布の流量依存性を示す図である。
【図５】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の温度分布を示す図である。
【図６】 実施の形態１に係る流体流量測定装置の出力特性を示す図である。
【図７】 実施の形態１に係る他の流体流量測定装置の回路図である。
【図８】 実施の形態２に係る流体流量測定装置を示す平面図である。
【図９】 実施の形態２に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１０】 実施の形態３に係る流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１１】 実施例に係る流体流量測定装置の出力電圧の流量依存性を示す図である。
【図１２】 実施例に係る流体流量測定装置の感度上昇率と飽和流量の温度差との関係を示す図である。
【図１３】 従来の流体流量測定装置を示す断面図である。
【図１４】 従来の流体流量測定装置に用いる回路図である。
【図１５】 従来の流体流量測定装置の出力波形を示す図である。
【図１６】 従来の流体流量測定装置の出力特性を示す図である。
【図１７】 従来の流体流量測定装置の温度分布の流量依存性を示す図である。
【図１８】 従来の流体流量測定装置の温度検出体の温度の流量依存性とその制御形態を示す図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板、２ 空洞部、３ 絶縁層、４ 絶縁層、５ 第１の発熱体、６ 第２の発熱体、７ 第１の温度検出体、８ 第２の温度検出体、９ １０固定抵抗、１１ 比較器、１２ インバータ、１３ １４ 電子スイッチ、１５ 電源、１６ 流路、１７ ブリッジ回路、１８ １９ 中間電位、２０ 固定抵抗、２１ 第１の温度検出体の温度変化、２２ 第２の温度検出体の温度変化、２３ａ ２３ｂ 温度制御後の温度変化、２４ 差動増幅器用固定抵抗、２５ 差動増幅器、２６ バイアス電圧
Claims (5)
- 上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１および第２の発熱体に接続された電源とを備え、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より常に一定温度高くなるように前記第１および第２の発熱体に電力を配分し、この配分比率から流体流量を測定することを特徴とする流体流量測定装置。
- 前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記固定抵抗の抵抗値が選択されていることを特徴とする請求項１に記載の流体流量測定装置。
- 前記第１および第２の温度検出体と２つ以上の固定抵抗とを用いてブリッジ回路を構成し、前記第１の温度検出体の温度が前記第２の温度検出体の温度より一定温度高くなるように前記第１および第２の温度検出体の抵抗値が選択されていることを特徴とする請求項１に記載の流体流量測定装置。
- 上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と同じ抵抗値を有する第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の固定抵抗に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第１のスイッチ回路と接続され、前記第２のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の温度検出体の抵抗値が第２の温度検出体の抵抗値よりも小さいことを特徴とする流体流量測定装置。
- 上流側の第１の発熱体の近傍に形成された第１の温度検出体と、下流側の第２の発熱体の近傍に形成された前記第１の温度検出体と同じ抵抗値を有する第２の温度検出体と、前記第１の温度検出体と直列に接続された第１の固定抵抗と、前記第２の温度検出体と直列に接続された第２の固定抵抗とを用いて構成されたブリッジ回路と、前記第１および第２の温度検出体に接続された電源と、前記電源と前記第１の発熱体を介して接続された第１のスイッチ回路と、前記電源と前記第２の発熱体を介して接続された第２のスイッチ回路と、前記ブリッジ回路の中間電位を比較し、前記第２のスイッチ回路と接続され、前記第１のスイッチ回路とはインバータを介して接続される比較器とを備え、前記第１の固定抵抗の抵抗値が第２の固定抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とする流体流量測定装置。
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