JP5209232B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、定常流量域での流体流量を高精度に計測し得ると共に、上記定常流量域を外れた大量の流体が通流する場合であっても、その流量を確実に検出することのできる簡易な構成の熱式流量計に関する。

各種流体の質量流量を高精度に検出可能な流量センサとして、例えば図８に示すように半導体基板（例えばシリコン基板）Ｂ上に、ヒータ素子Ｒhを間にして一対の感温素子Ｒu,Ｒdを形成したセンサチップが注目されている。尚、上記ヒータ素子Ｒhおよび一対の感温素子Ｒu,Ｒdは、例えば白金（Ｐt）の薄膜抵抗体からなる。そしてこれらのヒータ素子Ｒhおよび一対の測温素子Ｒu,Ｒdは、図９にその断面構造を模式的に示すように、半導体基板Ｂに形成したキャビティ（凹部）Ｃを橋架して設けられた肉薄のダイヤフラムＤ上に流体の通流方向Ｆに沿って並べて設けられる。尚、図中Ｒrは、半導体基板Ｂの前記ダイヤフラムＤから離れた位置に設けられて前記センサチップの周囲雰囲気温度（流体温度）を検出する温度検出素子である。

このようなセンサチップを用いた熱式流量計は、前記感温素子Ｒu,Ｒdの近傍の雰囲気温度、具体的には前記ヒータ素子Ｒhの発熱温度を前記温度検出素子Ｒrによって検出される雰囲気温度（流体温度）よりも一定温度だけ高めたとき、これによってダイヤフラムＤの近傍での温度分布が流体の流量（流速）Ｑによって変化し、前記一対の測温素子Ｒu,Ｒdによりそれぞれ検出される温度に差が生じることに着目している。そして一対の測温素子Ｒu,Ｒdにより検出される温度差から前記流体の質量流量Ｑを求めるように構成される（例えば特許文献１を参照）。
特開２００３−２４７８７６号公報

ところで上述した構成の熱式流量計は、小型でその検出精度が高いといえども、その流量計測域（ダイナミックレンジ）を広範囲に確保することが困難である。これ故、従来では、例えば微小流量計測用の熱式流量計と大流量計測用の熱式流量計と併用する等して広範囲な流量計測域（ダイナミックレンジ）を確保するようにしている。しかしながら一般的には流体通流管がなす主流路から分岐した流量計測用の細管流路に、流量計測域が異なる複数のセンサチップ（流量センサ）を組み込むことが困難である。しかもこの種の細管流路に、計測流量域を互いに異にする複数のセンサチップを組み込んだ場合、微小流量の計測に支障を来す虞がある。

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、所要とする定常流量域での流体流量を高精度に計測し得ると共に、上記定常流量域を外れた大量の流体が通流する場合であっても、その流量を確実に検出することのできる簡易な構成の熱式流量計を提供することにある。

本発明は、一対の感温素子の近傍温度をその雰囲気温度よりも一定温度だけ高く維持するに必要な熱エネルギに相当するヒータ素子の駆動電力が流体の流量に応じて変化すること、しかも大流量時であって前記一対の感温素子にて検出される温度差に基づいて高精度に求められる流量がその流量計測域（ダイナミックレンジ）を外れて飽和するような場合であっても、前記熱エネルギ（ヒータ素子の駆動電力）が流体の流量に応じて変化することに着目している。

そこで上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、
<ａ> 一対の感温素子を備えたセンサチップと、
<ｂ> このセンサチップにおける上記一対の感温素子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流体の温度よりも一定温度だけ高める加熱手段と、
<ｃ> 前記一対の感温素子により検出される温度差から前記流体の流量を求める第１の流量演算手段と、
<ｄ> 前記雰囲気温度を前記流体の温度よりも一定温度だけ高くした前記加熱手段の駆動エネルギから前記流体の流量を求める第２の流量演算手段と、
<ｅ> 前記第１の流量演算手段が求めた流量が予め設定した流量閾値を超えるとき、前記第１の流量演算手段が求めた流量に代えて前記第２の流量演算手段が求めた流量を出力する出力制御手段と
を具備したことを特徴としている。

好ましくは前記加熱手段は、前記一対の感温素子と並べてこれらの感温素子の間に形成されたヒータ素子を発熱駆動するものであって、前記第２の流量演算手段は上記ヒータ素子の駆動電力から前記流体の流量を求めるように構成される。或いは前記加熱手段は、前記一対の感温素子を発熱駆動するものであって、前記第２の流量演算手段は前記一対の感温素子の発熱駆動電力から前記流体の流量を求めるように構成される。

尚、前記出力制御手段については、更に前記第１の流量演算手段に求められた流量がマイナス値を示すとき、前記第１の流量演算手段が求めた流量に代えて前記第２の流量演算手段が求めた流量を前記流体の逆流流量として出力する機能を備えることも望ましい。

前述した如く構成された熱式流量計によれば、前記第１の流量演算手段は一対の感温素子にて求められる温度差に基づいて流体の流量を求めるので、予め設定された所定の計測流量域において十分に高い精度で流体流量を検出する。これに対して前記第２の流量演算手段は、例えばヒータ素子の駆動電力に基づいて流体流量を検出するだけなので、前記第１の流量演算手段に比較して上記計測流量域での計測精度はさほど高くはない。

しかし流体流量が増大して前記第１の流量演算手段が求めた流量が前記流量計測域の限界を超えるような場合、具体的には前記第１の流量演算手段にて求められる流量が飽和するような場合には、前記第１の流量演算手段が求めた流量に代えて前記第２の流量演算手段が求めた流量が出力される。従って前記第１の流量演算手段が求めた流量が飽和してその流量検出ができない状況下においても、これに代えて前記第２の流量演算手段にて求められる流量が出力されるので、実質的にその計測流量域（ダイナミックレンジ）を拡大することができる。

従って一対の感熱素子を備えたセンサチップを用いた熱式流量計において、前記一対の感熱素子を用いて計測される定常的な計測流量域での流量計測を高精度に行いながら、上記定常的な計測流量域を外れた幅広い範囲に亘ってその流量計測を効果的に実施することが可能となる。つまり微小流量計測用の熱式流量計と大流量計測用の熱式流量計と併用することなく幅広い範囲に亘って流量計測を行い得るので、小型で簡易な構成の熱式流量計を実現することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱式流量計について説明する。尚、本発明に係る熱式流量計は、センサチップに設けた一対の感温素子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流体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温素子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温素子Ｒｕ,Ｒｄとヒータ素子Ｒｈ、および温度検出素子Ｒｒを形成した、例えば前述した図７および図８に示した素子構造のセンサチップである。このセンサチップ１の駆動回路２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Ｔに応じて前記ヒータ素子Ｒｈを発熱駆動して前記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度を一定温度ΔＴだけ高くするヒータ温度制御部３と、前記感温素子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）を前記センサチップ１に沿って通流する流体の流量Ｑ１として求めるセンサ電圧検出部（第１の流量検出手段）４とを備える。

本発明に係る熱式流量計はこのような基本構成に加えてセンサ信号の出力を制御する出力制御部５を備える。この出力制御部５は、例えば前記センサ電圧検出部４によって検出された流量Ｑ１（センサ信号Ｖ１）を予め設定した閾値と比較するレベル判定部６と、前記ヒータ温度制御３により発熱制御される前記ヒータ素子Ｒｈの駆動エネルギから前記センサチップ１に沿って通流する流体の流量Ｑ２（ヒータ信号Ｖ２）として求めるセンサ電圧検出部（第２の流量検出手段）７と、前記レベル判定部６による判定結果に従って前記流量Ｑ１,Ｑ２を選択的に出力するスイッチ回路８とを備える。

特に前記レベル判定部６は、例えば前記熱式流量計に要求される標準的な流量計測範囲の上限値（計測仕様）を閾値Ｑmaxとして設定しており、前記センサ電圧検出部５によって検出された流量Ｑ１が上記閾値Ｑmaxを超えたときに前記スイッチ回路８を切り替え制御することで前記流量Ｑ１に替えて前記センサ電圧検出部７が検出した流量Ｑ２をセンサ信号として出力するように構成される。

具体的には前記センサチップ１およびその駆動回路２は、専ら、熱式流量計に要求される仕様に応じた標準的な流量計測範囲において高感度に、且つ高精度に流量計測を行い得るように設計される。即ち、前記センサチップ１およびその駆動回路２は、流量計測の仕様として与えられる０％流量の状態から１００％流量の計測対象範囲においてその出力電圧Ｖａが、例えば図２に示すように前記センサ電圧検出部３の最小出力電圧Ｖminと最大出力電圧Ｖmaxとの間で略直線的に変化するように設計される。これ故、流体の流量Ｑが上述した計測範囲の上限値（１００％流量）を超える場合には、前記センサ電圧検出部３の出力電圧（センサ信号）Ｖ１は、専ら上記最大出力電圧Ｖmaxにて飽和する。

これに対して前述したヒータ温度制御部４は、前述したように単に前記温度センサＲｒによって検出される雰囲気温度Ｔよりも前記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度を一定温度ΔＴだけ高くするべく前記ヒータ素子Ｒｈを発熱駆動しているだけである。そして流体の流量Ｑが増加するに従って該流体によって奪われる熱量が増大することから、流体によって奪われた熱量による温度低下を補うべく前記ヒータ温度制御部４はヒータ素子Ｒｈの発熱駆動量を増大させる。この結果、前記ヒータ温度制御部４による前記ヒータ素子Ｒｈの駆動エネルギ（ヒータ信号Ｖ２）は、図２に示すように流量Ｑの増大に伴って次第に高くなる。この流量Ｑの変化に対するヒータ信号Ｖ２の変化は、前述したセンサ電圧検出部３から出力されるセンサ信号Ｖ１の変化に比較してさほど顕著（高感度）ではないものの、概ね流体の流量Ｑを表していると言える。しかもヒータ信号Ｖ２は、図２に示すように１００％流量を超えても徐々に増大する。従ってこのヒータ信号Ｖ２に着目すれば、その計測精度が低いものの、熱式流量計に要求される流量計測範囲（０〜１００％流量）に拘わることなく流体流量Ｑを求め得ると言える。

そこで本発明に係る熱式流量計においては、前述したようにレベル判定部６にて前記センサ電圧検出部５によって検出された流量Ｑ１（センサ信号Ｖ１）を、予め設定した閾値（計測範囲の上限値；１００％流量）Ｑmaxと比較している。そしてその流量Ｑが１００％流量を超えるとき、前記流量Ｑ１（センサ信号Ｖ１）に替えて前記ヒータ信号から求められた流量Ｑ２（ヒータ信号Ｖ２）を出力することで、前記センサ信号Ｖ１からその流量Ｑを求めることができない場合であっても、概略的ではあるがその流量Ｑを求め得るものとなっている。従って本発明に係る熱式流量計によれば、１００％流量を超える過大な流量の流れた場合であっても、その過大な流量がどの程度であるかを求めることができるので、その積算流量を正確に求めることができる等の効果が奏せられる。

図３は本発明に係る熱式流量計の具体的な構成例を示している。尚、ここで用いられるセンサチップ１は、先に図８および図９を参照して説明したように半導体基板（例えばシリコン基板）Ｂに穿いた凹状のキャビティＣを橋架して形成した肉薄のダイヤフラムＤ上に、上記キャビティＣの開口方向（流体の通流方向Ｆ）に沿ってヒータ素子Ｒhを間にして一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄを設けると共に、半導体基板Ｂの前記ダイヤフラムＤから離れた位置に温度検出素子Ｒｒを設けた素子構造を有する。ちなみに前記ヒータ素子Ｒｈ，一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄおよび温度検出素子Ｒｒは、例えば前記ダイヤフラムＤ上に絶縁膜を介してそれぞれ蒸着形成した白金（Ｐt）等の薄膜抵抗体からなる。

さて前記流量計測装置は、前述したようにヒータ素子Ｒｈの発熱温度を制御するヒータ温度制御部３と、前記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値変化から流体の流量を検出するセンサ電圧検出部４とを備える。具体的にはセンサ電圧検出部４は、図３に示すように前記ヒータ素子Ｒｈを間にして流体の通流方向に設けられた一対の感温素子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における上記感温素子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。

また前記ヒータ温度制御部３は、前記ヒータ素子Ｒｈと温度検出素子Ｒｒ、および一対の固定抵抗体Ｒ１,Ｒ２を用い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ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が、前記温度検出素子Ｒｒにて検出される周囲温度Ｔよりも常に一定温度ΔＴだけ高くなるように制御される。

尚、この例では前記ヒータ温度制御部３は、前記トランジスタ３ｂの出力電圧である前記ブリッジ回路３ａの駆動電圧Ｖａと前記ヒータ素子Ｒｈに加えられる電圧Ｖｂとを出力している。そして、例えばマイクロプロセッサによって構成される出力制御部５は、上記駆動電圧Ｖａ,Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）を、前述したヒータ素子Ｒｈの発熱量に相当するヒータ駆動エネルギ（ヒータ信号Ｖ２）として求めるものとなっている。

そしてレベル判定部６，ヒータ電圧検出部７およびスイッチ回路８を備えて構成される前記流量演算部５は、例えば図４に示す処理手順に従って前記センサ信号Ｖ１およびヒータ信号Ｖ２に基づいて流体の流量Ｑに応じた出力を求めている。即ち、前記流量演算部５は所定の動作周期に従って、先ずセンサ信号Ｖ１およびヒータ信号Ｖ２をそれぞれ取り込み［ステップＳ１,Ｓ２］、センサ信号Ｖ１の値（流量Ｑ１）と前述した閾値（流量Ｑmax）とを比較する［ステップＳ３］。そして前記センサ信号Ｖ１の値が上記閾値以下であるとき、つまり１００％流量以下である場合には、前記センサ信号Ｖ１に基づいてそのときの瞬時流量を算出する［ステップＳ４］。そしてこの瞬時流量を積算することでその積算流量を求めている。

これに対して前記センサ信号Ｖ１の値が上記閾値（１００％流量）を超える場合には、前述したヒータ信号Ｖ２に基づいて瞬時流量Ｑ２を算出する［ステップＳ６］。そして前述したセンサ信号Ｖ１に基づいて求めた瞬時流量Ｑ１に替えて、上記ヒータ信号Ｖ２に基づいて求めた瞬時流量Ｑ２を、今までの積算流量値に積算している［ステップＳ５］。従って過大な流量が流れた場合であっても、その流量の積算を正確に行い得る。そしてこのようにして積算した流量値を、該熱式流量計にて計測された流量値として出力し、或いは表示している［ステップＳ７］。

ところで上述した実施形態は、温度検出素子Ｒｒにて検出される雰囲気温度よりも一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度を一定温度だけ高くして流量検出を行ったが、前記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄによりそれぞれ検出される温度の平均温度Ｔaveが前記温度検出素子Ｒｒにて検出される雰囲気温度Ｔよりも一定温度ΔＴだけ高くなるように制御して流量検出を行うようにしても良い。

図５はこのようなヒータ素子Ｔｈに対する温度制御の下で流量検出を行う場合の駆動回路の構成例を示している。この場合には、図５にその構成を示すように前述した第１のブリッジ回路４ａを含み、このブリッジ回路４ａと前記温度検出素子Ｒｒとの間で前述した第２のブリッジ回路３ａに代わるブリッジ回路３ｄを構成する。そしてこのブリッジ回路３ｄのブリッジ出力電圧を検出する差動増幅器３ｅを用いて前記ヒータ素子Ｒｈの駆動を制御し、これによって前記ブリッジ回路３ｄを平衡させるように構成する。

このように流量センサの駆動回路を構成した場合であっても、流量Ｑに応じたヒータ素子Ｒｈの駆動電力を該ヒータ素子Ｒｈに直列接続した固定抵抗の両端間電圧として検出することができるので、これをヒータ信号Ｖ２として用いることができる。従って先の実施形態と同様に１００％流量を超えるように場合であってもヒータ信号Ｖ２から流量検出を行うことができるので、広範囲な流量域に亘って流量検出を行うことが可能となる。

ところで上述した各実施形態は、ヒータ素子Ｒｈを備えた流量センサを用いた例であるが、ヒータ素子Ｒｈを備えず、温度検出用の感温素子Ｒｕ（Ｒｄ）を発熱体として用いた、いわゆる自己発熱タイプの熱式流量計にも本発明を適用することができる。
図６は、このような自己発熱タイプの熱式流量計に本発明を適用した場合の構成例を示している。この場合にはトランジスタ（ＦＥＴ）３ｆを備えて構成される定電流源にて一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄを含んで構成される第１のブリッジ回路４ａを定電流駆動するように構成し、上記一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄを自己発熱させながら流体の流量に応じて変化する上記感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値変化をブリッジ回路４ａの出力（センサ信号Ｖ１）として検出する。同時に上記定電流源により駆動される前記第１のブリッジ回路４ａの駆動電圧Ｖａをヒータ電圧Ｖ２として検出するようにすれば良い。

このように構成された駆動回路によれば、大流量の流体によって一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄが発熱した熱量が奪われ、その出力（センサ信号Ｖ１）が飽和する場合であってもブリッジ回路４ａの駆動電圧Ｖａは上記流量の増大に伴って高くなるので上記駆動電圧Ｖａから１００％流量を超える流量Ｑを求めることができ、従って先の実施形態と同様な効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものでない。例えば１００％流量の流量値については、その仕様に応じて定めれば良いものである。また図７に示すように流体が逆流してセンサ信号Ｖ１がマイナス領域で飽和する場合にもヒータ信号Ｖ２自体は変化するので、逆流時における流量もヒータ信号Ｖ２から求めることができる。従って逆流検出の機能を設けて高流量時と同様に検出流量の切り替えを行うようにしても良い。その他、本発明はそ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を示すブロック図。 流量の変化に対する熱式流量計のセンサ信号Ｖ１とヒータ信号Ｖ２の変化の様子を示す図。 本発明の実施形態に係るセンサ駆動回路な構成例を示す図。 出力制御部での概略的な処理手順を示す図。 本発明の実施形態に係るセンサ駆動回路の別の構成例を示す図。 本発明の実施形態に係るセンサ駆動回路の更に別の構成例を示す図。 流量センサの逆流に対する検出特性を示す図。 熱式流量センサの概略構成を示す図。 図８に示す熱式流量センサの断面構造を示す図。

符号の説明

１ 熱式流量センサ（センサチップ）
２ 駆動回路
３ ヒータ温度制御部
４ センサ電圧検出部（第１の流量演算手段）
５ 出力制御部
６ レベル判定部
７ ヒータ電圧検出部（第２の流量演算手段）
８ スイッチ回路

Claims (3)

1. 一対の感温素子を備えたセンサチップと、
   このセンサチップにおける上記一対の感温素子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流体の温度よりも一定温度だけ高める加熱手段と、
   前記一対の感温素子により検出される温度差から前記流体の流量を求める第１の流量演算手段と、
   前記雰囲気温度を前記流体の温度よりも一定温度だけ高くした前記加熱手段の駆動エネルギから前記流体の流量を求める第２の流量演算手段と、
   前記第１の流量演算手段が求めた流量が予め設定した流量閾値を超えるとき、前記第１の流量演算手段が求めた流量に代えて前記第２の流量演算手段が求めた流量を出力する出力制御手段と、を具備し、
   前記出力制御手段は、更に前記第１の流量演算手段に求められた流量がマイナス値を示すとき、前記第１の流量演算手段が求めた流量に代えて前記第２の流量演算手段が求めた流量を前記流体の逆流流量として出力する機能を備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記加熱手段は、前記一対の感温素子と並べてこれらの感温素子の間に形成されたヒータ素子を発熱駆動するものであって、前記第２の流量演算手段は上記ヒータ素子の駆動電力から前記流体の流量を求めるものである請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記加熱手段は、前記一対の感温素子を発熱駆動するものであって、前記第２の流量演算手段は前記一対の感温素子の発熱駆動電力から前記流体の流量を求めるものである請求項１に記載の熱式流量計。

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