JP7383875B2 - 流向流速測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流向流速測定装置に関する。

従来より、空気等の流体の流向や流速を測定するセンサ素子を搭載した流向流速測定装置が知られている。このような流向流速測定装置では、流体の乱れを抑制して検出精度を向上することが求められている。

このような流向流速測定装置として、センサ素子が実装された基板を保持する筐体と、外周部が複数の支柱により筐体に固定された流路板とを有するものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１８－５４５２８号公報 特開平４－２９５７６８号公報

上記の流向流速測定装置では、流体の流れが支柱により乱されるので、センサ素子から見て支柱が存在する方向から流体が流入する場合と、支柱が存在しない方向から流体が流入する場合とで、流速に差異が生じる。

特許文献１には、流体の流入方向に依存した流速の測定誤差を低減するために、支柱の本数が少なくすることが記載されている。また、特許文献２には、流体の流れを乱さないように支柱（スペーサ）の太さと本数を決めることが記載されている。

しかしながら、支柱の本数を少なくすると、支柱が存在する特定の流入方向に対する測定誤差が大きくなるので、流入方向に依存した測定誤差が局所的に発生してしまう。

開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであって、流体の流入方向に依存した測定誤差を低減することを目的とする。

開示の技術は、筐体と、前記筐体と対向する流路板と、前記流路板と前記筐体の間を接続する複数の支柱とを有し、前記筐体と前記流路板の間に流体が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路内に配置されて流向又は流速を検出するセンサ素子と、を備え、前記複数の支柱は、前記センサ素子を中心とする円周上に、１０°以下の間隔で等間隔に配置され、前記複数の支柱は、前記センサ素子を中心とする第１半径の円周上に配置された第１の支柱と、前記第１半径より小さい第２半径の円周上に配置された第２の支柱とを有する流向流速測定装置である。

開示の技術によれば、流体の流入方向に依存した測定誤差を低減することができる。

第１実施形態に係る流向流速測定装置を上面側から見た斜視図である。 第１実施形態に係る流向流速測定装置を下面側から見た斜視図である。 第１実施形態に係る流向流速測定装置を上方から見た平面図である。 第１実施形態に係る流向流速測定装置を図３中のＡ－Ａ線に沿って切断した断面を示す縦断面図である。 流路形成部を示す図である。 流路形成部を下面側から見た斜視図である。 筐体を上面側から見た斜視図である。 センサ素子の構成を例示する図である。 支柱の配置に関する変形例を示す流路形成部の底面図である。 支柱を１０°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。 支柱を６°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。 比較例として、支柱を３０°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。 第１変形例に係る流路形成部を示す図である。 第２変形例に係る流路形成部を示す図である。 第３変形例に係る流路形成部を示す図である。 第２実施形態に係る流向流速測定装置を例示する縦断面図である。 チルト角度と流速換算との関係を例示する図である。 流向と流体速度の測定誤差との関係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。

＜第１実施形態＞
［流向流速測定装置の全体構造］
図１は、第１実施形態に係る流向流速測定装置を上面側から見た斜視図である。図２は、第１実施形態に係る流向流速測定装置を下面側から見た斜視図である。図３は、第１実施形態に係る流向流速測定装置を上方から見た平面図である。図４は、第１実施形態に係る流向流速測定装置を図３中のＡ－Ａ線に沿って切断した断面を示す縦断面図である。

なお、本実施の形態では、便宜上、流向流速測定装置１００の流路板１３１側を上側、外部接続端子１２７側を下側とする。また、各部位の流路板１３１側の面を上面、外部接続端子１２７側の面を下面とする。

図１～図４において、流向流速測定装置１００は、筐体１１０と、基板１２０と、流路形成部１３０とを有している。

筐体１１０は、ほぼ円筒状の外枠１１１と、開口部１１２ｘが形成された環状の基板固定部１１２と、ほぼ円盤状の底蓋１１３とを有する。基板固定部１１２は、外枠１１１の上端部から内側に延在している。例えば、外枠１１１と基板固定部１１２とは、一体成形されている。底蓋１１３は、外枠１１１の下端部に接続されている。底蓋１１３には、後述する外部接続端子１２７が挿通される複数の貫通孔１１３ａが形成されている。

基板１２０は、基板固定部１１２の下面に、開口部１１２ｘを覆うように位置決めされた状態で固定されている。基板固定部１１２と基板１２０との固定は、樹脂等の接着剤により行われている。

開口部１１２ｘから露出した基板１２０の上面側の中央には、空気等の流体の流向又は流速を検出するセンサ素子１が実装されている。センサ素子１の実装は、例えば、樹脂等の接着剤を用いてダイボンドにより行われる。

センサ素子１は、銅や金等の金属線であるボンディングワイヤ（図示せず）を介して、基板１２０に設けられた電極パッドと電気的に接続されている。但し、センサ素子１は、ボンディングワイヤを用いずに、貫通配線を介して基板１２０の電極パッドと電気的に接続されてもよい。センサ素子１は、基板固定部１１２の開口部１１２ｘ内に配置されている。

基板１２０の下面側には、複数の電子部品（図示せず）が実装されている。電子部品は、抵抗、コンデンサ、インダクタ等である。電子部品には、集積回路等の能動部品が含まれていてもよい。

基板１２０の下面側の外周部には、複数の外部接続端子１２７が接続されている。各外部接続端子１２７は、基板１２０から下側に伸びる線状の金属部材である。本実施形態では、Ｙ方向に配列された３本の外部接続端子１２７が、Ｘ方向に離間して平行に２組設けられている。

開口部１１２ｘのセンサ素子１以外の領域には、樹脂１２５が充填されている。これにより、基板固定部１１２、樹脂１２５、及びセンサ素子１の各上面は、ほぼ同一平面を形成している。仮に、基板固定部１１２とセンサ素子１との間に段差が存在すると、流体が段差により乱されて渦巻き流等の乱流が発生する可能性があるが、上述のように樹脂１２５、及びセンサ素子１の各上面をほぼ同一平面とすることにより、乱流の発生が抑制される。

樹脂１２５は、未硬化時には低粘度であって、硬化すると比較的高硬度のものであることが好ましい。樹脂１２５として、エポキシ系樹脂等が用いられる。

センサ素子１の上面は、樹脂１２５から露出しているため、フッ素コーティング等の防湿コーティングを施すことが好ましい。この場合、センサ素子１の特性に影響のない薄さでコーティングする必要がある。

基板１２０のセンサ素子１が実装されている部分の下側には、大気導入用の貫通孔１２０ｘが設けられている。貫通孔１２０ｘは、センサ素子１を基板１２０に接着する際に、接着樹脂を硬化するときの温度でセンサ素子１の内圧が上昇し、センサ素子１が傾いて実装されることを防止する機能を有する。すなわち、貫通孔１２０ｘを設けることで、センサ素子１を基板１２０に接着する際のセンサ素子１の内圧の上昇が抑制される。

筐体１１０上には、流路形成部１３０が固着されている。流路形成部１３０は、基板１２０の上面と対向する流路板１３１と、流路板１３１の外周部に設けられた複数の支柱１３２とを有する。複数の支柱１３２は、流路板１３１と筐体１１０との間を接続する。流路板１３１と基板固定部１１２との間に、流体が流れる流路１５０が構成されている。

流路板１３１の上面には、センサ素子１の検出軸方向を示すマーク１３３ａ及び１３３ｂが形成されている。マーク１３３ａ及び１３３ｂは、流路板１３１の外周において、上面を凹状とすることにより形成されている。一対のマーク１３３ａは、センサ素子１において、後述する一対のＸ軸温度検出体（第１軸温度検出体）３０及び３１が配列される方向であるＸ軸（第１軸）ＡＸを示している。一対のマーク１３３ｂは、一対のＹ軸温度検出体（第２軸温度検出体）３２及び３３が配列される方向であるＹ軸（第２軸）ＡＹを示している。

また、流路板１３１の上面には、長手方向がＸ軸ＡＸに平行である矩形状の２つの溝１３４が形成されている。各溝１３４には、例えば、文字等（図示せず）が刻印される。溝１３４により、いずれの方向がＸ軸ＡＸであるのかを認識することができる。

図５は、流路形成部１３０を示す図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は底面図である。図６は、流路形成部１３０を下面側から見た斜視図である。図７は、筐体１１０を上面側から見た斜視図である。

支柱１３２は、センサ素子１の中央を中心Ｃとする円周上に、角度θごとに等間隔で配置されている。角度θは、１０°以下である。支柱１３２が配列された円周の半径Ｒは、１０ｍｍ以下である。各支柱１３２の横断面形状は円形であり、太さ（円周方向への幅）Ｗは、０．５ｍｍ以下である。本実施形態では、θ＝１０°としている。すなわち、本実施形態では、円周上に３６本の支柱１３２が配列されている。円周の半径Ｒ及び支柱１３２の太さＷは、例えばＲ＝９ｍｍ、Ｗ＝０．５ｍｍとされる。

複数の支柱１３２のうち２本の支柱１３２ａ以外は、同じ長さである。２本の支柱１３２ａは、他の支柱１３２より全長が長く、流路形成部１３０を筐体１１０上に取り付ける際に、位置決め用の支柱として用いられる。

各支柱１３２は、流路板１３１と一体成形されている。位置決め用の支柱１３２ａ以外の支柱１３２の下面は、熱硬化性の樹脂を介して、外枠１１１の上面に形成された円弧状の溝１１２ａに固着される。

外枠１１１の上面には、溝１１２ａと同一の円周上に、位置決め用の２つの穴１１２ｂが形成されている。２つの穴１１２ｂは、位置決め用の２本の支柱１３２ａに対応する位置に形成されている。流路形成部１３０を筐体１１０上に取り付ける際に、位置決め用の支柱１３２ａの先端部を穴１１２ｂに挿入することにより、筐体１１０と流路形成部１３０とを容易に位置決めすることができる。

２本の支柱１３２ａ及び２つの穴１１２ｂは、センサ素子１の中央（中心Ｃ）に対して１８０°の回転対称とならない位置に配置されているので、流路形成部１３０がセンサ素子１に対して反対方向（１８０°異なる方向）に取り付けられることが防止される。

［センサ素子の構造］
図８は、センサ素子１の構成を例示する図であり、図８（ａ）は平面透視図、図８（ｂ）は図８（ａ）中のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

センサ素子１は、半導体基板１０と、メンブレン部２０と、Ｘ軸温度検出体３０及び３１と、Ｙ軸温度検出体３２及び３３と、発熱抵抗体４０と、測温抵抗体５０と、配線６０～６９と、ダミー配線７０及び７１と、パッド８０～８９（ボンディングパッド）とを有する。

センサ素子１は、発熱抵抗体４０を発熱させた状態で、夫々の温度検出体（Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３）の温度検出結果に基づいて、温度検出体上を流れる流体の流向や流速を検出するセンサチップである。

半導体基板１０は、開口部１０ｘを備えた枠状（額縁状）に形成されている。半導体基板１０としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等を用いることができる。

メンブレン部２０は、絶縁膜２１～２５が順次積層された構造であり、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。メンブレン部２０の平面形状は、例えば、正方形である。メンブレン部２０において、半導体基板１０と接していない領域（開口部１０ｘを塞いでいる領域）を特に薄膜構造体部２０ｔと称する。薄膜構造体部２０ｔの平面形状は、例えば、正方形である。薄膜構造体部２０ｔは、半導体基板１０と接していないため熱容量が小さく、温度が上昇し易い構造とされている。

なお、図８では、メンブレン部２０の上面２０ａの４つの縁辺２０ｅの１つに平行な軸をＸ軸、メンブレン部２０の上面２０ａと平行な面内でＸ軸と直交する軸をＹ軸、メンブレン部２０の厚さ方向をＺ軸としている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに直交している。ここで、平面視とは、対象物をメンブレン部２０の上面２０ａの法線方向から見ることをいう。また、平面形状とは、対象物をメンブレン部２０の上面２０ａの法線方向から見たときの形状をいう。

図８（ｂ）では、便宜上、半導体基板１０の厚さＴ_１とメンブレン部２０の厚さＴ_２とを同程度に描いているが、実際には、半導体基板１０の厚さＴ_１は比較的厚く、メンブレン部２０の厚さＴ_２は比較的薄い。半導体基板１０の厚さＴ_１は、例えば、５０～５００μｍ程度とすることができる。また、メンブレン部２０の厚さＴ_２は、例えば、０．５～５μｍ程度とすることができる。

メンブレン部２０において、絶縁膜２２上には、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、並びにＹ軸温度検出体３２及び３３が設けられている。Ｘ軸温度検出体３０及び３１並びにＹ軸温度検出体３２及び３３は、保護膜として機能する絶縁膜２３に被覆されている。絶縁膜２３上には、発熱抵抗体４０及び測温抵抗体５０が、例えばつづら状に形成されている。なお、発熱抵抗体４０及び測温抵抗体５０をつづら状に形成するのは、発熱抵抗体４０及び測温抵抗体５０の抵抗値を大きくするためである。発熱抵抗体４０及び測温抵抗体５０は、保護膜として機能する絶縁膜２４に被覆されている。

絶縁膜２４上には、配線６０～６９、ダミー配線７０及び７１、並びにパッド８０～８９が設けられている。配線６０～６９中の所定の配線と、発熱抵抗体４０、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３、並びに測温抵抗体５０とは、絶縁膜２３及び２４に形成された垂直配線（図示せず）を介して接続されている。配線６０～６９、ダミー配線７０及び７１、並びにパッド８０～８９は、保護膜として機能する絶縁膜２５に被覆されている。但し、パッド８０～８９の上面の少なくとも一部は、絶縁膜２５に設けられた開口部２５ｘ内に露出し、センサ素子１と基板１２０との接続を可能としている。

Ｘ軸温度検出体３０及び３１は、Ｘ軸に平行な線上に形成されている。Ｙ軸温度検出体３２及び３３は、Ｙ軸に平行な線上に形成されている。Ｘ軸温度検出体３０及び３１はＸ軸方向の温度変化を検出する部分であり、Ｙ軸温度検出体３２及び３３はＹ軸方向の温度変化を検出する部分である。Ｘ軸温度検出体３０及び３１、並びにＹ軸温度検出体３２及び３３は、例えば、酸化バナジウムから形成することができる。各温度検出体に酸化バナジウムを用いることにより、検出感度を向上することができると共に、発熱抵抗体の低消費電力化及び温度検出体の小型化が可能となる。

Ｘ軸温度検出体３０の一端は配線６２を介してパッド８３と接続され、他端は配線６３を介してパッド８２と接続されている。また、Ｘ軸温度検出体３１の一端は配線６４を介してパッド８４と接続され、他端は配線６５を介してパッド８５と接続されている。

パッド８２とパッド８４は、センサ素子１の外部で接続される。また、パッド８３はセンサ素子１の外部でＧＮＤ（又は電源）と接続され、パッド８５はセンサ素子１の外部で電源（又はＧＮＤ）と接続される。これにより、Ｘ軸温度検出体３０とＸ軸温度検出体３１とがＧＮＤと電源との間に直列に接続され、パッド８２とパッド８４との接続部から中間電位を得ることができる。

Ｙ軸温度検出体３２の一端は配線６７を介してパッド８７と接続され、他端は配線６６を介してパッド８６と接続されている。また、パッド８６は配線６９を介してＹ軸温度検出体３３の一端と接続され、Ｙ軸温度検出体３３の他端は配線６８を介してパッド８８と接続されている。つまり、Ｙ軸温度検出体３２とＹ軸温度検出体３３とは、配線６６及び６９を介して直列に接続されている。

パッド８７はセンサ素子１の外部でＧＮＤ（又は電源）と接続され、パッド８８はセンサ素子１の外部で電源（又はＧＮＤ）と接続される。これにより、Ｙ軸温度検出体３２とＹ軸温度検出体３３とがＧＮＤと電源との間に直列に接続され、パッド８６から中間電位を得ることができる。

発熱抵抗体４０の一端は配線６０を介してパッド８０に接続され、他端は配線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。

なお、発熱抵抗体４０の材料と配線６０及び６１の材料に異種材料を使用し、発熱抵抗体４０の比抵抗が配線６０及び６１の比抵抗より大きくなる材料を選択すると好適である。これにより、発熱抵抗体４０に電力が集中し、発熱抵抗体４０の温度上昇が大きくなるため、上流の温度検出体と下流の温度検出体の検出する温度差が大きくなり、検出感度を向上することができる。

発熱抵抗体４０は、例えば、白金（Ｐｔ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、ポリシリコン（ｐ－Ｓｉ）等から形成することができる。この場合、配線６０及び６１の材料として、これらより比抵抗の小さいアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等を用いることが好ましい。

測温抵抗体５０の一端はパッド８０に接続され、他端はパッド８９に接続されている。測温抵抗体５０は、パッド８０及び８９を介して、センサ素子１の外部の抵抗ブリッジ回路に接続され、ブリッジを構成する抵抗の１つとなる。この回路構成により、測温抵抗体５０の抵抗変化に基づいて、流体の温度を検出することができる。測温抵抗体５０は、例えば、白金（Ｐｔ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、ポリシリコン（ｐ－Ｓｉ）等から形成することができる。

ここで、薄膜構造体部２０ｔにおける、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３、発熱抵抗体４０、配線６０～６９、並びにダミー配線７０及び７１のレイアウトの特徴について説明する。

薄膜構造体部２０ｔにおいて、平面視において、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３、及び配線６０～６９、ダミー配線７０及び７１は、発熱抵抗体４０に対して点対称に配置されている。言い換えれば、薄膜構造体部２０ｔ内の各要素を点対称とするために、ダミー配線７０及び７１を設けたともいえる。これにより、発熱抵抗体４０からの熱が薄膜構造体部２０ｔに均等に伝わり、流体の流れる向き（流向）に対して温度分布のばらつきが少なくなるため、検出感度を向上することができる。

なお、ここでいう点対称は、完全に点対称である場合のみではなく、検出感度向上という本発明の効果を損なわない範囲内で略点対称な場合も含むものとする。直交、平行、中心、正方形、円形、対角線上等の文言についても同様である。

具体的には、発熱抵抗体４０は、メンブレン部２０の中心（薄膜構造体部２０ｔの中心）に配置されている。また、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３は、発熱抵抗体４０の周囲に均等に配置されている。つまり、Ｘ軸温度検出体３０及び３１、Ｙ軸温度検出体３２及び３３は、発熱抵抗体４０から等距離に配置されている。また、発熱抵抗体４０を挟んで互いに対向するＸ軸温度検出体３０及び３１はＸ軸と平行な方向に配置されている。また、発熱抵抗体４０を挟んで互いに対向するＹ軸温度検出体３２及び３３はＹ軸と平行な方向に配置されている。

また、発熱抵抗体４０の一端から引き出された配線６０及び他端から引き出された配線６１は、メンブレン部２０の１つの対角線上に配置されている。

そして、Ｘ軸温度検出体３０から引き出された配線６３と、Ｙ軸温度検出体３３から引き出された配線６９は、発熱抵抗体４０から引き出された配線６１の両側に、配線６１と平行に配置されている。配線６１と配線６３との間隔と、配線６１と配線６９との間隔は、略同一である。

同様に、Ｘ軸温度検出体３１から引き出された配線６４と、Ｙ軸温度検出体３２から引き出された配線６７は、発熱抵抗体４０から引き出された配線６０の両側に、配線６０と平行に配置されている。配線６０と配線６４との間隔と、配線６０と配線６７との間隔は、略同一である。

また、メンブレン部２０の他の１つの対角線上において、発熱抵抗体４０の両側にダミー配線７０及び７１が配置されている。

そして、Ｘ軸温度検出体３０から引き出された配線６２と、Ｙ軸温度検出体３２から引き出された配線６６は、ダミー配線７０の両側に、ダミー配線７０と平行に配置されている。ダミー配線７０と配線６２との間隔と、ダミー配線７０と配線６６との間隔は、略同一である。

同様に、Ｘ軸温度検出体３１から引き出された配線６５と、Ｙ軸温度検出体３３から引き出された配線６８は、ダミー配線７１の両側に、ダミー配線７１と平行に配置されている。ダミー配線７１と配線６５との間隔と、ダミー配線７１と配線６８との間隔は、略同一である。

なお、発熱抵抗体４０の一端及び他端から引き出された配線を発熱抵抗体配線、各温度検出体から引き出された配線を温度検出体配線と称する場合がある。発熱抵抗体配線と温度検出体配線とを互いに平行に配置することにより、発熱抵抗体４０から発生した熱が薄膜構造体部２０ｔ上に分布しやすくなり、上流の温度検出体と下流の温度検出体の検出する温度差が大きくなる。これにより、検出感度を向上することができる。

このように、配線６０、６４、及び６７と、配線６１、６３、及び６９とがメンブレン部２０の１つの対角線上に配置され、ダミー配線７０、配線６２、及び配線６６と、ダミー配線７１、配線６５、及び配線６８とがメンブレン部２０の他の１つの対角線上に配置されている。

これらの配線を対角線上に配置する理由は、流体はＸ軸上とＹ軸上を主に流れるが、配線上を流体が流れたときに、配線から発熱抵抗体の熱が放熱し難くするためである。言い換えれば、配線の方向をＸ軸又はＹ軸（流体の流れる方向）に平行にすると、配線上を流体が流れ、配線から発熱抵抗体の熱が放熱してしまうので、配線が延びる方向が流体の流れ（Ｘ軸上、Ｙ軸上）と一致しないようにしている。

薄膜構造体部２０ｔへの熱応力は、薄膜構造体部２０ｔの各縁辺（半導体基板１０の上面内縁部と接する部分）の中央部を含む４つの領域（図８に示す４つの応力集中部Ｂ）に集中することが確認されている。

そこで、センサ素子１において、配線６０～６９、並びにダミー配線７０及び７１は、４つの応力集中部Ｂを除く領域に配置されている。前述のように、配線を対角線上に配置しているので、応力集中部Ｂを避けて配置することが容易となる。薄膜構造体部２０ｔの応力集中部Ｂに配線を配置しないことにより、薄膜構造体部２０ｔへの熱応力による影響が緩和され、配線と薄膜構造体部の機械的強度を向上することができる。

薄膜構造体部２０ｔ上の配線の幅は、応力緩和のため、薄膜構造体部２０ｔの周囲（半導体基板１０上）の配線よりも細く、１～１０μｍ程度である。配線幅の細い薄膜構造体部２０ｔ上の配線を、応力集中部Ｂを避けて配置することにより、熱応力により断線するおそれを低減できる。

［流向流速測定装置の動作］
次に、流向流速測定装置１００の動作について説明する。ここでは、流向流速測定装置１００のセンサ素子１が所定の制御回路に接続されているものとする。制御回路は、測温抵抗体５０の抵抗変化に基づいて流体の温度を検出して発熱抵抗体４０の好適な発熱量を算出し、それに基づいた電圧をパッド８０とパッド８１との間に印加して発熱抵抗体４０に電流を流して発熱させることができる。

また、制御回路との接続により、前述のように、Ｘ軸温度検出体３０とＸ軸温度検出体３１とがＧＮＤと電源との間に直列に接続され、パッド８２とパッド８４との接続部から中間電位（中間電位Ｘとする）を得ることができる。また、Ｙ軸温度検出体３２とＹ軸温度検出体３３とが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（中間電位Ｙとする）を得ることができる。

発熱抵抗体４０に電流を流して発熱させると、薄膜構造体部２０ｔの温度が上昇する。このとき、検知対象となる流体（例えば、空気やガス等）が流れていない場合には、Ｘ軸温度検出体３０とＸ軸温度検出体３１の出力がバランスしているため、中間電位ＸとしてＧＮＤと電源の中間の電位（初期値Ｘ_０とする）が得られる。同様に、Ｙ軸温度検出体３２とＹ軸温度検出体３３の出力がバランスしているため、中間電位ＹとしてＧＮＤと電源の中間の電位（初期値Ｙ_０とする）が得られる。

一方、流向流速測定装置１００において、流路１５０を流体が流れている場合には、センサ素子１の表面側に温度分布が生じる（上流側が下流側よりも低温となる）。そのため、上流側に配置された温度検出体の抵抗値と、下流側に配置された温度検出体の抵抗値とのバランスが崩れ、中間電位Ｘ及びＹが変化する。

制御回路は、中間電位Ｘ及びＹが初期値Ｘ_０及びＹ_０に対してＧＮＤ側か電源側の何れの方向に変化したかにより、流体の流れている方向を３６０°検出することができる。又、制御回路は、中間電位Ｘ及びＹが初期値Ｘ_０及びＹ_０に対してどれだけ変化したかにより、流速や流量を測定することができる。なお、中間電位Ｘ及びＹが変化した方向や変化した量と、流向や流速との関係は、例えば、テーブルとして制御回路内に記憶しておくことができる。

流向流速測定装置１００では、支柱１３２は、センサ素子１を中心とする円周上に、１０°以下の間隔（角度θ）で等間隔に配置されている。支柱１３２を、センサ素子１を中心とする円周上に１０°以下の間隔で等間隔に配置することで、３６０°のいずれの方向から流路１５０に流体が流入した場合の流速ばらつきを抑制することが可能となり、流入方向に依る測定誤差を低減することができる。

なお、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、いずれの支柱１３２もＸ軸ＡＸ及びＹ軸ＡＹ上に配置されていないが、図９に示すように、支柱１３２をＸ軸ＡＸ及びＹ軸ＡＹ上に配置してもよい。すなわち、支柱１３２は、Ｘ軸ＡＸ及びＹ軸ＡＹのそれぞれに対して線対称に配置されていればよい。支柱１３２を、Ｘ軸ＡＸ及びＹ軸ＡＹのそれぞれに対して線対称に配置することにより、流入方向に依る測定誤差をさらに低減することができる。

例えば、支柱１３２を、センサ素子１を中心とする円周上に８°の間隔で等間隔に配置した場合には、Ｘ軸ＡＸ及びＹ軸ＡＹのそれぞれに対して線対称とすることはできない。支柱１３２の間隔は、１０°、９°、６°、５°、４°等の角度であることが好ましい。

［シミュレーション結果］
以下に、流路１５０における流速のシミュレーション結果を例示する。図１０は、支柱１３２を１０°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。図１１は、支柱１３２を６°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。図１２は、比較例として、支柱１３２を３０°間隔で配置した場合における流速のコンター図である。

図１０～図１２中の符号Ｄは、流向流速測定装置１００に入射する流体の向きを示している。図１０（ａ）、図１１（ａ）、及び図１２（ａ）は、支柱１３２が存在しない方向から中心Ｃに向かって流体が流れる場合のシミュレーション結果を示している。図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、及び図１２（ｂ）は、支柱１３２が存在する方向から中心Ｃに向かって流体が流れる場合のシミュレーション結果を示している。

いずれの場合も、支柱１３２の太さＷを０．５ｍｍとし、支柱１３２が配列された円周の半径Ｒを９ｍｍとしている。

図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較すると、センサ素子１が存在する中心Ｃ付近の流速はほぼ同一であることが分かる。同様に、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較すると、センサ素子１が存在する中心Ｃ付近の流速はほぼ同一であることが分かる。一方、図１２（ａ）と図１２（ｂ）とを比較すると、センサ素子１が存在する中心Ｃ付近の流速が大きく異なる。具体的には、図１２（ａ）に示すように支柱１３２が存在しない方向から中心Ｃに向かって流体が流れる場合の流速は、図１２（ｂ）に示すように支柱１３２が存在する方向から中心Ｃに向かって流体が流れる場合の流速よりも大きい。

このように、支柱１３２を１０°以下の間隔で等間隔に配置することにより、中心Ｃ付近に流れ込む流体の流速が均一化し、流入方向に依る測定誤差が低減することが確認できる。なお、支柱１３２の間隔が狭くなればなるほど流路１５０内の流速が均一化するが、流路１５０内の流速が低下してしまう。これにより、実際の流速に対する測定値の線形性が低下する。このため、支柱１３２の間隔は、１０°、９°、６°程度とすることが好ましい。

同様に、支柱１３２の太さＷを大きくすると、隣接する支柱１３２間の隙間が狭くなるので、流路１５０内の流速が低下し、実際の流速に対する測定値の線形性が低下する。このため、支柱１３２の太さＷは、小さいほうがよい。しかし、支柱１３２の太さＷを小さくしすぎると、支柱１３２の強度が低下するので、太さＷは０．５ｍｍ程度であることが好ましい。

＜変形例＞
次に、流路形成部に対する各種変形例について説明する。

［第１変形例］
図１３は、第１変形例に係る流路形成部１３０ａを示す図であり、図１３（ａ）は斜視図、図１３（ｂ）は底面図である。第１実施形態では、支柱１３２がセンサ素子１の中央を中心Ｃとする円周上に配置されているのに対して、本第１変形例では、支柱１３２を、センサ素子１の中心Ｃからの半径が異なる２つの円周上に配置している。

具体的には、支柱１３２は、中心Ｃからの半径がＲ１（第１半径）である第１円周上と、中心Ｃからの半径がＲ２（第２半径）である第２円周上とに配置されている。ここで、Ｒ２＜Ｒ１である。支柱１３２は、第１円周上と第２円周上とに交互に配置されている。第１円周上に配置された支柱１３２（第１の支柱）と、これに隣接する第２円周上に配置された支柱１３２（第２の支柱）との間隔（角度θ）は、第１実施形態と同様に１０°以下である。支柱１３２の間隔や太さは、第１実施形態と同様に変更可能である。

第１変形例に係る流路形成部１３０ａを有する流向流速測定装置は、第１実施形態に係る流向流速測定装置１００と同様の効果を奏する。

［第２変形例］
図１４は、第２変形例に係る流路形成部１３０ｂを示す図であり、図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は底面図である。第１実施形態では、支柱１３２の横断面形状が円形であるのに対して、本第２変形例では、支柱１３２の横断面形状はオーバル形状である。支柱１３２の横断面形状は、長手方向がセンサ素子１の中心Ｃに向いており、支柱１３２が配列される円周の半径方向に沿っており、太さＷは、第１実施形態と同様の太さである。また、支柱１３２との間隔（角度θ）は、第１実施形態と同様に１０°以下である。

第２変形例に係る流路形成部１３０ｂは、支柱１３２の横断面形状が異なること以外は、第１実施形態に係る流路形成部１３０と同様の構成である。

第２変形例に係る流路形成部１３０ｂを有する流向流速測定装置は、第１実施形態に係る流向流速測定装置１００と同様の効果を奏する。さらに、支柱１３２の横断面形状はオーバル形状とすることにより、支柱１３２の強度が向上する。

なお、支柱１３２の横断面形状は、オーバル形状に限られず、楕円流線形状、涙滴形状等、種々の形状に変更可能である。

［第３変形例］
図１５は、第３変形例に係る流路形成部１３０ｃを示す図であり、図１５（ａ）は斜視図、図１５（ｂ）は側面図、図１５（ｃ）は底面図である。第１実施形態では、各支柱１３２が孤立しているのに対して、本第３変形例では、各支柱１３２が連結されている。具体的には、第３変形例では、各支柱１３２は、基端部１３２ｂと、中央部１３２ｃと、先端部１３２ｄとを有する。基端部１３２ｂ、中央部１３２ｃ、及び先端部１３２ｄは、同一の横断面形状（例えば円形）を有する。

基端部１３２ｂと中央部１３２ｃとの間には、円環状の第１円環状部１３５ａが設けられている。中央部１３２ｃと先端部１３２ｄとの間には、円環状の第２円環状部１３５ｂが設けられている。基端部１３２ｂは、一端が流路板１３１に接続されており、他端が第１円環状部１３５ａに接続されている。中央部１３２ｃは、一端が第１円環状部１３５ａに接続されており、他端が第２円環状部１３５ｂに接続されている。先端部１３２ｄは、第２円環状部１３５ｂに接続されている。

基端部１３２ｂ、中央部１３２ｃ、先端部１３２ｄ、第１円環状部１３５ａ、及び第２円環状部１３５ｂは、図１５（ｂ）に示すように、全体として格子状（メッシュ状）となっている。支柱１３２の間隔や太さは第１実施形態と同様である。

第３変形例に係る流路形成部１３０ｃを有する流向流速測定装置は、第１実施形態に係る流向流速測定装置１００と同様の効果を奏する。さらに、支柱１３２を、第１円環状部１３５ａ及び第２円環状部１３５ｂに接続して格子状とすることにより、支柱１３２の強度が向上する。なお、円環状部の個数は２個に限られず、１個や３個以上としてもよい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、流路板に絞り形状を追加する例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１６は、第２実施形態に係る流向流速測定装置を例示する縦断面図であり、図４に対応する断面を示している。

図１６を参照すると、流向流速測定装置１００Ａは、流路形成部１３０が流路形成部１３０ｄに置換された点が、流向流速測定装置１００（図１～図４等参照）と相違する。

流路形成部１３０ｄは、基板固定部１１２の上面と対向する流路形成面を備えた流路板１３１と、流路板１３１の流路形成面の外周部に設けられた複数の支柱１３２と、流路板１３１の流路形成面に設けられた絞り部１３８とを有している。流路板１３１及び支柱１３２については、流向流速測定装置１００で説明した通りである。

絞り部１３８は、流路板１３１の流路形成面の外周部が形成する流路よりも、センサ素子１上の流路を狭くするために設けられている。絞り部１３８は、例えば、流路板１３１の流路形成面において各々の支柱１３２の内側に設けることができる。絞り部１３８は、例えば、逆円錐台状とすることができる。

流向流速測定装置１００Ａにおいて、流路１５０は、３６０°の何れの方向から流体が流れ込む場合も、入口及び出口が広く、その途中が絞り部１３８により狭くなるように形成されている。

センサ素子１の検出感度を向上する観点と、流路１５０の入口を広くして流路１５０に取込める流量を確保する観点から、絞り部１３８の下面の直径は、流路板１３１の下面の直径の半分程度とすることが好ましい。又、乱流の発生を抑制する観点から、絞り部１３８の側面の傾斜角は４５度以下とすることが好ましい。

図１６において、Ｌ_１は、流体の入り口の高さ（基板固定部１１２の上面から流路板１３１の流路形成面までのＺ方向長さ）を示している。又、Ｌ_２は、センサ素子１上の流路の高さ（基板固定部１１２の上面から絞り部１３８の下面までのＺ方向長さ）を示している。

発明者らは、鋭意検討したところ、絞り部１３８は、流体の入り口の高さに対してセンサ素子１上の高さが約１／６となるように流路形成面から筐体側に突出していることが好ましいことを見出した。つまり、センサ素子１上の流路の高さＬ_２を、流体の入り口の高さＬ_１の約１／６にすると、後述の効果（チルト角度が変化した場合及び流向が変化した場合の流速の測定誤差を低減する効果）を得るうえで好適であることを見出した。

ここで、約１／６の『約』は、同一の設計に基づいて製造された物の製造上の誤差程度は許容されることを意味する。具体的には、約１／６は、１／６に対して±０．１ｍｍの誤差を許容する意味合いである。例えば、流体の入り口の高さＬ_１＝３ｍｍであれば、センサ素子１上の流路の高さＬ_２＝０．５ｍｍのときにＬ_２／Ｌ_１＝１／６となるが、このとき、Ｌ_２＝０．４～０．６ｍｍが約１／６の範囲である。

図１７は、チルト角度と流速換算との関係を例示する図である。具体的には、流速が１ｍ／ｓ、２ｍ／ｓ、３ｍ／ｓの各々の場合に、流向流速測定装置の流路形成面がＸＹ平面に対して傾いた時のチルト角度と、流向流速測定装置で測定された流速（図１７の縦軸の流速換算の値である）との関係を示している。なお、流体はＸＹ平面に平行に流れているものとする。

図１７（ａ）は流向流速測定装置１００のデータであり、図１７（ｂ）は流向流速測定装置１００Ａのデータである。

図１７（ａ）に示すように、流向流速測定装置１００では、チルト角度が０付近では、流速が１ｍ／ｓ、２ｍ／ｓ、３ｍ／ｓの何れの場合も精度よく流速を測定できているが、チルト角度が大きくなるにつれて、流速の測定誤差が大きくなっている。特に、流速が速くなるほど、測定誤差が大きくなっている。言い換えれば、流速が低くなるほど、チルト角度の影響による流速の測定誤差が生じ難くなる。

これに対して、図１７（ｂ）に示すように、流向流速測定装置１００Ａでは、チルト角度が±１０度変化しても、流速が１ｍ／ｓ、２ｍ／ｓ、３ｍ／ｓの何れの場合も精度よく流速を測定できている。特に、流速が速い場合の測定誤差の改善が顕著である。

すなわち、絞り部１３８を設けた流向流速測定装置１００Ａは、絞り部１３８を設けていない流向流速測定装置１００よりも、チルト角度が変化した場合の流速の測定誤差が小さく、特に、流速が速い場合の測定誤差の改善が顕著である。

これは、流向流速測定装置１００では、入り口の流速とセンサ素子１上の流速が略同一であるが、流向流速測定装置１００Ａでは、絞り部１３８を設けてセンサ素子１上の流路を狭くしたことで、センサ素子１上の流速が入口の流速よりも弱まり、チルト角度の影響を受け難くなったためである。

又、流向流速測定装置１００Ａでは、絞り部１３８を設けてセンサ素子１上の流路を狭くしたことで、流体がセンサ素子１上に誘導されるので、入り口では流体が傾いている場合でも、センサ素子１上では流体が傾いていない場合に近くなるためである。

なお、流向流速測定装置１００Ａの検出する流速は、流向流速測定装置１００Ａの出力を補正して得るため、センサ素子１上の流速が入口の流速よりも弱まっても測定誤差とはならない。

図１８は、流向と流体速度の測定誤差との関係を例示する図である。具体的には、流速が２ｍ／ｓの場合に、流体が流向流速測定装置に入る角度を変えたときの（すなわち流向を変えたときの）流体速度の測定誤差を示している。なお、流向流速測定装置のチルト角度は０度であり、流体はＸＹ平面に平行に流れているものとする。

図１８（ａ）に示すように、流向流速測定装置１００では、何れの角度（何れの流向）においても流速の測定誤差が大きくなっている。なお、図１８（ａ）において正弦波状に大きく変動しているのは、円周上に配列された３６本の支柱１３２の影響である。

これに対して、図１８（ｂ）に示すように、流向流速測定装置１００Ａでは、何れの角度（何れの流向）においても精度よく流速を測定できている。

すなわち、絞り部１３８を設けた流向流速測定装置１００Ａは、絞り部１３８を設けていない流向流速測定装置１００よりも、流向が変化した場合の流速の測定誤差が小さい。

これは、流向流速測定装置１００では、支柱１３２の影響により特に流速が速い場合に流速の測定誤差が大きくなるが、流向流速測定装置１００Ａでは、絞り部１３８を設けたことで支柱１３２の影響が緩和されたためである。

これは、流向流速測定装置１００では、入り口の流速とセンサ素子１上の流速が略同一であるが、流向流速測定装置１００Ａでは、絞り部１３８を設けてセンサ素子１上の流路を狭くしたことで、センサ素子１上の流速が入口の流速よりも弱まり、支柱１３２により生じた乱流の影響を低減できるためである。

このように、流向流速測定装置１００Ａでは、絞り部１３８を設けたことで、チルト角度が変化した場合の流速の測定誤差、及び流向が変化した場合の流速の測定誤差を、絞り部１３８を設けない場合に比べて低減することができる。

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。例えば、各実施の形態や変形例は、適宜組み合わせることができる。

１ センサ素子、１０ 半導体基板、３０ Ｘ軸温度検出体（第１軸温度検出体）、３１ Ｘ軸温度検出体（第１軸温度検出体）、３２ Ｙ軸温度検出体（第２軸温度検出体）、３３ Ｙ軸温度検出体（第２軸温度検出体）、４０ 発熱抵抗体、１００ 流向流速測定装置、１１０ 筐体、１１１ 外枠、１１２ 基板固定部、１１２ａ 溝、１１２ｂ 穴、１１２ｘ 開口部、１１３ 底蓋、１１３ａ 貫通孔、１２０ 基板、１２０ｘ 貫通孔、１２５ 樹脂、１２７ 外部接続端子、１３０ 流路形成部、１３１ 流路板、１３２ 支柱、１３２ｂ 基端部、１３２ｃ 中央部、１３２ｄ 先端部、１３３ａ，１３３ｂ マーク、１３４ 溝、１３５ａ 第１円環状部、１３５ｂ 第２円環状部、１３８ 絞り部、１５０ 流路

Claims (6)

1. 筐体と、
   前記筐体と対向する流路板と、前記流路板と前記筐体の間を接続する複数の支柱とを有し、前記筐体と前記流路板の間に流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
   前記流路内に配置されて流向又は流速を検出するセンサ素子と、を備え、
   前記複数の支柱は、前記センサ素子を中心とする円周上に、１０°以下の間隔で等間隔に配置され、
   前記複数の支柱は、前記センサ素子を中心とする第１半径の円周上に配置された第１の支柱と、前記第１半径より小さい第２半径の円周上に配置された第２の支柱とを有する流向流速測定装置。
2. 筐体と、
   前記筐体と対向する流路板と、前記流路板と前記筐体の間を接続する複数の支柱とを有し、前記筐体と前記流路板の間に流体が流れる流路を形成する流路形成部と、
   前記流路内に配置されて流向又は流速を検出するセンサ素子と、を備え、
   前記複数の支柱は、前記センサ素子を中心とする円周上に、１０°以下の間隔で等間隔に配置され、
   前記流路形成部の前記筐体と対向する流路形成面に、前記流路形成面の外周部が形成する流路よりも、前記センサ素子上の流路を狭くする絞り部が設けられ、
   前記絞り部は、前記流体の入り口の高さに対して前記センサ素子上の高さが約１／６となるように前記流路形成面から前記筐体側に突出している流向流速測定装置。
3. 前記複数の支柱の各々は、少なくとも１つの円環状部によって接続されている請求項２に記載の流向流速測定装置。
4. 前記センサ素子は、発熱抵抗体を中心として、第１軸に沿って一対の第１軸温度検出体が配置され、前記第１軸とは直交する第２軸に沿って一対の第２軸温度検出体が配置されており、
   前記複数の支柱は、前記第１軸及び前記第２軸のそれぞれに対して線対称に配置されている請求項１ないし３いずれか１項に記載の流向流速測定装置。
5. 前記複数の支柱の太さは、０．５ｍｍ以下である請求項１ないし４いずれか１項に記載の流向流速測定装置。
6. 前記支柱の横断面形状は、円形である請求項１ないし５いずれか１項に記載の流向流速測定装置。

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