JP4980510B2 - フローセンサ及び複合型流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を測定するフローセンサ及び複合型流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、特開平2−259527号公報、特開平9−89619号公報、特開平10−239129号公報などに記載されているように、基板の表面に一対の測温抵抗素子を配設し、これらの測温抵抗素子を通電により発熱させたときに、流す流体の流量により変化する一対の測温抵抗素子の温度差を基にして流体の流量を測定するフローセンサが知られている。
【0003】
このようなフローセンサは小流量域の流量測定に適しているが、大流量域の流量領域までの測定には適していないので、大流量域の流量測定をするフルイディック流量計とフローセンサとを備えた複合型流量計も知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のフローセンサは、感度を高くすることが強く求められている。この場合、感度は、上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との温度差が大きい程高くなる。感度を高くするためには、流体の流れ方向と直交する方向における測温抵抗素子の長さを増すことにより達成できるが、測温抵抗素子の長さに比例して測温抵抗素子を駆動するエネルギーが右上がりに増加してしまう。フローセンサは電池により駆動するため駆動エネルギーの上昇を抑えることが求められている。
【0005】
そこで本発明の目的は、駆動エネルギーを低く抑えることを満足させた上で、感度を高めることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のフローセンサは、基板と、流体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに所定の間隔を開けて配設された一対の測温抵抗素子とを備え、前記一対の測温抵抗素子を通電により発熱させたときの前記一対の測温抵抗素子の温度差に基づいて前記流体の流量を測定するフローセンサにおいて、前記流体の流れ方向と直交する方向における前記一対の測温抵抗素子それぞれの長さをa、前記一対の測温抵抗素子のうち前記流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から前記流体の流れ方向における下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をbとしたとき、前記長さaと前記距離bとの関係は、0.37≦b/a≦0.75に設定されている。
【0007】
したがって、上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との温度差が高くなるように長さaと距離bとの関係が設定されているため、測温抵抗素子を駆動するエネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることが可能となる。
【0008】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のフローセンサにおいて、前記長さaと前記距離bとの関係は、0.4≦b/a≦0.6に設定されている。
【0009】
したがって、請求項1の場合よりもさらに感度を高めることが可能となる。
【0014】
請求項3記載の複合型流量計は、流す流体の流量に応じてフルイディック振動を発生させるフルイディック発振素子と、前記フルイディック発振素子のフルイディック振動を検出する流量検出センサと、前記フルイディック発振素子の前記流路に配置された請求項1又は2に記載のフローセンサと、を備える。
【0015】
したがって、フローセンサを駆動するエネルギーの上昇を抑えるとともに、小流量域の流量測定の感度を高めることができる複合型流量計を提供することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図1ないし図4に基づいて説明する。図1はフローセンサ1の平面図である。基板2の一面には、表面が絶縁膜により絶縁された金属皮膜が形成され、その絶縁された金属皮膜上には、流体の流れ方向(矢印A方向)に沿って、流体温度検出抵抗エレメント3と、測温抵抗素子である薄膜ヒータ4,5と、これらの流体温度検出抵抗エレメント3及び薄膜ヒータ4,5を制御回路(図示せず)に接続するボンディングパッド6〜11が形成されている。すなわち、流体温度検出抵抗エレメント3の両端はボンディングパッド6,7に接続され、薄膜ヒータ4はボンディングパッド8,9に接続され、薄膜ヒータ5はボンディングパッド10,11に接続されている。基板2上の金属皮膜には、薄膜ヒータ4の上流側と薄膜ヒータ5の下流側とに多数の溝12が形成され、これらの溝12からエッチング液を注入するという異方性エッチング法により空隙部13が形成されている。この空隙部13の輪郭は点線で囲った領域である。前述の薄膜ヒータ4,5は、空隙部13の上面をなす金属皮膜の中央部に配設され、空隙部13によって基板2とは熱的に絶縁されている。これらの薄膜ヒータ4,5は、例えばPtなどのように抵抗温度係数の大きい材料により形成されている。
【0017】
ここで、流体の流れ方向Aと直交する方向における薄膜ヒータ4,5の長さをa、流体の流れ方向Aにおける上流側の薄膜ヒータ4の上流側の端縁から下流側の薄膜ヒータ5の下流側の端縁に至る距離をbとしたとき、長さaと距離bとの関係は、0.37≦b/a≦0.75に設定されている。一対の薄膜ヒータ4,5は空隙部13を横切るブリッジを形成するので、実施の形態では距離bをブリッジ幅bとして説明する。
【0018】
さらに、流体の流れ方向Aにおける薄膜ヒータ4,5の幅をc、流体の流れ方向Aにおける一対の薄膜ヒータ4,5の間隔をdとしたとき、幅cと間隔dとの関係は、c≦dに設定されている。
【0019】
次に、図2を参照して流体の流量測定について説明する。図2は、流体の流れ方向Aにおける上流側の薄膜ヒータ4と下流側との薄膜ヒータ5との配設状態(下段の図)と、これらの薄膜ヒータ4,5の温度変化(上段の図)の関係を示す説明図である。この図2を参照して流量測定の原理について説明する。
【0020】
一対の薄膜ヒータ4,5は同一の電流を流すとジュール熱により発熱する。流速ゼロ時の両者の温度t1 ,t2 は等しいが、流速が上がると、上流側の薄膜ヒータ4は流体により熱を奪われるためΔT1 だけ温度が低下し、下流側の薄膜ヒータ5は上流側の薄膜ヒータ4の熱を奪った流体に触れるためΔT2 だけ温度が上昇する。このときの両者の温度差は抵抗値の変化により差動出力電圧として出力されるため、その出力をホイートストーンブリッジ回路に取り込み、抵抗値の変化を電圧に変換することで、その電圧に対応する流体の流速が測定される。流体が上流側の薄膜ヒータ4から奪う熱は流体の流速に比例するため、
ΔT1 +ΔT2 =ΔTh
を算出することにより流速を求めることができる。流速が分かれば、流路断面積が既知であるため流量を求めることができる。この場合、ΔThを大きくすると感度が高くなる。この感度を高めるためには、流体の流れ方向Aと直交する方向における薄膜ヒータ4,5の長さを長くすることが知られているが、この場合には薄膜ヒータ4,5を駆動するエネルネギーが大きくなってしまう。
【0021】
しかし、本発明では上記のように、流体の流れ方向Aと直交する方向における薄膜ヒータ4,5の長さaと、ブリッジ幅bとの関係が、0.37≦b/a≦0.75に設定されているので、流体が流れている場合における上流側の薄膜ヒータ4と下流側の薄膜ヒータ5との温度差ΔTh、すなわち、感度を高くすることができる。
【0022】
以下、その実験の結果を図3に示す。図3は、流体の流れ方向Aにおける薄膜ヒータ4,5の長さaを、320μm及び600μmの二通りに設定し、これに対して変化させたブリッジ幅bを横軸にとり、感度及びエネルギーを縦軸にとり、aに対してbのパラメータを変化させた場合の感度とエネルギーとを測定した結果である。詳細にいえば、◇印で示すプロットは薄膜ヒータ4,5の長さaを320μmとしたときのエネルギーの測定結果、□印で示すプロットは薄膜ヒータ4,5の長さaを320μmとしたときの感度の測定結果、○印で示すプロットは薄膜ヒータ4,5の長さaを600μmとしたときのエネルギーの測定結果、*印で示すプロットは薄膜ヒータ4,5の長さaを600μmとしたときの感度の測定結果である。
【0023】
この実験において、エネルギーとは、流速ゼロの状態で、薄膜ヒータ4,5を環境温度より100℃上昇させるのに必要な電力(mW)である。感度は、幅4mm、深さ25mmの流路の幅4mmの上面にフローセンサ1を設置し、流体として乾燥した空気を毎時400リットル流したときの薄膜ヒータ4,5の温度差ΔTh(℃)である。
【0024】
図3の実験結果によれば、エネルギーは、ブリッジ幅bの増加とともに増加し、bがある値に達した後に飽和するが、その上昇のカーブは緩く低く抑えられていることが判る。これは、薄膜ヒータ4,5の長さaとブリッジ幅bとの上記の比の設定によるものである。
【0025】
感度については、ブリッジ幅bの増加とともに高まり、bがある値に達した後は下がる蒲鉾形のカーブを示すので、薄膜ヒータ4,5の長さaとブリッジ幅bとの関係があることが判る。小さなエネルギーで高い感度を得るための、感度/エネルギーの値が最大になる薄膜ヒータ4,5の長さaとブリッジ幅bとの比b/aは、a=320μm、a=600μmともに略0.5となる。
【0026】
すなわち、a=320μmの場合、感度のピークは約10.5℃であり、b/a=0.5としたときのブリッジ幅bは約160μmである。また、a=600μmの場合、感度のピークは約16.5℃であり、b/a=0.5としたときのブリッジ幅bは約300μmである。
【0027】
以上のように、b/aの比は0.5が最善であるが、製作上の許容範囲を考慮すると、0.4≦b/a≦0.6の設定がベターである。このように設定した場合は、a=320μmでは、ブリッジ幅bは128μm〜192μmとなり、b=600μmでは、ブリッジ幅bは240μm〜360μmとなる。この設定でも、エネルギーの低減、感度の向上を図ることができる。この製作上の許容範囲を考慮したb/a比の設定は、性能上まだ余裕がある設定である。
【0028】
すなわち、図3から、エネルギーの低減、感度の向上を実用上満足できるb/a比の範囲は、0.37≦b/a≦0.75である。この比によれば、a=320μmの場合、ブリッジ幅bは約120〜240μmであり、a=600μmの場合、ブリッジ幅bは約220〜450μmとなる。
【0029】
以上の結果から、0.37≦b/a≦0.75に設定することにより、感度を満足し得ることが確認された。また、0.37≦b/a≦0.75の設定範囲では、薄膜ヒータ4,5を駆動するエネルギーの上昇が極めて低く抑えられることが確認された。
【0030】
さらに、本発明においては、流体の流れ方向Aにおける薄膜ヒータ4,5の幅をc、流体の流れ方向Aにおける一対の薄膜ヒータ4,5の間隔をdとしたとき、幅cと間隔dとの関係が、c≦dに設定されているので、流体の流速がある場合における上流側の薄膜ヒータ4と下流側の薄膜ヒータ5との温度差ΔTh、すなわち、感度をさらに高くすることができる。
【0031】
以下、その実験の結果を図4に示す。図4は、薄膜ヒータ4,5の長さa=320μm、上記のブリッジ幅b=160μmに設定し、これに対して変化させた薄膜ヒータ4,5の幅cを横軸にとり、感度及びエネルギーを縦軸にとり、幅cのパラメータを変化させた場合の感度とエネルギーとを測定した結果である。□印で示すプロットはエネルギーの測定結果、◇印で示すプロットは感度の測定結果である。感度とエネルギーの定義は図3の場合と同様である。
【0032】
図4の実験結果によれば、エネルギーは薄膜ヒータ4,5の幅cの変化の影響をほとんど受けないが、感度は薄膜ヒータ4,5の幅cが高くなるに従い低下することが判る。すなわち、幅cが50μm以下の範囲では、感度は幅cの増加に比例して僅かづつ下がるが、幅cが50μm以上になると感度の低下は大きくなる。つまり、幅cの許容範囲の最大は50μmとなる。ブリッジ幅bは160μm、50μm幅の薄膜ヒータ4,5は2本分(2×c)であるから、薄膜ヒータ4,5の間隔dは、
d=b−2c=160μm−2×50μm=60μm
となる。すなわち、c≦dとすることにより、エネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることができることが確認された。
【0033】
また、図4において、薄膜ヒータ4,5の幅cが40μm以下の場合は、高めの感度を得ることができる。この場合、薄膜ヒータ4,5の間隔dは、
d=b−2c=160μm−2×40μm=80μm
となる。すなわち、2c≦dに設定することにより、さらに感度を高めることができる。
【0034】
なお、薄膜ヒータ4,5のリード線を基板2の片側(図1では上方)に向けて導出させた状態で説明したが、薄膜ヒータ4,5を図5に示すようなパターンで形成した場合には、リード線を上下方向に分けて配設し、これに接続されるボンディングパッド8〜11も上下に分けて配設すればよい。
【0035】
また、流体の流れ方向Aと直交する方向における薄膜ヒータ4,5の長さaについては、0.37≦b/a≦0.75の条件を守る限りは、図6に示すように、aの値を異なるa1 とa2 とに分けて定めてもよい。
【0036】
次に、図7を参照して複合型流量計について説明する。本実施の形態における複合型流量計20は、フルイディック流量計21と、図1に示したフローセンサ1とにより形成されている。
【0037】
フルイディック型流量計21の主要な構成部材をなすフルイディック発振素子22の上面の開口面は図示しない上カバーにより閉塞されるものである。フルイディック発振素子22には流体を矢印A方向に流す流路23が形成されている。この流路23には、流体の流れ方向Aの上流側から下流側に向けて、入口部24、複数の整流用網25及び整流格子26が所定の間隔をおいて配置された整流流路部27、下流側に向けて流路が絞られたフローセンサ流路部28、ノズル29、流路拡大部30、出口部31が形成されている。流路拡大部30にはノズル29の出口に対向する誘振子32と、この誘振子32の下流側に配置されたエンドブロック33とが形成されている。
【0038】
なお、流路23の上面開口を閉塞する上カバーには、ノズル29の出口付近の両側に通孔(図示せず)が形成されているとともに、これらの通孔からの圧力を検出する流量検出センサとしての圧力センサ(図示せず)が設けられている。
【0039】
このような構成において、複合型流量計20の流量測定について説明する。入口部24ら流路23に流れる流体は、上流側の整流用網25により緩衝され、次段の整流用網25との隙間でミキシングされ周期的な振動の変動が緩和されて流路23内で略均一な流速分布にされた後に、格子状の整流格子26により二次元流となり非圧縮性の定常的な一様な流れとなる。これにより、小流量域測定用のフローセンサ1の出力を安定させることができる。フローセンサ1の測定については前述の通りであるので、説明を省略する。
【0040】
次に、フルイディック流量計21により大流量域の流量測定について説明する。ノズル29から下流側に向かって噴出された流体は誘振子32の外側に沿って左右に振り分けられる。図7において誘振子32の下側に流体が流れる状態説明すると、ノズル29から噴出する流体の主噴流は流路拡大部30から出口部31に向けて流れるが、一部はエンドブロック33にぶつかり流路拡大部30の下側の側壁に沿って帰還流体となり、新たにノズル29から噴出する流体の噴流に直角方向からぶつかる。この帰還流体のエネルギーにより、新たにノズル29から噴出する流体の主噴流の向きは誘振子32の上側に変わり、一部はエンドブロック33にぶつかり流路拡大部30の上側の側壁に沿って帰還流体となり、新たにノズル29から噴出する流体の主噴流に直角方向からぶつかる。この帰還流体のエネルギーにより、新たにノズル29から噴出する流体の噴流の向きは誘振子32の下側に変わる。ノズル29から噴出する主噴流の流れの振り分けはこのようにして繰り返される。
【0041】
この主噴流の振り分けによる交番圧力波の周波数は通孔を通して圧力センサにより検出される。その検出値は流量に比例するので、圧力センサの出力により大流量域の流量を求めることができる。
【0042】
【発明の効果】
請求項1記載のフローセンサは、流体の流れ方向と直交する方向における一対の測温抵抗素子の長さをa、流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をbとしたとき、前記長さaと前記距離bとの関係を、0.37≦b/a≦0.75に設定したので、測温抵抗素子を駆動するエネルギーの上昇を抑え、かつ感度を高めることができる。
【0043】
請求項2記載のフローセンサは、0.4≦b/a≦0.6に設定したので、請求項1記載の場合よりさらに感度を高めることができる。
【0046】
請求項3記載の複合型流量計は、請求項1又は2に記載のフローセンサを備えるので、フローセンサを駆動するエネルギーの上昇を抑えるとともに、小流量域の流量測定の感度を高めることができる複合型流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態におけるフローセンサの平面図である。
【図2】流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との配設状態と、これらの測温抵抗素子の温度変化を示す説明図である。
【図3】測温抵抗素子を駆動するエネルギーと感度の測定結果を実験により示すグラフである。
【図4】測温抵抗素子を駆動するエネルギーと感度の測定結果を実験により示すグラフである。
【図5】測温抵抗素子の変形例を示す平面図である。
【図6】測温抵抗素子の変形例を示す平面図である。
【図7】複合型流量計の内部構造を示す平面図である。
【符号の説明】
1 フローセンサ
2 基板
4,5 測温抵抗素子
a 流体の流れ方向と直交する方向における測温抵抗素子の長さ
b 流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離
c 流体の流れ方向における測温抵抗素子の幅
d 流体の流れ方向における一対の測温抵抗素子の間隔
22 フルイディック発振素子
Claims (3)
- 基板と、流体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに所定の間隔を開けて配設された一対の測温抵抗素子とを備え、前記一対の測温抵抗素子を通電により発熱させたときの前記一対の測温抵抗素子の温度差に基づいて前記流体の流量を測定するフローセンサにおいて、
前記流体の流れ方向と直交する方向における前記一対の測温抵抗素子それぞれの長さをa、前記一対の測温抵抗素子のうち前記流体の流れ方向における上流側の測温抵抗素子の上流側の端縁から前記流体の流れ方向における下流側の測温抵抗素子の下流側の端縁に至る距離をbとしたとき、前記長さaと前記距離bとの関係は、0.37≦b/a≦0.75に設定されているフローセンサ。 - 前記長さaと前記距離bとの関係は、0.4≦b/a≦0.6に設定されている請求項1記載のフローセンサ。
- 流す流体の流量に応じてフルイディック振動を発生させるフルイディック発振素子と、前記フルイディック発振素子のフルイディック振動を検出する流量検出センサと、前記フルイディック発振素子の流路に配置された請求項1又は2に記載のフローセンサと、を備える複合型流量計。
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