JP6087735B2

JP6087735B2 - 流量センサ及び流量検出システム

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Publication number: JP6087735B2
Application number: JP2013119472A
Authority: JP
Inventors: 直樹 ▲高▼山; 勇気須藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: JP2014238273A

Description

本発明は、流路を流れる流体の流量を検出するために用いられる差圧式の流量センサ、及びそれを備えた流量検出システムに関するものである。

主流路から分岐する流体流路の中に開口およびカンチレバーを有する差圧検出素子を設け、この差圧検出素子のカンチレバーの変形から流体の流量を検出する差圧式の流量センサが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−２０９１３０号公報

上記の流量センサでは、埃や異物等のダストが流体と共に主流路から流体流路内に流れ込むと、すべての流体がメンブレンの開口を通過するため、ダストがカンチレバーに付着して流量を正確に計測できなくなる場合があるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、差圧検出素子へのダストの付着を抑制することができる流量センサおよび流量検出システムを提供することである。

［１］本発明に係る流量センサは、主流路を流れる流体の流量を検出するために用いられる流量センサであって、一対の第１の連通口を介して前記主流路に連通可能な第１の分流路と、一対の第２の連通口を介して前記第１の分流路から分岐する第２の分流路と、前記第２の連通口が形成されていると共に、前記第１の分流路と前記第２の分流路の間を仕切る仕切り壁と、前記流体の流れに応じて変形可能であると共にピエゾ抵抗層を持つ梁部を有する差圧検出素子と、前記差圧検出素子に電気的に接続された電子部品と、を備えており、前記差圧検出素子は、前記第２の分流路内に設けられており、前記仕切り壁は、前記差圧検出素子と前記電子部品が実装された配線基板であることを特徴とする。

［２］上記発明において、前記流量センサは、下記の（１）式を満たしてもよい。

Ｌ_１＞Ｌ_２ … （１）

但し、上記の（１）式において、Ｌ_１は一対の前記第１の連通口の間の距離であり、Ｌ_２は一対の前記第２の連通口の間の距離である。

［３］本発明に係る流量センサは、主流路を流れる流体の流量を検出するために用いられる流量センサであって、一対の第１の連通口を介して前記主流路に連通可能な第１の分流路と、中間連通口を介して前記第１の分流路から分岐する少なくとも一つの中間分流路と、一対の第２の連通口を介して前記中間分流路から分岐する第２の分流路と、前記第２の連通口が形成されていると共に、前記中間分流路と前記第２の分流路の間を仕切る仕切り壁と、前記流体の流れに応じて変形可能であると共にピエゾ抵抗層を持つ梁部を有する差圧検出素子と、前記差圧検出素子に電気的に接続された電子部品と、を備えており、前記差圧検出素子は、前記第２の分流路内に設けられ、前記仕切り壁は、前記差圧検出素子と前記電子部品が実装された配線基板であることを特徴とする。

［４］上記発明において、前記差圧検出素子は、開口を有すると共に前記梁部を支持するベース部を備え、前記梁部は、前記開口に突出するように前記ベース部に片持ち支持されていてもよい。

［５］上記発明において、前記流量センサは、前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算手段をさらに備えていてもよい。

［６］本発明に係る流量検出システムは、上記の流量センサと、前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第１の分流路からさらに分岐する第２の分流路に差圧検出素子が設けられているので、差圧検出素子へのダストの付着を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における流体検出システムの全体構成を示す断面図である。図２（ａ）は、本発明の第１実施形態における差圧検出素子の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIB-IIB線に沿った断面図である。図３（ａ）は、本発明の第１実施形態における差圧検出素子の変形例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIB-IIIB線に沿った断面図である。図４は、本発明の第１実施形態における流量センサの変形例を示す断面図である。図５は、本発明の第２実施形態における流量センサを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

<<第１実施形態>>
図１は本発明の第１実施形態における流体検出システムの全体構成を示す断面図である。

本実施形態における流体検出システム１は、図１に示すように、主流路９０を流れる流体の流量を検出するシステムであり、主流路９０に装着された流量センサ１０と、この流量センサ１０の出力に基づいて流体の流量を演算する流量演算装置６０と、を備えている。

主流路９０を流れる流体の一例としては、例えば、空気等の気体を例示することができるが、液体であってもよい。なお、図１では、流体が主流路９０内を左側から右側に向かって流れている状況を図示しているが、流体の流れる方向Ｆは特にこれに限定されず、流体が主流路９０内を右側から左側に向かって流れる場合もある。

流量センサ１０は、図１に示すように、主流路から分岐する２つの分流路２２５，２５３を形成する筐体２０と、流体の流れによって主流路９０内に生じている差圧を検出する差圧検出素子５０と、を備えている。

流量センサ１０の筐体２０は、図１に示すように、上下の箱状部２１，２５と、当該箱状部２１，２５の間に介装された仕切り壁３０と、から構成されている。

第１の箱状部２１は、内部空間２２４を有する本体部２２と、一対のポート２３，２４と、を有している。第１のポート２３は、第１の開口２２１を介して本体部２２の内部空間２２４に連通している。第２のポート２４も、第２の開口２２２を介して本体部２２の内部空間２２４に連通している。この２つのポート２３，２４が主流路９０に連結されることで、ポート２３，２４を介して本体部２２の内部空間２２４が主流路９０と連通する。また、この本体部２２は、その底部に第３の開口２２３を有している。

第２の箱状部２５も、第１の箱状部２１の第３の開口２２３に対応するように、その上部に開口２５１を有している。そして、この第２の箱状部２５は、開口２２３，２５１の間に仕切り壁３０を介在させた状態で第１の箱状部２１に連結されている。

この仕切り壁３０には、２つの貫通孔３１，３２が形成されている。第１の貫通孔３１は、第１の箱状部２１の第１の開口２２１に対向するように仕切り壁３０に設けられている。一方、第２の貫通孔３２は、仕切り壁３０において第１の箱状部２１の第２の開口２２２の近傍に設けられている。

従って、仕切り壁３０を介して２つの箱状部２１，２５を連結すると、以下の２つの分流路２２５，２５３が形成される。

すなわち、一つ目の分流路は、主流路９０から分岐して、第１のポート２３→第１の箱状部２１の内部空間２２４→第２のポート２４を経て、主流路９０に戻る第１の分流路２２５である。

一方、二つ目の分流路は、第１の分流路２２５から分岐して、第１の貫通孔３１→第２の箱状部２５の内部空間２５２→第２の貫通孔３２を経て、第１の分流路２２５に戻る第２の分流路２５３である。

この際、本実施形態では、下記の（１）式に示すように、仕切り壁３０における一対の貫通孔３１，３２の間の距離が、第１の箱状部２１における一対のポート２３，２４の間の距離よりも小さくなっている。

Ｌ_１＞Ｌ_２ … （１）

但し、上記の（１）式において、Ｌ_１は第１のポート２３と第２のポート２４との間の距離であり、Ｌ_２は第１の貫通孔３１と第２の貫通孔３２との間の距離である。

因みに、距離Ｌ_２によって差圧検出素子５０に加わる圧力の大きさを調整することができ、上記の（１）式において、Ｌ_２をＬ_１に対して相対的に小さくするほど、差圧検出素子５０に加わる圧力を弱めることができる。これにより、流量センサ１０の測定レンジを拡大することが可能であり、大きな流量であっても測定することが可能となる。

なお、仕切り壁３０における貫通孔３１，３２の形成位置は、２つの貫通孔３１，３２の間の距離が上記の（１）式を満たしていれば、上述の位置に特に限定されない。例えば、第１の貫通孔３１を第１の開口２２１の近傍に設けると共に第２の貫通孔３２を第２の開口２２２に対向させてもよい。或いは、第１及び第２の貫通孔３１，３２の両方を第１及び第２の開口２２１，２２２の近傍に設けてもよい。

また、本実施形態では、第２の分流路２５３内で生じる流路抵抗が、第１の分流路２２５内で生じる流路抵抗に対して相対的に大きくなるように、２つの分流路２２５，２５３が形成されている。これにより、流体に混入しているダストが慣性によって第１の分流路２２５に流れ易くなるので、ダストの第２の分流路２５３への侵入を抑制することができる。

上記の第２の分流路２５３の流路抵抗を第１の分流路２２５の流路抵抗よりも大きくする手法の一例としては、例えば、下記の（２）式を満たすように、第１及び第２の分流路２２５，２５３を形成することを挙げることができる。

Ｓ_１＞Ｓ_２ …（２）

但し、上記の（２）式において、Ｓ_１は、筐体２０の内部空間２２４の断面積であり、Ｓ_２は、後述する差圧検出素子５０の開口５１１の断面積である。

或いは、特に図示しないが、第２の分流路２５３を蛇行させることで、第２の分流路２５３の流路抵抗を第１の分流路２２５の流路抵抗より大きくしてもよい。

本実施形態におけるポート２３，２４が発明における第１の連通口の一例に相当し、本実施形態における第１及び第２の貫通孔３１，３２が本発明における第２の連通口の一例に相当する。

仕切り壁３０には差圧検出素子５０が実装されている。この差圧検出素子５０は、第１の貫通孔３１に重なるように仕切り壁３０に設けられている。以下に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら、差圧検出素子の構成について説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は本実施形態における差圧検出素子の平面図及び断面図であり、図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態における差圧検出素子の変形例を示す平面図及び断面図である。

この差圧検出素子５０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ベース部５１と、カンチレバー部５２と、電極５３，５４と、を備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子である。なお、本実施形態におけるカンチレバー部５２が、本発明における梁部の一例に相当する。

ベース部５１とカンチレバー部５２は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを加工することで一体的に形成されており、ベース部５１は、第１のシリコン層５５１、酸化シリコン層５５２、及び、第２のシリコン層５５３からなる積層体で構成されている。このベース部５１には、当該ベース部５１を貫通する開口５１１が形成されている。

一方、カンチレバー部５２は、第２のシリコン層５５３と、一対のピエゾ抵抗層５２１，５２２と、から構成されており、開口５１１に突出するようにベース部５１に片持ち支持されている。このカンチレバー部５２において、第２のシリコン層５５３は自由端側に位置しているのに対し、ピエゾ抵抗層５２１，５２２は固定端側に位置しており、カンチレバー部５２の外縁と開口５１１の内壁面との間に隙間（ギャップ）５２４が確保されている。この隙間５２４は、第２の分流路２５３内を流体がほとんど流れない程度の狭い幅を有しており、特に限定されないが、例えば、０．１［μｍ］〜１０［μｍ］程度の幅を有することが好ましい。

ピエゾ抵抗層５２１，５２２は、ｎ型若しくはｐ型の不純物を第２のシリコン層５５３にドーピングすることで形成されており、カンチレバー部５２の弾性変形に伴って当該ピエゾ抵抗層５２１，５２２の抵抗値が変化する。このため、本実施形態では、ピエゾ抵抗層５２１，５２２は、カンチレバー部５２において歪みが最も大きくなる根元部分に設けられており、カンチレバー部５２は、このピエゾ抵抗層５２１，５２２を介してベース部５１の開口５１１の周縁に連結されている。

このピエゾ抵抗層５２１，５２２同士は、カンチレバー部５２上に設けられた接続リード５２３を介して電気的に直列接続されている。なお、カンチレバー部５２全体にピエゾ抵抗層を形成してもよく、この場合には接続リード５２３は不要となる。

電極５３，５４は、ベース部５１上に設けられている。第１の電極５３は、第１のリード５３１を介して第１のピエゾ抵抗層５２１に電気的に接続されている。第２の電極５４も、第２のリード５４１を介して第２のピエゾ抵抗層５２２に電気的に接続されている。

なお、カンチレバー部５２に代えて、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ベース部５１の開口５１１に突出するように両持梁５２Ｂをベース部５１に両持ち支持させてもよい。本例における両持梁５２Ｂが、本発明における本発明における梁部の一例に相当する。

以上に説明した差圧検出素子５０は、図１に示すように、仕切り壁３０においてポート２３，２４に対向する上面３０ａとは反対側の下面３０ｂに実装されており、差圧検出素子５０は第２の分流路２５３内に収容されている。この差圧検出素子５０は、カンチレバー部５２の突出方向が流体の流通方向に対して実質的に直交し、且つ、ベース部５１の開口５１１の軸方向が流体の流通方向に対して実質的に平行になるように、仕切り壁３０に設けられている。

主流路９０を流体が流れている場合、壁面との摩擦等に起因して圧力損失が生じ、下流側ほど圧力が低くなる。このため、図１に示す方向に流体が流れていると、第１のポート２３の開口２３１での圧力と比較して、第２のポート２４の開口２４１での圧力が相対的に低くなる。一方、図１に示す方向とは反対の方向に流体が流れていると、第２のポート２４の開口１４１での圧力と比較して、第１のポート２３の開口２３１での圧力が相対的に低くなる。

こうしたポート２３，２４間の圧力差によって差圧検出素子５０のカンチレバー部５２が弾性変形し、ピエゾ抵抗層５２１，５２２に歪みが生じる。具体的には、図１に示す方向に流体が流れている場合には、同図に示すように、差圧検出素子５０のカンチレバー部５２は図中下向きに撓む。これに対し、図１に示す方向とは反対の方向に流体が流れている場合には、差圧検出素子５０のカンチレバー部５２は図中上向きに撓む。カンチレバー部５２が弾性変形すると、当該カンチレバー部５２のピエゾ抵抗層５２１，５２２に歪みが生じ、ピエゾ抵抗層５２１，５２２の電気抵抗が変化する。

流量演算装置６０は、特に図示しない配線等を介して、差圧検出素子５０の電極５３，５４に電気的に接続されており、上記の差圧に対応したピエゾ抵抗層５２１，５２２の抵抗値の変化を検出する。

一例として、図１に示すような主流路９０に単純な円筒管を使用し、かつ、管内流体のレイノルズ数が２０００以下の層流である場合における流量と圧力差の関係を（３）式に示す。このような仕様の流量センサにおいて、流量演算装置６０は、下記の（３）式に示すハーゲン・ポアズイユの法則を利用して、主流路９０内の差圧に基づいて流体の流量を演算する。この流量演算装置６０は、例えば、コンピュータ、デジタル回路、或いは、アナログ回路等で構成することができる。

但し、上記の（３）式において、Ｑは単位時間当たりに流れる流体の流量であり、ａは主流路９０の半径であり、μは流体の粘性率であり、ｌは第１のポート２３の開口２３１と第２のポート２４の開口２４１との間の距離Ｌ_１であり、δ_ｐは流量センサ１０によって検出された圧力差である。

なお、主流路９０に、圧力差を積極的に発生させるためのオリフィス構造のような絞り機構を設けたり、整流ガイドを設けたりしてもよい。

なお、図４に示すように、流量演算装置６０に代えて、流量センサ１０内に電子部品３３を設けてもよい。図４は本実施形態における流量センサの変形例を示す断面図である。

この電子部品３３は、上記の（３）式を利用して差圧検出素子５０の出力から流体の流量を演算して、その演算結果を外部に出力する流量演算回路を有している。

この電子部品３３は、仕切り壁３０の下面３０ｂにおいて差圧検出素子５０の近傍に配置されている。この場合には、仕切り壁３０をプリント配線基板で構成し、特に図示しないワイヤボンディングや配線パターン等を介して、電子部品３３と差圧検出素子５０の電極５３，５４とを電気的に接続してもよい。

また、上述のカンチレバー部５２のピエゾ抵抗層５２１，５２２は、流体の温度によって抵抗値が変化するため、電子部品３３が、流体の温度に応じて差圧検出素子５０の出力を校正する温度補償回路を有してもよい。この温度補償回路は流体の温度を高精度に検出する必要があるので、電子部品３３が第２の分流路２５３内であって一対の貫通孔３１，３２の間に配置されていることが好ましい。

上述の構成に代えて、電子部品３３が、差圧検出素子５０の出力から差圧を計測し、当該計測結果をデジタル信号やアナログ信号として流量演算装置６０に出力してもよい。或いは、電子部品３３が、流体の温度に応じて計測結果を校正した後に、当該計測結果を流量演算装置６０に出力してもよい。

以上のように、本実施形態では、主流路９０に直接連通した第１の分流路２２５からさらに分岐する第２の分流路２５２を設け、この第２の分流路２５２内に差圧検出素子５０を配置することで、流体に混入したダストが差圧検出素子５０に付着するのを抑制することができる。

また、カンチレバー部５２の弾性変形を利用した差圧検出素子５０では、当該差圧検出素子５０に加わる圧力が大きくなると、圧力とピエゾ抵抗層の抵抗値との間の線形性が失われてしまうという問題がある。これに対し、本実施形態では、第１の分流路２２５からさらに分岐する第２の分流路２５２内に差圧検出素子５０を設けているので、差圧検出素子５０に加わる流体の圧力を弱めることができ、流量を正確に検出可能な領域を拡大させることができる。

<<第２実施形態>>
図５は本発明の第２実施形態における流量センサを示す断面図である。

本実施形態では、図５に示すように、第１の分流路２２５と第２の分流路２５３との間に中間分流路２７４が介在している点で第１実施形態と相違する。以下に、第２実施形態における流路センサ１０Ｂについて第１実施形態との相違点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態における流量センサ１０Ｂの筐体２０Ｂは、２つの箱状部２１，２５と第１の仕切り壁３０に加えて、筒状部２７と第２の仕切り壁４０を備えている。

筒状部２７は、第１の箱状部２１の第３の開口２２３に対応する上側開口２７１と、第２の箱状部２５の開口２５１に対応する下側開口２７３と、を有している。そして、この筒状部２７は、開口２２３，２７１の間に第２の仕切り壁４０を介在させて第１の箱状部２１に連結されていると共に、開口２５１，２７２の間に第１の仕切り壁３０を介在させて第２の箱状部２５に連結されている。

第２の仕切り壁４０には、２つの貫通孔４１，４２が形成されている。この２つの貫通孔４１は、下記の（４）式に示すように第２の仕切り壁４０に設けられている。なお、本実施形態における２つの貫通孔４１，４２が、本発明における中間連通口の一例に相当する。

Ｌ_１＞Ｌ_３＞Ｌ_２ … （４）

但し、上記の（４）式において、Ｌ_１は第１の筐体２１における２つのポート２３，２４の間の距離であり、Ｌ_２は第１の仕切り壁３０における２つの貫通孔３１，３２の間の距離であり、Ｌ_３は第２の仕切り壁４０における２つの貫通孔４１，４２の間の距離である。

従って、第２の仕切り壁４０を介して第１の箱状部２１と筒状部２７を連結すると共に、第１の仕切り壁３０を介して筒状部２７と第２の箱状部２５を連結すると、以下の３つの分流路２２５，２５３，２７４が形成される。

また、二つ目の分流路は、第１の分流路２２５から分岐して、第３の貫通孔４１→筒状部２７の内部空間２７３→第４の貫通孔４２を経て、第１の分流路２２５に戻る中間分流路２７４である。

さらに、三つ目の分流路は、中間分流路２７４から分岐して、第１の貫通孔３１→第２の箱状部２５の内部空間２５２→第２の貫通孔３２を経て、中間分流路２７４に戻る第２の分流路２５３である。

以上のように、本実施形態では、第１の流量２２５と第２の分流路２５３の間に中間分流路２７４を設け、第２の分流路２５３内に差圧検出素子５０を配置しているので、差圧検出素子５０へのダストの付着を一層抑制することができる。

また、本実施形態では、中間分流路２７４からさらに分岐する第２の分流路２５２内に差圧検出素子５０を設けているので、差圧検出素子５０に加わる流体の圧力を一層弱めることができる。

なお、中間分流路２７４の数は特に限定されず、複数の中間分流路２７４を第１の流量２２５と第２の分流路２５３の間に設けてもよい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…流量検出システム
１０，１０Ｂ…流量センサ
２０，２０Ｂ…筐体
２１…第１の箱状部
２２５…第１の分流路
２３…第１のポート
２４…第２のポート
２５…第２の箱状部
２５３…第２の分流路
２７…筒状部
２７４…中間分流路
３０…仕切り壁
３１…第１の貫通孔
３２…第２の貫通孔
４０…第２の仕切り壁
４１…第３の貫通孔
４２…第４の貫通孔
５０…差圧検出素子
５１…ベース部
５１１…開口
５２…カンチレバー部
５２１，５２２…ピエゾ抵抗層
６０…流量演算装置
９０…主流路

Claims

主流路を流れる流体の流量を検出するために用いられる流量センサであって、
一対の第１の連通口を介して前記主流路に連通可能な第１の分流路と、
一対の第２の連通口を介して前記第１の分流路から分岐する第２の分流路と、
前記第２の連通口が形成されていると共に、前記第１の分流路と前記第２の分流路の間を仕切る仕切り壁と、
前記流体の流れに応じて変形可能であると共にピエゾ抵抗層を持つ梁部を有する差圧検出素子と、
前記差圧検出素子に電気的に接続された電子部品と、を備えており、
前記差圧検出素子は、前記第２の分流路内に設けられており、
前記仕切り壁は、前記差圧検出素子と前記電子部品が実装された配線基板であることを特徴とする流量センサ。
請求項１に記載の流量センサであって、
下記の（１）式を満たすことを特徴とする流量センサ。
Ｌ_１＞Ｌ_２ … （１）
但し、上記の（１）式において、Ｌ_１は一対の前記第１の連通口の間の距離であり、Ｌ_２は一対の前記第２の連通口の間の距離である。
主流路を流れる流体の流量を検出するために用いられる流量センサであって、
一対の第１の連通口を介して前記主流路に連通可能な第１の分流路と、
中間連通口を介して前記第１の分流路から分岐する少なくとも一つの中間分流路と、
一対の第２の連通口を介して前記中間分流路から分岐する第２の分流路と、
前記第２の連通口が形成されていると共に、前記中間分流路と前記第２の分流路の間を仕切る仕切り壁と、
前記流体の流れに応じて変形可能であると共にピエゾ抵抗層を持つ梁部を有する差圧検出素子と、
前記差圧検出素子に電気的に接続された電子部品と、を備えており、
前記差圧検出素子は、前記第２の分流路内に設けられ、
前記仕切り壁は、前記差圧検出素子と前記電子部品が実装された配線基板であることを特徴とする流量センサ。
請求項１〜３の何れかに記載の流量センサであって、
前記差圧検出素子は、開口を有すると共に前記梁部を支持するベース部を備え、
前記梁部は、前記開口に突出するように前記ベース部に片持ち支持されていることを特徴とする流量センサ。
請求項１〜４の何れかに記載の流量センサであって、
前記流量センサは、前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算手段をさらに備えたことを特徴とする流量センサ。
請求項１〜４の何れかに記載の流量センサと、
前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えたことを特徴とする流量検出システム。