JP7052958B2 - 流体センシング装置及び流体センサの故障検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体センシング装置及び流体センサの故障検出方法に関する。

従来、空気等の流体の流れ（流量、流速、方向など）を検出する流体センサを有する流体センシング装置が知られている。このような流体センサとして、熱式の流体センサが知られている。この熱式の流体センサには、サーミスタ方式の流体センサや、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）方式の流体センサがある。

サーミスタ方式の流体センサは、流路中に加熱したサーミスタを配置することにより構成されている。サーミスタは、流路に流れる流体に熱が奪われることで抵抗値が上昇する。この抵抗値の上昇率は流体の流れに依存して変化するので、サーミスタの抵抗値を計測することにより流体の流れを検出することができる。

ＭＥＭＳ方式の流体センサは、センサチップに形成されたメンブレン（薄膜構造体）にヒータを設け、このヒータの上流側及び下流側に温度検出体（抵抗体）を配置することにより構成されている。検出対象である流体がメンブレン上を流れることにより、ヒータの上流側と下流側とで流体の流れに応じた温度差が生じる。この温度差を、上流側及び下流側に配置された２つの温度検出体で検出することにより、流体の流れを検出することができる。

流体センサの故障検出に関する技術が提案されている。

例えば、流路に流体が正常に流れているか否かを検出するために、自己発熱サーミスタを用い、自己発熱サーミスタを温度上昇させた場合における立ち上がり時の傾きに基づいて、流路の状態を判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、メンブレンに配置された温度検出体と、メンブレン外に配置された基準抵抗とでブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の出力を検出することで、メンブレンの故障を検出する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特表２０１６－５１０８７９号公報 特開２００４－２５７８７０号公報

従来の熱式の流体センサでは、異物が付着することによりセンサ出力が変動することがある。しかし、センサ出力に変動が生じたとしても、この変動が異物の付着に起因するものであるか、もしくは、実際の流体の流れの変化に起因するものであるかを判定することは難しい。

特許文献１に記載の技術は、流路の状態を判定するものであるため、そもそも異物の付着による故障については考慮されていない。特許文献２に記載の技術は、メンブレンが割れることによる断線を検出するものであり、異物の付着による故障については考慮されていない。

熱式の流体センサは、安価であるが、検出対象の流体に直接接して用いられることから、異物の付着による誤検出を含む故障が懸念されている。このため、検出対象は、異物の付着による故障の懸念が少ない清浄な空気や不活性ガスなどに限られていた。

本発明は、異物の付着による故障を検出可能とする熱式の流体センシング装置及び流体センサの故障検出方法を提供することを目的とする。

開示の技術は、加熱により生じる検出面上の温度分布を検知して流体の流れに応じた信号値を出力する流体センサと、前記加熱を停止した後の前記信号値の立ち下がり時間を計測する立ち下がり時間計測部と、前記立ち下がり時間に基づいて故障判定を行う故障判定部と、を有する流体センシング装置である。

本発明によれば、異物の付着による故障を検出可能とする熱式の流体センシング装置及び流体センサの故障検出方法が実現される。

第１実施形態に係る流体センシング装置の概略構成を例示する図である。 マイコンが有する機能を示す機能ブロック図である。 流体センサの構造を例示する図である。 ブリッジ回路の構成を例示する回路図である。 故障検出動作を説明するフローチャートである。 故障検出動作時における第１センサ出力信号の変化を例示するグラフである。 センサ出力信号の流速の変動による影響を例示するグラフである。 図５に示すフローチャートの変形例を示す図である。 １つのＸ軸温度検出体を、破線で示す第１実施形態の位置からずらした例を示す図である。 故障検出用の温度検出体の配置例を示す図である。 故障検出用の温度検出体の配置を非対称とした例を示す図である。 ヒータの故障検出を可能とした流体センシング装置の概略構成を例示する図である。 図１２に示す流体センシング装置の変形例を示す図である。 ヒータを定電圧駆動する場合の電圧印可方式を例示する図である。 ヒータを定電圧駆動する場合のその他の電圧印可方式を例示する図である。 検出抵抗に生じる電位差に基づいてヒータの故障検出を行う例を示す図である。 第２実施形態に係る流体センシング装置の構成を示す図である。 スイッチをそれぞれオンとした場合における等価回路を示す図である。 故障判定動作時にマイコンが実行する処理を示すフローチャートである。 故障判定動作時のヒータ及びＡＤＣの動作タイミングを示すタイミング図である。 流体センサが正常である場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサが正常である場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサが正常である場合における立ち下がり時間の算出値を例示する図である。 流体センサに異物として土が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサに異物として土が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサに異物として土が付着した場合における立ち下がり時間の算出値を例示する図である。 流体センサに異物として水が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサに異物として水が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。 流体センサに異物として水が付着した場合における立ち下がり時間の算出値を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

本開示において、故障とは、断線等により流体センサが動作不能となる場合だけでなく、異物の付着等によりセンサ出力が変動して流体の流れを誤検出する場合を含む。

＜第１実施形態＞
［流体センシング装置の概略構成］
図１は、第１実施形態に係る流体センシング装置の概略構成を例示する図である。

図１において、流体センシング装置１００は、流体センサ１１０と、マイクロプロセッサ（以下、マイコンという）１２０と、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路１３０とを有する。流体センサ１１０は、ヒータ１１１と、温度差検出部１１２とを含むセンサチップである。ヒータ１１１は、発熱により、後述するメンブレン２０ｔ上の流体（空気やガス等）を加熱して温度分布を生じさせる加熱部である。温度差検出部１１２は、少なくとも１方向について、ヒータ１１１の上流側と下流側との間に生じる温度差を検出し、温度差に応じた信号値を出力する。

マイコン１２０は、ＡＦＥ回路１３０を介した流体センサ１１０の駆動制御や、流体センサ１１０からの出力信号に基づく演算処理を行う演算制御装置である。なお、マイコンに代えて、デジタル信号処理（ＤＳＰ）回路を用いてもよい。

ＡＦＥ回路１３０は、マイコン１２０からの制御に基づいて、ヒータ１１１を駆動する。本実施形態では、ＡＦＥ回路１３０は、ヒータ１１１を構成する発熱抵抗体４０（図２参照）に一定電流を流す定電流駆動によりヒータ１１１を駆動する。

また、ＡＦＥ回路１３０には、温度差検出部１１２から入力されるアナログの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）１３１が設けられている。

流体センシング装置１００は、例えば、空調機器の流れ制御や、自動車のエンジン内の空気の流れ制御等に用いられる。

図２は、マイコン１２０が有する機能を示す機能ブロック図である。

マイコン１２０には、流れ算出部１２１、ヒータ制御部１２２、計時部１２３、立ち下がり時間計測部１２４、及び故障判定部１２５が構成されている。マイコン１２０は、例えば、図示しないメモリに記憶されたプログラムを読み込み、読み込んだプログラムに基づいた処理を行うことにより、各機能部を実現する。

詳しくは後述するが、流れ算出部１２１は、温度差検出部１１２の出力信号に基づいて流体の流れ（流量、流速、方向など）を算出する。ヒータ制御部１２２は、ヒータ１１１のオン／オフ等の制御を行う。計時部１２３は、指定された時点からの経過時間を計測するタイマー機能である。立ち下がり時間計測部１２４は、ヒータ１１１をオフ（加熱を停止）とした後における温度差検出部１１２の出力信号の立ち下がり時間を計測する。故障判定部１２５は、立ち下がり時間計測部１２４により計測された立ち下がり時間に基づいて、流体センサ１１０の故障判定を行う。

［流体センサの構造］
次に、流体センサ１１０の構造について説明する。図３は流体センサ１１０の構造を例示する図であり、図３（ａ）は平面透視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

流体センサ１１０は、半導体基板１０と、積層構造部２０と、Ｘ軸温度検出体３０，３１と、Ｙ軸温度検出体３２，３３と、発熱抵抗体４０と、測温抵抗体５０と、配線６０～６９と、ボンディングパッド（以下、パッドという）８０～８９とを有する。

半導体基板１０は、開口部１０ｘを有する枠状のシリコン基板である。積層構造部２０は、複数の絶縁膜が積層されたものであり、開口部１０ｘを塞ぐように半導体基板１０上に設けられている。積層構造部２０の平面形状は、例えば、正方形である。積層構造部２０において、開口部１０ｘ上の領域を、メンブレン（薄膜構造部）２０ｔと称する。積層構造部２０の厚みは、０．５～５μｍ程度である。

メンブレン２０ｔの平面形状は、例えば、正方形である。メンブレン２０ｔは、半導体基板１０と接していないため、熱容量が小さく、温度が上昇し易い。メンブレン２０ｔの上面が、検出対象である流体の流れを検出するための検出面である。

なお、図３では、積層構造部２０の直交する２つの辺に平行な軸をＸ軸及びＹ軸としＸ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸としている。

積層構造部２０には、Ｘ軸温度検出体３０，３１と、Ｙ軸温度検出体３２，３３とが設けられている。また、積層構造部２０の上部には、配線６０～６９とパッド８０～８９が設けられている。発熱抵抗体４０、Ｘ軸温度検出体３０，３１、Ｙ軸温度検出体３２，３３、及び測温抵抗体５０は、それぞれ垂直配線を介して所定の配線に接続されている。

Ｘ軸温度検出体３０，３１は、メンブレン２０ｔの中心を通るＸ軸方向の線上に形成されている。Ｙ軸温度検出体３２，３３は、メンブレン２０ｔの中心を通るＹ軸方向の線上に形成されている。Ｘ軸温度検出体３０，３１は、Ｘ軸方向に関する温度差を抵抗値の差として検出する。Ｙ軸温度検出体３２，３３は、Ｙ軸方向に関する温度差を抵抗値の差として検出する。各温度検出体３０～３３は、酸化バナジウム等により形成された抵抗体であり、温度差検出部１１２に含まれる。

Ｘ軸温度検出体３０は、配線６２を介してパッド８３に接続され、配線６３を介してパッド８２に接続されている。Ｘ軸温度検出体３１は、配線６４を介してパッド８４に接続され、配線６５を介してパッド８５に接続されている。

パッド８２とパッド８４は、外部で接続される。また、パッド８３とパッド８５は、それぞれ外部でＧＮＤと電源に接続される。これにより、Ｘ軸温度検出体３０，３１がＧＮＤと電源との間に直列に接続され、パッド８２，８４の接続部から中間電位が得られる。

Ｙ軸温度検出体３２は、配線６７を介してパッド８７に接続され、配線６６を介してパッド８６に接続されている。また、パッド８６は、配線６９を介してＹ軸温度検出体３３に接続され、Ｙ軸温度検出体３３は配線６８を介してパッド８８に接続されている。

パッド８７とパッド８８は、それぞれ外部でＧＮＤと電源に接続される。これにより、Ｙ軸温度検出体３２，３３がＧＮＤと電源との間に直列に接続され、パッド８６から中間電位が得られる。

発熱抵抗体４０は、配線６０を介してパッド８０に接続され、配線６１を介してパッド８１に接続されている。パッド８０とパッド８１との間に電圧を印加すると、発熱抵抗体４０に電流が流れて発熱する。発熱抵抗体４０は、白金（Ｐｔ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、ポリシリコン（ｐ－Ｓｉ）等から形成される。

測温抵抗体５０は、パッド８０とパッド８９との間に接続されている。測温抵抗体５０は、白金（Ｐｔ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、ポリシリコン（ｐ－Ｓｉ）等から形成される。

Ｘ軸温度検出体３０，３１及びＹ軸温度検出体３２，３３は、発熱抵抗体４０に対して点対称に配置されている。具体的には、発熱抵抗体４０は、メンブレン２０ｔの中心に配置されている。本実施形態では、各温度検出体３０～３３は、発熱抵抗体４０からの距離が等しい位置に配置されている。

このように、流体センサ１１０は、加熱により生じる検出面上の温度分布を検知して流体の流れに応じた信号値（上記構成では中間電位）を出力するセンサ素子である。

［回路構成］
次に、温度検出体を含んで構成されるブリッジ回路について説明する。図４は、ブリッジ回路の構成を例示する回路図である。

図４において、第１ブリッジ回路９０は、Ｘ軸温度検出体３０，３１と、基準抵抗９１，９２と、センサアンプ９３とを有する。第２ブリッジ回路９５は、Ｙ軸温度検出体３２，３３と、基準抵抗９６，９７と、センサアンプ９８とを有する。

Ｘ軸温度検出体３０，３１は、ＧＮＤと電源との間に直列に接続されており、パッド８２とパッド８４との接続部から第１中間電位Ｘ１が得られる。基準抵抗９１，９２は、流体センサ１１０の外部に設けられおり、検出対象である流体の影響を受けにくい構成である。基準抵抗９１，９２は、上記各温度検出体３０～３３と同様、酸化バナジウム等で形成された抵抗体である。基準抵抗９１，９２は、ＧＮＤと電源との間に直列に接続されており、両者の接続部から第１基準電位Ｘ０が得られる。

センサアンプ９３は、正入力端子がＸ軸温度検出体３０，３１の接続部に接続されており、負入力端子が基準抵抗９１，９２の接続部に接続されている。すなわち、センサアンプ９３には、第１中間電位Ｘ１と第１基準電位Ｘ０とが入力され、両者の差分値（Ｘ１－Ｘ０）を増幅した増幅信号である第１センサ出力信号Ｖｘを出力する。第１センサ出力信号Ｖｘは、Ｘ軸温度検出体３０，３１の抵抗値の差に対応した信号である。

Ｙ軸温度検出体３２，３３は、ＧＮＤと電源との間に直列に接続されており、両者の接続部であるパッド８６から第２中間電位Ｙ１が得られる。基準抵抗９６，９７は、流体センサ１１０の外部に設けられおり、流体の影響を受けにくい構成である。基準抵抗９６，９７は、上記各温度検出体３０～３３と同様、酸化バナジウム等で形成された抵抗体である。基準抵抗９６，９７は、ＧＮＤと電源との間に直列に接続されており、両者の接続部から第２基準電位Ｙ０が得られる。

センサアンプ９８は、正入力端子がパッド８６に接続されており、負入力端子が基準抵抗９６，９７の接続部に接続されている。すなわち、センサアンプ９８には、第２中間電位Ｙ１と第２基準電位Ｙ０とが入力され、両者の差分値（Ｙ１－Ｙ０）を増幅した増幅信号である第２センサ出力信号Ｖｙを出力する。第２センサ出力信号Ｖｙは、Ｙ軸温度検出体３２，３３の差に対応した信号である。

上述のＡＤＣ１３１は、第１ＡＤＣ１３１ｘと第２ＡＤＣ１３１ｙとを有する。第１ＡＤＣ１３１ｘには第１センサ出力信号Ｖｘが入力される。第２ＡＤＣ１３１ｙには第２センサ出力信号Ｖｙが入力される。第１ＡＤＣ１３１ｘは、第１センサ出力信号Ｖｘをデジタル信号に変換して出力する。第２ＡＤＣ１３１ｙは、第２センサ出力信号Ｖｙをデジタル信号に変換して出力する。

ヒータ１１１をオンとした状態において、Ｘ軸方向への流体の流れがない場合には、第１センサ出力信号Ｖｘの信号値は、理想的にはゼロとなる。Ｘ軸方向へ流体が流れている場合には、第１センサ出力信号Ｖｘは、Ｘ軸方向への流体の流れに応じた値となる。

同様に、ヒータ１１１をオンとした状態において、Ｙ軸方向への流体の流れがない場合には、第２センサ出力信号Ｖｙの信号値は理想的にはゼロとなる。Ｙ軸方向へ流体が流れている場合には、第２センサ出力信号Ｖｙは、Ｙ軸方向への流体の流れに応じた値となる。

なお、温度検出体や基準抵抗の抵抗値は、温度や経年劣化でドリフトが生じるので、通常、第１センサ出力信号Ｖｘ及び第２センサ出力信号Ｖｙは、ヒータ１１１がオフで、かつ流体の流れがなくてもゼロにはならず、オフセットが生じる。

以上のように第１及び第２ブリッジ回路９０，９５は、上述の中間電位と基準電位との差を出力する回路であるが、必ずしも設ける必要はなく、中間電位をセンサ出力信号として扱うことも可能である。

［流体検出動作］
次に、流体センシング装置１００の流体検出動作について説明する。流体検出動作は、マイコン１２０の制御に基づいて行われる。流体検出動作を開始するにあたって、まず、マイコン１２０は、ＡＦＥ回路１３０を介してヒータ１１１を定電流駆動し、発熱抵抗体４０に一定電流を流すことにより、発熱抵抗体４０を発熱させる。これにより、メンブレン２０ｔの温度が上昇し、検出面上に存在する流体が加熱されて、温度分布が形成される。

そして、マイコン１２０は、ＡＤＣ１３１を動作させ、上述の温度差検出部１１２から、デジタル化された第１センサ出力信号Ｖｘ及び第２センサ出力信号Ｖｙを取得する。流れ算出部１２１は、第１センサ出力信号Ｖｘに基づいて、検出面上におけるＸ軸方向への流れ（例えば流速）を算出する。また、流れ算出部１２１は、第２センサ出力信号Ｖｙに基づいて、検出面上におけるＹ軸方向への流れ（例えば流速）を算出する。

検出面上の流体が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれの方向にも流れていない場合には、温度分布は、メンブレン２０ｔの中心を基準としてほぼ均等である。この場合、Ｘ軸温度検出体３０の抵抗値とＸ軸温度検出体３１の抵抗値とがほぼ等しいので、第１中間電位Ｘ１は、ＧＮＤと電源の中間の電位（第１基準電位Ｘ０）とほぼ等しくなる。同様に、この場合、Ｙ軸温度検出体３２の抵抗値とＹ軸温度検出体３３の抵抗値とがほぼ等しいので、第２中間電位Ｙ１は、ＧＮＤと電源の中間の電位（第２基準電位Ｙ０）とほぼ等しくなる。したがって、検出面上の流体が流れていない場合には、Ｖｘ≒０、Ｖｙ≒０となる。

一方、検出面上の流体が流れている場合には、検出面上の温度分布に、流体の流れに応じた偏りが生じる。Ｘ軸方向に流体が流れている場合、Ｘ軸温度検出体３０とＸ軸温度検出体３１とに抵抗値の差が生じて、第１中間電位Ｘ１が変化する。このとき、第１基準電位Ｘ０は変化しないので、第１センサ出力信号Ｖｘが変化する。同様に、Ｙ軸方向に流体が流れている場合、Ｙ軸温度検出体３２とＹ軸温度検出体３３とに抵抗値の差が生じて、第２中間電位Ｙ１が変化する。このとき、第２基準電位Ｙ０は変化しないので、第２センサ出力信号Ｖｙが変化する。

なお、流れ算出部１２１は、第１センサ出力信号Ｖｘ及び第２センサ出力信号Ｖｙのそれぞれの大きさや正負の関係に基づき、流体が流れる方向（流向）、流量、流速などを算出してもよい。流れ算出部１２１は、第１センサ出力信号Ｖｘ及び第２センサ出力信号Ｖｙと、流向、流量、流速などとの関係をテーブルとして予め記憶しておき、このテーブルを各値の算出時に用いてもよい。

［故障検出動作］
次に、流体センシング装置１００の故障検出動作について説明する。故障検出動作は、マイコン１２０の制御に基づいて行われる。この故障検出動作では、主として、流体センサ１１０のメンブレン２０ｔ上への異物の付着による故障を検出する。具体的には、メンブレン２０ｔ上への異物の付着により熱容量が変化し、センサ出力信号（第１センサ出力信号Ｖｘ及び／又は第２センサ出力信号Ｖｙ）の時定数が変化することに基づいて故障を検出する。なお、故障検出動作では、マイコン１２０は、センサ出力信号の信号値を正の値として取り扱う。

図５は、故障検出動作を説明するフローチャートである。図６は、故障検出動作時における第１センサ出力信号Ｖｘの変化を例示するグラフである。本実施形態では、第１センサ出力信号Ｖｘに基づいて故障検出を行う。

以下、図５及び図６を参照しながら故障検出動作時のマイコン１２０の処理を説明する。

マイコン１２０は、外部から故障検出動作の開始コマンドを受信する（ステップＳ１）。この開始コマンドは、ユーザに操作される図示しない操作部から送信される。マイコン１２０は、開始コマンドを受信すると、ヒータ制御部１２２によりヒータ１１１をオンとし、発熱抵抗体４０の加熱を開始させる（ステップＳ２）。これにより、第１センサ出力信号Ｖｘが立ち上がり始める。

なお、上述のオフセット及び流体の流れがない理想状態では、ヒータ１１１により生じる温度分布が均等となるので、第１センサ出力信号Ｖｘは立ち上がらない。しかし、通常、オフセットや流体の流れが完全になくなることはないため、ヒータ１１１をオンとするとともに第１センサ出力信号Ｖｘが立ち上がる。

この後、マイコン１２０は、発熱抵抗体４０を所定時間加熱させる（ステップＳ３）。この所定時間は、発熱抵抗体４０の温度が上昇して飽和するのに十分な時間である。マイコン１２０は、所定時間が経過した後、ヒータ制御部１２２によりヒータ１１１をオフとし、発熱抵抗体４０の加熱を停止させる（ステップＳ４）。これにより、第１センサ出力信号Ｖｘが立ち下がり始める。

マイコン１２０は、ヒータ１１１をオフとするとともに、計時部１２３により計時を開始する（ステップＳ５）。立ち下がり時間計測部１２４は、計時中に、流体センサ１１０からＡＦＥ回路１３０を介して第１センサ出力信号Ｖｘを取得する（ステップＳ６）。この第１センサ出力信号Ｖｘの取得は、ステップＳ６～Ｓ８が繰り返されることにより、一定時間ごとに行われ、第１センサ出力信号Ｖｘの信号値は図示しないメモリに記憶される。

立ち下がり時間計測部１２４は、第１センサ出力信号Ｖｘを取得すると、立ち下がり時間計測部１２４により、今回取得した信号値と前回取得した信号値との差分値を算出する（ステップＳ７）。具体的には、立ち下がり時間計測部１２４は、今回の信号値から前回の信号値を減算した値である差分値ΔＶｘを算出する。

立ち下がり時間計測部１２４は、差分値ΔＶｘを算出すると、差分値ΔＶｘが閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。第１差分値ΔＶｘが閾値以下でない場合には（ステップＳ８；Ｎｏ）、処理がステップＳ６に戻り、立ち下がり時間計測部１２４は、再度、第１センサ出力信号Ｖｘを取得する。

一方、立ち下がり時間計測部１２４は、第１差分値ΔＶｘが閾値以下となった場合には（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、計時部１２３による計時を終了させる。なお、この閾値は、第１センサ出力信号Ｖｘが十分に立ち下がった場合における信号値の変動幅に対応する値とすることが好ましい。

この後、立ち下がり時間計測部１２４は、計時部１２３が計時を開始してから計時が終了するまでの時間を算出し、算出値を立ち下がり時間Ｔｆとする（ステップＳ１０）。

そして、故障判定部１２５は、立ち下がり時間計測部１２４により算出された立ち下がり時間Ｔｆを基準時間Ｔｒｅｆと比較する（ステップＳ１１）。故障判定部１２５は、立ち下がり時間Ｔｆが基準時間Ｔｒｅｆ以下である場合には（ステップＳ１１；Ｎｏ）、流体センサ１１０が正常であると判定する（ステップＳ１２）。一方、故障判定部１２５は、立ち下がり時間Ｔｆが基準時間Ｔｒｅｆより大きい場合には（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、流体センサ１１０が故障していると判定する（ステップＳ１３）。なお、図６において、Ｔｆ（ｗ／ｏ）は正常時の立ち下がり時間を表し、Ｔｆ（ｗ）は異常時の立ち下がり時間を表している。

基準時間Ｔｒｅｆは、実験等により、正常時の立ち下がり時間Ｔｆと故障時の立ち下がり時間Ｔｆとを判別可能な値に、予め設定されている。

本故障検出動作では、第１センサ出力信号Ｖｘに基づいて故障判定を行っているが、第２センサ出力信号Ｖｙに基づいて故障判定を行ってもよい。さらに、第１センサ出力信号Ｖｘと第２センサ出力信号Ｖｙとの両方に基づいて故障判定を行ってもよい。この場合、例えば、上記ステップＳ５以降を、第１センサ出力信号Ｖｘと第２センサ出力信号Ｖｙとのそれぞれに対して行い、少なくともいずれか一方が故障と判定された場合に、流体センサ１１０が故障していると判定すればよい。

また、ステップＳ１において、マイコン１２０は、外部から入力される開始コマンドに応じて故障検出動作を開始しているが、タイマーなどに基づいてマイコン１２０が自動的に故障検出動作を開始してもよい。

［効果］
センサ出力信号の時定数τは、概略的に下式（１）で表される。

τ＝Ｃ／Ｇ ・・・（１）
ここで、Ｃはメンブレン２０ｔの熱容量（Ｊ／Ｋ）であり、Ｇは熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ）である。

上式（１）により、メンブレン２０ｔに異物が付着した場合には、異物により熱容量Ｃが増加して時定数τが大きくなることにより、立ち下がり時間Ｔｆが長くなることがわかる。

例えば、メンブレン２０ｔの平面形状を一辺が６００μｍの正方形、メンブレン２０ｔの厚みを１μｍ、密度を２２００ｋｇ／ｍ^３、比熱を７４５Ｊ／ｋｇ・Ｋとした場合、異物が付着していない場合の熱容量Ｃは、５．９×１０^－７Ｊ／Ｋと算出される。この場合の時定数τは、約３０ｍｓである。

メンブレン２０ｔに付着する異物は、例えば砂粒である。例えば、この砂粒の重量を１μｇとした場合、この砂粒を含めたメンブレン２０ｔの熱容量Ｃは、１．３×１０^－６Ｊ／Ｋと算出される。この場合の時定数τは、約６８ｍｓである。

このように、重量が１μｇと小さな異物が付着した場合でも時定数τが２倍以上の値となり、立ち下がり時間Ｔｆが大きく変化することがわかる。

したがって、本実施形態の流体センシング装置１００によれば、基準時間Ｔｒｅｆを適切に設定することにより、従来検出することができなかった異物の付着による故障の検出が可能となる。

なお、上記時定数τの変化によりセンサ出力信号の立ち上がり時間も変化するため、原理的には、立ち上がり時間に基づいて故障検出を行うことも可能である。しかし、ヒータ１１１がオンとされた後の立ち上がり期間は、加熱により温度分布が形成される期間であるので、流速に変動がある場合に、流速の変動による影響を受けて、センサ出力信号が変動し易い。このため、立ち上がり時間を精度よく求めることは困難である。

図７は、センサ出力信号の流速の変動による影響を概略的に例示するグラフである。このグラフに示すように、流速が変動している状況下では、立ち上がり期間にセンサ出力信号が変動し易いので、立ち上がり時間を精度よく求めることは難しい。これに対して、立ち下がり期間では、流速の変動による影響が少なく、センサ出力信号が変動し難いので、立ち下がり時間Ｔｆを精度よく求めることができる。

したがって、上記実施形態に示すように、センサ出力信号の立ち下がり時間Ｔｆに基づいて故障判定を行うことにより、精度よく故障検出を行うことができる。

また、流速に応じてセンサ出力信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間Ｔｆが変動することが考えられる。立ち上がり時間は、流速がゼロの場合が最も短く、流速が大きくなると長くなり、一定の範囲内（例えば２０～４０ｍｓ）で変動すると考えられる。逆に、立ち下がり時間Ｔｆは、流速がゼロの場合が最も長く、流速が大きくなると短くなり、一定の範囲内で変動すると考えられる。

このため、基準時間Ｔｒｅｆは、流体センサ１１０が正常で、かつ流速がゼロの場合の立ち下がり時間Ｔｆに基づいて設定すればよい。すなわち、基準時間Ｔｒｅｆは、正常時の最大立ち下がり時間より長く、故障時の立ち下がり時間Ｔｆより短い範囲内に設定されていればよい。最大立ち下がり時間Ｔｆｍを、出荷検査時等に測定し、この測定結果を用いて基準時間Ｔｒｅｆを設定すればよい。これにより、風速の変動により立ち下がり時間Ｔｆが変化した際に、上記故障検出動作によって故障と誤判定されることが防止される。

以上のように、本実施形態の流体センシング装置１００によれば、異物の付着による故障の検出が可能であるので、検出対象は、異物の付着による故障の懸念が少ない清浄な空気や不活性ガスなどに限られない。また、流体センシング装置１００は、センサチップやマイコンといった一般的な構成で実現可能あるので低コストで製造可能であり、安価である。このため、流体センシング装置１００は、様々な用途で、様々な分野に適用可能である。例えば、ＩｏＴ（Internet of Things）と呼ばれる分野では、多数のセンサを設置することが求められるので、流体センシング装置１００はＩｏＴ分野に好適である。

このように、流体センシング装置１００は、故障検出が可能であって、かつ安価であるので、故障の発生が少ない高価なセンサよりも有用性が高いと言える。

＜第１実施形態の変形例＞
以下に、第１実施形態に係る流体センシング装置の各種変形例を示す。各変形例において、第１実施形態と同様の構成部については、同一の符号を付し、説明は省略する。

［立ち下がり時間計測部］
立ち下がり時間計測部１２４の変形例について説明する。立ち下がり時間計測部１２４による立ち下がり時間Ｔｆの計測方法は、図５に示す方法に限られず、各種変形が可能である。

第１実施形態では、立ち下がり時間計測部１２４は、今回取得した信号値と前回取得した信号値との２つの信号値の差分値に基づいて、立ち下がり時間Ｔｆを求めているが、３以上の信号値に基づいて立ち下がり時間Ｔｆを求めてもよい。例えば、今回取得した信号値と前回取得した信号値との差分値と、前回取得した信号値と前々回取得した信号値との差分値とが共に閾値以下となった場合に、計時部１２３による計時を終了させて立ち下がり時間Ｔｆを求めてもよい。

また、必要に応じて複数の信号値の平均化を行ってもよい。例えば、移動平均により信号値の変化を平滑化したうえで、立ち下がり時間Ｔｆを求めてもよい。

また、立ち下がり時間計測部１２４は、差分値によらずに、センサ出力信号の信号値が所定値まで低下したことを判定することにより、立ち下がり時間Ｔｆを求めてもよい。この所定値は、例えば、予め設定された固定値である。なお、ヒータ１１１をオンとする前にセンサ出力信号の信号値を初期値として取得しておき、この初期値を当該所定値としてもよい。すなわち、ヒータ１１１をオフとした状態におけるセンサ出力信号の信号値を当該所定値としてもよい。

さらに、センサ出力信号の低下率に基づいて立ち下がり時間Ｔｆを求めることも可能である。図８は、図５に示すフローチャートの変形例を示す図である。図８に示すフローチャートは、図５のフローチャートにおいて、ステップＳ６～Ｓ８を、ステップＳ２０～Ｓ２２で置き換えたものである。ステップＳ１～Ｓ３及びＳ１１～Ｓ１３については図示を省略している。

本変形例においては、立ち下がり時間計測部１２４は、ヒータ１１１がオフとされ（ステップＳ５）、計時部１２３により計時が開始された（ステップＳ５）直後に、第１センサ出力信号Ｖｘを取得して、取得した信号値を初期値Ｖｘ（０）として図示しないメモリに記憶する（ステップＳ２０）。なお、この初期値Ｖｘ（０）は、ヒータ１１１をオフする前に取得しておいてもよい。

立ち下がり時間計測部１２４は、計時が開始された後、第１センサ出力信号Ｖｘを取得して、取得した信号値を現在値Ｖｘ（ｔ）としてメモリに記憶する（ステップＳ２１）。立ち下がり時間計測部１２４は、メモリに記憶された初期値Ｖｘ（０）と現在値Ｖｘ（ｔ）とを用いて、下式（２）に基づいて、低下率Ｒｆを算出する（ステップＳ２２）。

Ｒｆ＝（Ｖｘ（０）－Ｖｘ（ｔ））／Ｖｘ（０） ・・・（２）
立ち下がり時間計測部１２４は、算出した低下率Ｒｆを所定値Ｒ０と比較し、低下率Ｒｆが所定値Ｒ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ２３）。ここで、所定値Ｒ０は、例えば、時定数の算出に用いられる値である「０．６３２」とする。但し、所定値Ｒ０はこの値に限られず適宜変更してよい。

立ち下がり時間計測部１２４は、低下率Ｒｆが所定値Ｒ０以下である場合には（ステップＳ２３；Ｎｏ）、処理をステップＳ２１に戻し、再び第１センサ出力信号Ｖｘを取得する。一方、低下率Ｒｆが所定値Ｒ０より大きくなった場合には（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、立ち下がり時間計測部１２４は、計時部１２３による計時を終了させる（ステップＳ９）。

この後、立ち下がり時間計測部１２４は、計時部１２３が計時を開始してから計時が終了するまでの時間を算出し、算出値を立ち下がり時間Ｔｆとする（ステップＳ１０）。以下のステップは、図５に示すフローチャートと同様である。

［温度検出体の配置］
次に、温度検出体の配置に関する変形例について説明する。第１実施形態では、Ｘ軸温度検出体３０，３１及びＹ軸温度検出体３２，３３を、それぞれメンブレン２０ｔの中心（ヒータ１１１）からの距離が等しい位置に配置しているが、少なくとも１つの温度検出体を当該位置からずらしてもよい。

図９は、１つのＸ軸温度検出体３０を、破線で示す第１実施形態の位置からずらした例を示す図である。この例では、ヒータ１１１からＸ軸温度検出体３０までの距離Ｌ１は、ヒータ１１１からＸ軸温度検出体３１までの距離Ｌ２よりも長い。したがって、流体の流れがなく、温度分布が均一である場合においても、Ｘ軸温度検出体３０，３１の間に温度差による抵抗値の差が生じる。上述の流れ算出部１２１は、この温度差を考慮してＸ方向に関する流体の流れを算出すればよい。

このように、図９に示す例では、流体の流れがなくても、ヒータ１１１をオンとすることによりＸ軸温度検出体３０，３１の間に温度差が生じ、第１センサ出力信号Ｖｘが上昇する。したがって、立ち下がり時間計測部１２４は、流体の流れがない状況下でも、第１センサ出力信号Ｖｘに基づいて、立ち下がり時間Ｔｆを確実に計測することができる。

なお、Ｘ軸温度検出体３０，３１に限られず、Ｙ軸温度検出体３２，３３をヒータ１１１からの距離が異なる位置に配置してもよい。

［故障検出用の温度検出体］
第１実施形態では、流れ検出用の温度検出体（Ｘ軸温度検出体３０，３１及びＹ軸温度検出体３２，３３）を用いて故障検出を行っているが、故障検出用の温度検出体を別途設けてもよい。

図１０は、故障検出用の温度検出体２００，２１０の配置例を示す図である。この例では、故障検出用の温度検出体２００，２１０は、メンブレン２０ｔの中心を通るＹ軸方向の線上に形成されている。温度検出体２００，２１０と、図示しない２つの基準抵抗とセンサアンプとにより、図４と同様のブリッジ回路が構成される。立ち下がり時間計測部１２４は、このブリッジ回路から出力されるセンサ出力信号に基づいて立ち下がり時間Ｔｆを算出すればよい。

また、故障検出を確実に行うために、故障検出用の温度検出体２００，２１０の一方の位置をずらし、メンブレン２０ｔの中心に対して非対称に配置することが考えられる。

図１１は、故障検出用の温度検出体２１０を、図１０に示す位置からずらし、温度検出体２００，２１０の配置を非対称とした例を示す図である。この例では、ヒータ１１１から温度検出体２１０までの距離を、ヒータ１１１から温度検出体２００までの距離よりも大きくしている。この場合、流体の流れがなくても、ヒータ１１１をオンとすることにより温度検出体２００，２１０の間に温度差が生じるので、立ち下がり時間計測部１２４は、立ち下がり時間Ｔｆを確実に計測することができる。

なお、故障検出用の温度検出体２００，２１０は、Ｙ軸方向に限られず、Ｘ軸方向に配置してもよい。また、Ｘ軸方向とＹ軸方向との両方に故障検出用の温度検出体を設けてもよい。

［ヒータの故障検出］
第１実施形態では、故障検出として、メンブレン２０ｔ上への異物の付着を検出しているが、これに加えてヒータ１１１の故障を検出することも可能である。

図１２は、ヒータ１１１の故障検出を可能とした流体センシング装置１００ａの概略構成を例示する図である。流体センシング装置１００ａでは、ＡＦＥ回路１３０がヒータ１１１を定電流駆動する際の出力電圧がモニタ電圧Ｖｍとしてマイコン１２０に入力される。マイコン１２０には、アナログのモニタ電圧Ｖｍをデジタル信号に変換するためのＡＤＣ３００が設けられている。

マイコン１２０は、出荷検査時等、正常時にヒータ１１１をオンとした場合に得られるモニタ電圧Ｖｍの信号値を保持している。マイコン１２０は、ヒータ１１１をオンとした場合に得られるモニタ電圧Ｖｍの信号値を、正常時の信号値と比較することにより、断線等のヒータ１１１の故障を検出することができる。

図１３は、図１２に示す流体センシング装置の変形例を示す図である。図１３において、流体センシング装置１００ｂでは、モニタ電圧Ｖｍをデジタル信号に変換するＡＤＣ３００がＡＦＥ回路１３０内に設けられている。本変形例では、ＡＤＣ３００によりデジタル化されたモニタ電圧Ｖｍは、ＡＦＥ回路１３０からマイコン１２０に入力される。ヒータ１１１の故障検出動作については上記と同様である。

また、第１実施形態では、ヒータ１１１の駆動方式を定電流駆動としているが、これに代えて定電圧駆動としてもよい。図１４は、ヒータ１１１を定電圧駆動する場合の電圧印可方式を例示する図である。

この例では、直列接続されたヒータ１１１としての発熱抵抗体４０と検出抵抗としての測温抵抗体５０とにおいて、発熱抵抗体４０側にＧＮＤを接続し、測温抵抗体５０側に定電圧電源を接続する。具体的には、図３（ａ）において、パッド８１をＧＮＤに接続し、パッド８９を定電圧電源に接続する。モニタ電圧Ｖｍはパッド８０から得られる。このモニタ電圧Ｖｍは、図１２または図１３に示すＡＤＣ３００でデジタル化される。ヒータ１１１の故障検出動作については上記と同様である。

図１５は、ヒータ１１１を定電圧駆動する場合のその他の電圧印可方式を例示する図である。この例では、直列接続された発熱抵抗体４０と測温抵抗体５０とにおいて、測温抵抗体５０側にＧＮＤを接続し、発熱抵抗体４０側に定電圧電源を接続する。具体的には、図３（ａ）において、パッド８９をＧＮＤに接続し、パッド８１を定電圧電源に接続する。モニタ電圧Ｖｍはパッド８０から得られる。このモニタ電圧Ｖｍは、図１２または図１３に示すＡＤＣ３００でデジタル化される。ヒータ１１１の故障検出動作については上記と同様である。

また、図１４及び図１５に示す例では、発熱抵抗体４０と測温抵抗体５０との接続部であるパッド８９に生じるモニタ電圧Ｖｍに基づいてヒータ１１１の故障検出を行っているが、測温抵抗体５０に生じる電位差に基づいてヒータ１１１の故障検出を行うことも可能である。

図１６は、検出抵抗としての測温抵抗体５０に生じる電位差に基づいてヒータ１１１の故障検出を行う例を示す図である。同図において、コンパレータ４００が設けられている。コンパレータ４００は、一方の入力端子がパッド８９に接続され、他方の入力端子がパッド８０に接続されている。

この例では、図３（ａ）に示すパッド８１はＧＮＤに接続されている。コンパレータ４００は、「０」または「１」のデジタル信号を出力する。例えば、コンパレータ４００は、ヒータ１１１が正常な場合には「０」を出力し、ヒータ１１１が故障してパッド８０の電位が変化した場合には「１」を出力する。この例では、ＡＤＣ３００を設ける必要はない。コンパレータ４００の出力信号は、マイコン１２０に直接またはＡＦＥ回路１３０を介して入力されればよい。マイコン１２０は、コンパレータ４００から「１」を表す出力信号が入力された場合に、ヒータ１１１を故障と判定する。

［その他の故障検出］
その他の故障検出として、温度差検出部１１２の故障を検出することも可能である。具体的には、ヒータ１１１がオフの場合のセンサ出力信号（第１センサ出力信号Ｖｘ及び第２センサ出力信号Ｖｙ）の信号値を、出荷検査時等の正常時に取得しておき、信号値が正常時から一定以上変化した場合に、温度差検出部１１２が故障したと判定すればよい。ヒータ１１１がオフの場合に故障判定を行うことで、流体の影響を受けることなく故障判定を行うことができる。

また、メンブレン２０ｔの割れにより生じる断線を、ヒータ１１１の故障判定、または温度差検出部１１２の故障判定の結果に基づいて検出することも可能である。

なお、第１実施形態では、温度差検出部１１２を、温度検出体と基準抵抗とを含むブリッジ回路により構成しているが、必ずしも基準抵抗を設ける必要はない。温度差検出部１１２は、ヒータ１１１の上流側と下流側との間に生じる温度差を検出し、温度差に応じた信号値を出力するものであればよい。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る流体センシング装置について説明する。本実施形態に係る流体センシング装置は、流体の流れがない状況下においてもより確実に故障検出を行うことを可能とするものである。

図１７は、第２実施形態に係る流体センシング装置１００ｃの構成を示す図である。図１７において、流体センシング装置１００ｃは、流体センサ１１０と、ＡＦＥ回路１３０を有するセンサ基板５００と、マイコン１２０とを有する。流体センサ１１０は、センサ基板５００上に実装されている。

流体センサ１１０は、第１実施形態と同様の構成である。図１７では、流体センサ１１０の構成要素のうち、Ｘ軸温度検出体３０，３１及びＹ軸温度検出体３２，３３のみを図示している。また、図１７では、図４に示した第１及び第２ブリッジ回路９０，９５を構成するための基準抵抗９１，９２，９６，９７については図示を省略している。

各温度検出体３０～３３は、酸化バナジウム等により形成された抵抗体である。温度検出体３０～３３は、それぞれほぼ同一の抵抗値を有し、抵抗値は、例えば２００ｋΩである。

ＡＦＥ回路１３０は、第１実施形態と同様の構成であり、Σ型ＡＤＣを内蔵している。

センサ基板５００には、４つの固定抵抗５０１～５０４と、４つのスイッチ５１１～５１４と、２つのオペアンプ５２１，５２２が設けられている。

固定抵抗５０１～５０４は、故障検出動作時に、センサ出力信号にオフセットを与えるために用いられる。固定抵抗５０１～５０４は、それぞれほぼ同一の抵抗値を有し、抵抗値は、例えば１ｋΩである。固定抵抗５０１～５０４は、温度検出体３０～３３に対して、抵抗値が十分に小さく、かつ温度依存性（温度変化に対する抵抗値の変動量）が小さい。

固定抵抗５０１は、第１中間電位Ｘ１を取得するためにパッド８２，８４の接続部に接続された第１出力配線５３１に、スイッチ５１１を介して接続されている。同様に、固定抵抗５０２は、第１出力配線５３１に、スイッチ５１２を介して接続されている。固定抵抗５０１は、スイッチ５１１がオンとされた場合に、第１出力配線５３１とＧＮＤ（ＡＦＥ回路１３０のＣＯＭ０端子）との間に、温度検出体３０と並列に接続される。固定抵抗５０２は、スイッチ５１２がオンとされた場合に、第１出力配線５３１と電源（ＡＦＥ回路１３０のＶＲＥＦ端子）との間に、温度検出体３１と並列に接続される。

固定抵抗５０３は、第２中間電位Ｙ１を取得するためにバッド８６に接続された第２出力配線５３２に、スイッチ５１３を介して接続されている。同様に、固定抵抗５０４は、第２出力配線５３２に、スイッチ５１４を介して接続されている。固定抵抗５０３は、スイッチ５１３がオンとされた場合に、第２出力配線５３２とＧＮＤ（ＡＦＥ回路１３０のＣＯＭ１端子）との間に、温度検出体３２と並列に接続される。固定抵抗５０４は、スイッチ５１４がオンとされた場合に、第２出力配線５３２と電源（ＡＦＥ回路１３０のＶＲＥＦ端子）との間に、温度検出体３３と並列に接続される。

スイッチ５１１～５１４のオン／オフは、ＡＦＥ回路１３０により制御される。本実施形態では、スイッチ５１１及びスイッチ５１３はＧＰＯ０端子により制御され、スイッチ５１２及びスイッチ５１４はＧＰＯ１端子により制御される。すなわち、スイッチ５１１及びスイッチ５１３は同時にオン又はオフとされる。同様に、スイッチ５１２及びスイッチ５１４は同時にオン又はオフとされる。

なお、ＡＦＥ回路１３０は、スイッチ５１１～５１４をそれぞれ独立にオン／オフ制御してもよい。スイッチ５１１及びスイッチ５１３は、互いに異なる出力配線に接続されており、互いに影響を与えないことから、本実施形態では回路の簡略化のために、同時にオン／オフする構成としている。スイッチ５１２及びスイッチ５１４についても同様の理由により同時にオン／オフする構成としている。

オペアンプ５２１は、第１出力配線５３１に接続されており、第１出力配線５３１を介して流体センサ１１０から出力される第１センサ出力信号Ｖｘをインピーダンス変換してＡＦＥ回路１３０に入力する。同様に、オペアンプ５２２は、第２出力配線５３２に接続されており、第２出力配線５３２を介して流体センサ１１０から出力される第２センサ出力信号Ｖｙをインピーダンス変換してＡＦＥ回路１３０に入力する。

ＡＦＥ回路１３０には、ＡＤＣの他に、ＡＤＣによりＡ／Ｄ変換されたセンサ出力信号のデータを一時的に格納するためのメモリ、演算処理部、シーケンサ、不揮発性メモリ、Ｉ２Ｃ等の通信インターフェース等が内蔵されている。

マイコン１２０は、ＡＦＥ回路１３０のシーケンサに故障判定用のシーケンスを書き込むことに故障判定を行う。

［故障検出方法］
次に、本実施形態における故障検出方法について説明する。図１８は、スイッチ５１１～５１４をそれぞれオンとした場合における等価回路を示す図である。図１８（Ａ）は、スイッチ５１１をオンとした場合における等価回路を示す。図１８（Ｂ）は、スイッチ５１２をオンとした場合における等価回路を示す。図１８（Ｃ）は、スイッチ５１３をオンとした場合における等価回路を示す。図１８（Ｄ）は、スイッチ５１４をオンとした場合における等価回路を示す。

図１８（Ａ）に示すように、スイッチ５１１をオンとした場合、固定抵抗５０１が温度検出体３０と並列に接続されることにより、第１出力配線５３１に生成される第１センサ出力信号を「Ｖｘｕ」と称する。

図１８（Ｂ）に示すように、スイッチ５１２をオンとした場合、固定抵抗５０２が温度検出体３１と並列に接続されることにより、第１出力配線５３１に生成される第１センサ出力信号を「Ｖｘｄ」と称する。

図１８（Ｃ）に示すように、スイッチ５１３をオンとした場合、固定抵抗５０３が温度検出体３２と並列に接続されることにより、第２出力配線５３２に生成される第２センサ出力信号を「Ｖｙｕ」と称する。

図１８（Ｄ）に示すように、スイッチ５１４をオンとした場合、固定抵抗５０４が温度検出体３３と並列に接続されることにより、第２出力配線５３２に生成される第２センサ出力信号を「Ｖｙｄ」と称する。

以下、図１８（Ａ）に示す第１センサ出力信号Ｖｘｕに基づく故障判定方法について説明する。第１センサ出力信号Ｖｘｕは、下式（１）で表される。

Ｖｘｕ＝Ｖ_ｒｅｆ［（Ｒ_ｃＲ_ｘｄ）／（（Ｒ_ｘｕＲ_ｘｄ）＋Ｒ_ｃ（Ｒ_ｘｕ＋Ｒ_ｘｄ））］ ・・・（１）

ここで、Ｖ_ｒｅｆは、ＶＲＥＦ端子から供給する電源電圧（基準電圧）である。Ｒ_ｘｄは、温度検出体３０の抵抗値である。Ｒ_ｘｕは、温度検出体３１の抵抗値である。Ｒ_ｃは、固定抵抗５０１の抵抗値である。

Ｒ_ｘｄ≒Ｒ_ｘｕであり、Ｒ_ｃ≪Ｒ_ｘｄ及びＲ_ｃ≪Ｒ_ｘｕであることから、第１センサ出力信号Ｖｘｕは、下式（２）のように近似される。

Ｖｘｕ≒Ｖ_ｒｅｆ（Ｒ_ｃ／Ｒ_ｘｕ） ・・・（２）

ここで、抵抗値Ｒ_ｃは温度依存性を有しないが、抵抗値Ｒ_ｘｕは温度依存性を有するとする。抵抗値Ｒ_ｘｕの抵抗温度係数をＴＣＲとした場合、ヒータ１１１のオン／オフによる第１センサ出力信号Ｖｘの変化量ΔＶｘｕは、下式（３）で表される。

ΔＶｘｕ≒－Ｖ_ｒｅｆ（Ｒ_ｃ／Ｒ_ｘｕ）ＴＣＲ・ΔＴ ・・・（３）

ここで、変化量ΔＶｘｕは、ヒータ１１１をオンとした場合における第１センサ出力信号Ｖｘｕの値から、ヒータ１１１をオフとした場合における第１センサ出力信号Ｖｘｕの値を減算した値である。ΔＴは、ヒータ１１１がオフの状態からオンとした場合における上昇温度である。

仮に、スイッチ５１１がオフである場合には、温度検出体３０と温度検出体３１とがほぼ同じ温度特性を有するので、流体の流れがない状況下では、ヒータ１１１がオンとされても、温度検出体３０と温度検出体３１との間で抵抗値の差がほとんど生じず、第１センサ出力信号Ｖｘにほとんど変化が生じない。

これに対して、本実施形態では、流体の流れがない状況下であっても、スイッチ５１１をオンとすることにより、上式（３）で示されるように、第１センサ出力信号Ｖｘｕは、固定抵抗５０１が並列接続された温度検出体３０の温度特性には依存せず、温度検出体３１の温度特性に応じて変化する。したがって、本実施形態では、流体の流れがない状況下であっても、立ち下がり時間Ｔｆに基づいた故障判定を精度よく行うことができる。

この第１センサ出力信号Ｖｘｕに基づく故障判定の他に、第１センサ出力信号Ｖｘｄに基づく故障判定、第２センサ出力信号Ｖｙｕに基づく故障判定、第２センサ出力信号Ｖｙｄに基づく故障判定がそれぞれ行われる。これらの４回の故障判定のうち、少なくとも１つにより故障が判定された場合に、センサ１１０が故障していると判定される。

また、本実施形態では、立ち下がり時間Ｔｆに基づいた故障判定の他に、ヒータ１１１をオン／オフした場合における第１センサ出力信号Ｖｘｕ，Ｖｘｄ及び第２センサ出力信号Ｖｙｕ，Ｖｙｄのそれぞれの振幅値に基づいた故障判定も行われる。

［故障判定フロー］
以下に、具体的な故障判定フローについて説明する。図１９は、故障判定動作時にマイコン１２０が実行する処理を示すフローチャートである。図２０は、故障判定動作時のヒータ１１１及びＡＤＣの動作タイミングを示すタイミング図である。

図１９に示すように、故障判定動作を開始する際に、マイコン１２０は、まずＡＦＥ回路１３０をアイドル状態とし（ステップＳ３０）、ＡＦＥ回路１３０のシーケンサに故障判定用シーケンスを書き込む（ステップＳ３１）。ここでは、ＡＦＥ回路１３０は、まず、図１８（Ａ）に示したように、スイッチ５１１をオンとした状態で第１センサ出力信号Ｖｘｕに基づいて故障判定を行うための故障判定用シーケンスをシーケンサに書き込む。

ＡＦＥ回路１３０に故障判定用シーケンスが書き込まれると、ＡＦＥ回路１３０は、図２０に示すように、ヒータ１１１のオン／オフ制御を行うとともに、ＡＤＣを制御して、所定のタイミングで第１センサ出力信号ＶｘｕをサンプリングしてＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換後のデータをＡＦＥ回路１３０内のメモリに格納する。

具体的には、図２０に示すように、ＡＦＥ回路１３０は、時刻ｔ０においてヒータ１１１をオフからオンに切り替えるとともに、ＡＤＣを有効状態（ｅｎａｂｌｅ）から無効状態（ｄｉｓａｂｌｅ）とする。そして、ＡＦＥ回路１３０は、所定の時間（例えば、５００ｍｓ）の間、ヒータ１１１をオン状態とし、時刻ｔ１にヒータ１１１をオフとする。また、ＡＦＥ回路１３０は、ヒータ１１１をオフとする時刻ｔ１の直前にＡＤＣを有効状態とする。そして、ＡＦＥ回路１３０は、ヒータ１１１をオフとした状態で、時刻ｔ１から所定のサンプリング間隔で第１センサ出力信号ＶｘｕをサンプリングしてＡ／Ｄ変換を行うようにＡＤＣを動作させる。時刻ｔ１～ｔ８は、サンプリングを行うタイミングを表している。なお、本実施形態では、ヒータ１１１をオンとする時刻ｔ０においてもサンプリングを行う。

また、本実施形態では、サンプリング間隔は等間隔ではなく、ヒータ１１１をオフとした直後においてサンプリング間隔を短くし、時間が経過するほどサンプリング間隔を長くしている。例えば、ｔ１＝０ｍｓとした場合、ｔ２＝６．２５ｍｓ、ｔ３＝１２．５ｍｓ、ｔ４＝１８．７５ｍｓ、ｔ５＝３１．２５ｍｓ、ｔ６＝４３．７５ｍｓ、ｔ７＝９６．８７５ｍｓ、ｔ８＝６００ｍｓである。ＡＦＥ回路１３０内のメモリには、時刻ｔ０～ｔ８でサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換されたデータが格納される。

図１９に戻り、マイコン１２０は、ＡＦＥ回路１３０による上記のシーケンスが終了するまでの待機する（ステップＳ３２）。マイコン１２０は、ＡＦＥ回路１３０によるシーケンスが終了すると、ＡＦＥ回路１３０のメモリに格納されたデータを読み出す（ステップＳ３３）。

マイコン１２０は、読み出したデータに基づき、ヒータ１１１をオフとした後の第１センサ出力信号Ｖｘｕの立ち下がり時間Ｔｆと、ヒータ１１１をオン／オフすることによる第１センサ出力信号Ｖｘｕの振幅値Ａとを算出する（ステップＳ３４）。本実施形態では、マイコン１２０は、時刻ｔ１～ｔ８でサンプリングされたデータに基づき、時定数τの２倍に相当する時間を立ち下がり時間Ｔｆとして算出する。より具体的には、マイコン１２０は、時刻ｔ８のデータ値を定常値とし、時刻ｔ１のデータ値が定常値の８６．５％に達するまでの時間を立ち下がり時間Ｔｆとして算出する。このようにして算出される立ち下がり時間Ｔｆが概ね２０ｍｓであることから、上記のようにヒータ１１１をオフとした後、２０ｍｓが経過する前後のサンプリング間隔を短くしている。

また、マイコン１２０は、振幅値Ａについては、例えば、時刻ｔ０のデータと時刻ｔ１のデータとの差分を取ることにより算出する。なお、時刻ｔ１のデータと時刻ｔ８のデータ（定常値）との差分値を振幅値Ａとしてもよい。

次に、マイコン１２０は、算出した立ち下がり時間Ｔｆと振幅値Ａとに基づき、故障判定を行う（ステップＳ３５）。立ち下がり時間Ｔｆについては、第１実施形態と同様に、基準時間Ｔｒｅｆと比較し、立ち下がり時間Ｔｆが基準時間Ｔｒｅｆより大きい場合に、流体センサ１１０が故障していると判定する。振幅値Ａについては、振幅値Ａが所定の閾値以下である場合に、流体センサ１１０が故障していると判定する。

マイコン１２０は、故障判定を終了すると、終了判定を行う（ステップＳ３６）。具体的には、マイコン１２０は、図１８（Ａ）～（Ｄ）に示す全てのパターンについて故障判定が終了したか否かについて判定する。マイコン１２０は、故障判定を行っていないパターンが存在する場合には（ステップＳ３６：ＮＯ）、故障判定用シーケンスを変更して、処理をステップＳ３０に戻す。マイコン１２０は、全てのパターンについて故障判定が終了した場合には（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、処理を終了する。

［実験例］
以下に、第２実施形態に係る流体センシング装置１００ｃによる故障判定に関する実験例について説明する。

（実験例１）
図２１及び図２２は、流体センサ１１０が正常である場合における出力信号の変化を例示する図である。図２１は、第１センサ出力信号Ｖｘｕ，Ｖｘｄ及び第２センサ出力信号Ｖｙｕ，Ｖｙｄのそれぞれについて、時刻ｔ０～ｔ８においてサンプリングされたデータをプロットしたものである。図２２は、ヒータ１１１をオフとした後の出力信号について、時刻ｔ１の電圧値を「０」とし、時刻ｔ８の電圧値を「１」とするように規格化したものである。なお、図２２中の破線は、規格値「１」に対して８６．５％となる電圧値を示している。

図２３は、流体センサ１１０が正常である場合における立ち下がり時間Ｔｆの算出値を例示する図である。図２３は、図２１及び図２２に基づく算出値を示している。立ち下がり時間Ｔｆは、前述のように時定数τの２倍に相当する時間としている。立ち下がり時間Ｔｆの算出値は、１９～２０ｍｓであった。

（実験例２）
図２４及び図２５は、流体センサ１１０に異物として土が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。図２４は、第１センサ出力信号Ｖｘｕ，Ｖｘｄ及び第２センサ出力信号Ｖｙｕ，Ｖｙｄのそれぞれについて、時刻ｔ０～ｔ８においてサンプリングされたデータをプロットしたものである。図２５は、ヒータ１１１をオフとした後の出力信号について、時刻ｔ１の電圧値を「０」とし、時刻ｔ８の電圧値を「１」とするように規格化したものである。なお、図２５中の破線は、規格値「１」に対して８６．５％となる電圧値を示している。

図２６は、流体センサ１１０に異物として土が付着した場合における立ち下がり時間Ｔｆの算出値を例示する図である。図２６は、図２４及び図２５に基づく算出値を示している。立ち下がり時間Ｔｆは、前述のように時定数τの２倍に相当する時間としている。立ち下がり時間Ｔｆの算出値は、９５～１３０ｍｓであった。

このように、流体センサ１１０に異物として土が付着した場合に、立ち下がり時間Ｔｆが大幅に長くなることから、立ち下がり時間Ｔｆに基づく故障判定が可能であることがわかる。

（実験例３）
図２７及び図２８は、流体センサ１１０に異物として水が付着した場合における出力信号の変化を例示する図である。図２７は、第１センサ出力信号Ｖｘｕ，Ｖｘｄ及び第２センサ出力信号Ｖｙｕ，Ｖｙｄのそれぞれについて、時刻ｔ０～ｔ８においてサンプリングされたデータをプロットしたものである。図２８は、ヒータ１１１をオフとした後の出力信号について、時刻ｔ１の電圧値を「０」とし、時刻ｔ８の電圧値を「１」とするように規格化したものである。なお、図２８中の破線は、規格値「１」に対して８６．５％となる電圧値を示している。

図２９は、流体センサ１１０に異物として水が付着した場合における立ち下がり時間Ｔｆの算出値を例示する図である。図２９は、図２７及び図２８に基づく算出値を示している。立ち下がり時間Ｔｆは、前述のように時定数τの２倍に相当する時間としている。立ち下がり時間Ｔｆの算出値は、３４～２７０ｍｓであった。

このように、流体センサ１１０に異物として水が付着した場合に、立ち下がり時間Ｔｆが大幅に長くなることから、立ち下がり時間Ｔｆに基づく故障判定が可能であることがわかる。また、図２１に示すように流体センサ１１０が正常である場合における振幅値Ａが約１．１ｍＶであったのに対し、実験例３では、図２７に示すように振幅値Ａは約０．２～０．４ｍＶ程度に低下することから、振幅値Ａに基づく故障判定も可能であることがわかる。

＜第２実施形態の変形例＞
第２実施形態では、４つの温度検出体３０～３３のそれぞれに対応するように４つの固定抵抗５０１～５０４を設けているが、固定抵抗を１つのみとし、この１つの固定抵抗が、マルチプレクサ等により、温度検出体３０～３３のそれぞれに選択的に並列接続されるように構成してもよい。

また、第２実施形態では、第１出力配線５３１及び第２出力配線５３２にオペアンプ５２１，５２２がそれぞれ接続されているが、これらのオペアンプ５２１，５２２は必須ではない。

また、第２実施形態では、ＡＦＥ回路１３０のシーケンサにより流体センサ１１０の故障判定制御を行っているが、ファームウェア等により流体センサ１１０の故障判定制御を行ってもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０ 半導体基板、１０ｘ 開口部、２０ 積層構造部、２０ｔ メンブレン（薄膜構造部）、３０，３１ Ｘ軸温度検出体、３２，３３ Ｙ軸温度検出体、４０ 発熱抵抗体、５０ 測温抵抗体、９０ 第１ブリッジ回路、９１，９２ 基準抵抗、９３ センサアンプ、９５ 第２ブリッジ回路、９６，９７ 基準抵抗、９８ センサアンプ、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 流体センシング装置、１１０ 流体センサ、１１１ ヒータ（加熱部）、１１２ 温度差検出部、１２０ マイクロプロセッサ（マイコン）、１２１ 流れ算出部、１２２ ヒータ制御部、１２３ 計時部、１２４ 時間計測部、１２５ 故障判定部、５００ センサ基板、５０１～５０４ 固定抵抗、５１１～５１４ スイッチ
５２１，５２２ オペアンプ、５３１ 第１出力配線、５３２ 第２出力配線

Claims (13)

1. 加熱により生じる検出面上の温度分布を検知して流体の流れに応じた信号値を出力する流体センサと、
   前記加熱を停止した後の前記信号値の立ち下がり時間を計測する立ち下がり時間計測部と、
   前記立ち下がり時間に基づいて故障判定を行う故障判定部と、
   を有する流体センシング装置。
2. 前記立ち下がり時間計測部は、前記信号値を一定時間ごとに取得し、前記信号値の差分値が閾値以下となるまでの時間を、前記立ち下がり時間として計測する請求項１に記載の流体センシング装置。
3. 前記立ち下がり時間計測部は、前記信号値が所定値に低下するまでの時間を、前記立ち下がり時間として計測する請求項１に記載の流体センシング装置。
4. 前記所定値は固定値である請求項３に記載の流体センシング装置。
5. 前記所定値は、前記加熱が行われていない状態で前記流体センサから出力される信号値である請求項３に記載の流体センシング装置。
6. 前記立ち下がり時間計測部は、前記加熱を停止した後、前記信号値の低下率を求め、前記低下率が所定値より大きくなった時間を、前記立ち下がり時間として計測する請求項１に記載の流体センシング装置。
7. 前記故障判定部は、前記立ち下がり時間を基準時間と比較することにより故障判定を行う請求項１ないし６いずれか１項に記載の流体センシング装置。
8. 前記流体センサは、流体を加熱して温度分布を生じさせる加熱部と、前記加熱部の上流側と下流側との間に生じる温度差を検出し、当該温度差に応じた信号値を前記信号値として出力する温度差検出部と、を有する請求項１ないし７いずれか１項に記載の流体センシング装置。
9. 前記加熱部及び前記温度差検出部は、前記流体センサに形成されたメンブレンに配置されている請求項８に記載の流体センシング装置。
10. 前記温度差検出部は、前記加熱部の上流側及び下流側に配置された少なくとも２つの温度検出体を含み、前記２つの温度検出体の抵抗値の差に対応した信号値を出力する請求項９に記載の流体センシング装置。
11. 前記２つの温度検出体は、前記加熱部からの距離が異なる位置に配置されている請求項１０に記載の流体センシング装置。
12. 前記各温度検出体よりも抵抗値が小さく、かつ温度依存性が小さい固定抵抗と、
    前記固定抵抗を、前記２つの温度検出体のうちの１つに並列に選択的に接続するスイッチと、
    をさらに有し、
    前記立ち下がり時間計測部は、前記固定抵抗が前記２つの温度検出体のうちの１つに並列に接続された状態で生じる信号値に基づいて前記立ち下がり時間を計測する請求項１０に記載の流体センシング装置。
13. 加熱により生じる検出面上の温度分布を検知して流体の流れに応じた信号値を出力する流体センサを有する流体センサの故障検出方法であって、
    前記加熱を停止した後の前記信号値の立ち下がり時間に基づいて故障判定を行う流体センサの故障検出方法。

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