JPH04240566A

JPH04240566A - 流量方向センサ

Info

Publication number: JPH04240566A
Application number: JP3024017A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Kotado; 古田土　節夫; Yoichi Katsuki; 陽一勝木
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1992-08-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気体、液体等の流体の方
向を検出する熱電対型の流量方向センサに関する。例え
ば、配管中を流れる気体や液体の方向を測定するのに用
いる。

【０００２】

【従来の技術】気体、液体等の流体の方向を検出し、そ
れを気体、液体等の流体の監視、制御に用いることが可
能な計測分野がある。例えば、局所排気装置における空
気の流れの監視や、プロパンガス等のガス漏れ検知等で
ある。しかし、従来は種々の流量センサがあるが、気体
や液体の方向を流量と同時に測定できる流量方向センサ
がない。

【０００３】また、流量センサは検出する流体の温度に
より、検出電圧が異なることが判っている。発明者は、
この事に着眼し、二つの流量センサを流体の流れる方向
に配置し、その中間に流体を温めるヒータを置く事によ
り、流体の流れる方向が判定できると考えた。

【０００４】しかし、従来の流量センサには、本発明に
利用できる物がなかった。例をあげると、代表的なもの
としては、トーマスガスメーター、境界層流量計、およ
び微小質量流量計がある。しかし、これらの従来の熱流
量計はそれぞれ次に述べる問題点を有していた。

【０００５】トーマスガスメーターは、流体の流路中に
配列されたヒータを加熱し、サーミスタ型感温素子や熱
電対等の測温体を用いて加熱前後における温度差より流
量を検出する方法で、構成が簡単でかつ高精度に検出で
きるという特徴を有するが、被測定気体をヒータにより
直接加熱する。そのため、被測定気体を分解、汚染する
他、形状が大きいので応答速度が遅いという問題点があ
った。

【０００６】また、境界層流量計は、流路管外壁にヒー
タ、および測温体が設けてある。そのため、被測定気体
の分解、汚染は少ないが、測定感度が低く、かつ、応答
速度が遅いという問題点があった。

【０００７】他方、微小質量流量計は、測定用流路とし
て細管を用いている。そのため、境界層流量計で問題と
なった測定精度の低下は解決できたが、流体中に含まれ
る塵あい等により管内が目詰まりしやすいという新たな
問題点が生じていた。

【０００８】また、熱流量センサとしては、以上に述べ
た、被測定流体を加熱する方式の他、被測定流体中に配
列された熱線から奪われる熱量をサーミスタ抵抗値の変
化分より検出する熱線流速センサがある。しかし、熱線
流速センサは、形状が大きいので測定する上で比較的大
きな空間を必要とする上、更に、熱線への電力供給端子
と、熱線の抵抗測定端子が同一であるために、測定値が
安定するまでに長時間を要する上、高精度に測定するこ
とが困難であった。また、高精度に検出しようとした場
合には安定化電源や複雑な補正回路を必要とし、その結
果高価格となりあまり実用的でなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】つまり、従来の熱流量
計に用いられていた熱電対は素子形状が大きく応答速度
が遅い上、また、高精度に測定しようとすると管の径が
細くなり、実装上問題点が多かった。また、一般に加熱
用ヒータと検出用熱電対が一体化されていないので小型
化に限界があった。

【００１０】そのため、精度よく判定するためには、流
体を温めるための加熱用ヒータの熱量を大きくする必要
があり、到底実用に耐えるものではない。特に、気体や
液体の種類によっては防爆形にする必要があり、従来の
流量センサでは実用化が困難であった。本発明はこのよ
うな事情に鑑みてなされたものであり、半導体薄膜技術
を用いて加熱用ヒータと検出用熱電対を同一基板に小型
、集積化することにより、高速応答および低消費電力型
の流量方向センサを提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の流量方向センサにおいては、熱不良導体絶縁
性基板上に半導体プロセス技術を用いて薄膜ヒータとし
ての薄膜抵抗体を形成する。同様にして、冷接点と温接
点の温度差を検出する測温体としての二つの薄膜熱電対
を形成する。二つの薄膜熱電対は薄膜ヒータを介して対
向するように集積化し、流量方向センサが流体中に配置
された場合、流体の流量方向により生ずる二つの薄膜熱
電対の出力の差を判定する構成とした。

【００１２】具体的には、流体が流れる流路中に配置さ
れる流量方向センサを以下、■熱不良導体基板１と、■
この熱不良導体基板１上に設けられた薄膜ヒータ３と、
■熱不良導体基板１上に設けられ前記薄膜ヒータ３が発
生した熱量と前記流体の流量とで定まる温度を検出する
二つの薄膜熱電対２ａ、２ｂと、■この二つの薄膜熱電
対２ａ、２ｂを薄膜ヒータ３に対向して形成し、■前記
流体の流れる方向により生じる前記二つの薄膜熱電対２
ａ、２ｂで検出した信号の差を判定する判定手段４とを
備えた構成とした。

【００１３】

【作用】このように構成された流量方向センサによれば
、加熱用の薄膜ヒータ３、および薄膜ヒータ３に近接さ
れて配列された二つの薄膜熱電対２ａ、２ｂとなってい
るので、薄膜ヒータ３に電力源より所定の電力が供給さ
れることにより発熱し、薄膜ヒータ３近傍の温度は上昇
し、その近傍の流体が温められる。

【００１４】この時温度の上昇した流体が、流量方向の
川下に配置された薄膜熱電対の検出電圧に影響を与える
。その二つの薄膜熱電対２ａ、２ｂの検出電圧の差より
、流量方向が判定できる。

【００１５】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。図１は流量方向センサの素子パターン図、図２は流
量方向センサの温度勾配を示す図である。図１は同一熱
不良導体基板１上に設けられ、かつ同一特性の２つの薄
膜熱電対２ａ、２ｂを示す。

【００１６】加熱用のヒータとして薄膜ヒータ３、およ
び薄膜ヒータ３に近接されて配列された半導体薄膜２１
ａ、２２ａ、２１ａ、２２ｂより構成された各薄膜熱電
対２ａ、２ｂにおいては、薄膜ヒータ３に電力源より所
定の電力が供給されることにより発熱し、薄膜ヒータ３
近傍の温度は上昇する。

【００１７】この時上昇する温度の値は、測定する流体
としてのガスの流れが無い場合は、主として熱電対を構
成する基板や熱電対材料の形状と熱伝導率により決定さ
れ、熱平衡状態になり、近接して配列された各薄膜熱電
対２ａ、２ｂにより検出される。

【００１８】次に、ガスの流れが生じた場合は、薄膜ヒ
ータ３の熱の一部がガスにより奪われ、前述の熱平衡状
態からずれ、薄膜ヒータ３の温度は低くなる。この時の
温度の低下は式１で与えられる。

【００１９】ここで、△Ｔ１　は薄膜ヒータ３の上昇し
た温度、Ｔ１　は薄膜ヒータ３すなわち温接点の温度、
Ｔ０　は冷接点の温度、Ｒｔｈは熱抵抗、Ｐは薄膜ヒー
タ３に外部より供給された電力をそれぞれ表す。

【００２０】次に、ガスにより薄膜ヒータ３から失われ
る熱量△Ｐを考慮した場合の上昇温度△Ｔ２　は式２で
与えられる。

【００２１】ここで、ｈはガスの流速Ｖの平方根および
比熱によって決定される量、Ａは薄膜ヒータ３の面積で
ある。

【００２２】したがって、ガスの比熱が一定の場合、式
１および式２より流速と温度との関係は式３で表される
。

【００２３】

【数１】

【００２４】ガスの温度による熱伝導度は既知であるの
で、薄膜ヒータ３の温度の低下分△Ｔを、近接して配列
された薄膜熱電対を用いて測定することによりガスの速
度すなわち流速を求めることができる。

【００２５】図２に測定結果を示す。図２中、横軸は流
量、また縦軸は検出電圧の大きさを示す。ここで、実線
（ａ）は風上の薄膜熱電対２ａの、また、破線（ｂ）は
風下に配置された薄膜熱電対２ｂの各検出電圧を示す。図２から明らかなように流量の違いにより検出電圧は異
なるので、検出電圧の大きさより流速すなわち流量を求
めることができる。

【００２６】また、図２に示されているように、流量の
方向に対して異なる方向に配置された各薄膜熱電対２ａ
、２ｂの検出電圧は異なるので、この各薄膜熱電対２ａ
、２ｂの検出電圧を判定手段４（図示せず）で比較する
ことにより、流量の方向を検出できる。この判定手段４
の実施例としては、■、■および■がある。■薄膜熱電
対の電極（２３ａ、２４ｂ）をワイヤ等で接続し、電極
（２３ｂ、２４ａ）の検出電圧の極性を判定する手段。 ■電極（２３ａ、２４ａ）、（２３ｂ、２４ｂ）のそれ
ぞれの検出電圧をアナログ的な差動増幅器により判定す
る手段。■電極（２３ａ、２４ａ）、（２３ｂ、２４ｂ
）のそれぞれの検出電圧をデイジタル信号に変換した後
、ソフト演算により判定する手段。

【００２７】次に、流量方向センサの構成について説明
する。流量方向センサは熱不良導体基板１と、熱不良導
体基板１上に設けられた薄膜ヒータ３および温接点が薄
膜ヒータ３の近傍に配列された薄膜熱電対２ａ、２ｂが
同一熱不良導体基板１上に集積化されている。

【００２８】具体的には、熱不良導体基板１として板厚
１５０μｍのガラス基板を、薄膜ヒータ３としてニクロ
ム薄膜抵抗体を、さらに薄膜熱電対２ａ、２ｂとして微
結晶化シリコン薄膜を用いた構成とした。また、感度を
向上させるために、薄膜熱電対２ａ、２ｂの温接点、冷
接点間の温度差を大きくすることが必要となる。

【００２９】そのため、熱不良導体基板１には、熱伝導
率の小さい基板、例えば、ガラス、アルミナ、サファイ
アなどのセラミック基板で、かつ、できるだけ基板厚の
薄いものを用いる。薄膜ヒータ３には、チッ化タンタン
、ニクロム、チタンなどの薄膜抵抗体を真空蒸着法やス
パッタ法などにより設けて用いる。薄膜熱電対２ａ、２
ｂには、前に述べた半導体薄膜の他、金属薄膜例えばビ
スマス−アンチモン等を用いことができる。また、精度
を上げるために、図３に示す手段、すなわち、ヒートシ
ンク５等で薄膜熱電対２ａ、２ｂ３および４の冷接点を
熱的に接続し各冷接点を同一温度とする手段がある。

【００３０】ここで金属薄膜は真空蒸着法やスパッタ法
により、また、半導体薄膜はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や分子線エ
ピタキシー法等を用いて容易に作製することができる。なお、６および７は、薄膜ヒータ３に電力を供給するた
めの電極対である。また、２３ａおよび２４ａは薄膜熱
電対２ａからの出力信号を取り出すための電極対、２３
ｂおよび２４ｂは薄膜熱電対２ｂからの出力信号を取り
出すための電極対である。なお、流体の種類により、耐
圧、および薄膜ヒータ３を絶縁体で覆うことにより防爆
形にできることはいうまでもない。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように熱不良導
体基板１上に設けた薄膜ヒータ３と、その近傍に設けた
二つの薄膜熱電対２ａ、２ｂと、その二つの薄膜熱電対
の出力の差を判定する判定手段４を備えた構成とした。そのため以下に示す効果ある。■半導体薄膜技術を用い
ることにより、加熱用の薄膜ヒータと、検出用の薄膜熱
電対を同一基板上に一体化したことにより、さらに小型
、集積化できたので細管内の流体流量方向の判定ができ
る。■構造、検出原理とも簡単なために、容易に流体の
流量方向の判定ができる。■流路画成部材内に流量方向
センサ本体を埋め込むことにより、流体の流れを乱さず
に、正確に流量方向の判定ができる。■加熱用の薄膜ヒ
ータは小型であるために、流体の加熱も少ないために、
流体の分解、汚染がない。■加熱用の薄膜ヒータに流す
電流が少なくてよいため、低消費電力化が実現できる。 ■加熱用の薄膜ヒータと、検出用の薄膜熱電対を同一基
板上に一体化したことにより、さらに小型、集積化でき
たので、流量方向センサを容易に防爆形とすることがで
きる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量方向センサの一実施例を示す素子
パターン図。

【図２】薄膜熱電対の流量検出電圧特性を示す図。

【図３】本発明の流量方向センサの他の実施例を示す断
面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　熱不良導体基板。２ａ　　　　薄膜熱電対。２ｂ　　　　薄膜熱電対。３　　　　　　薄膜ヒータ。４　　　　　　判定手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体が流れる流路中に配置される流量方向
センサであって、熱不良導体基板（１）と、この熱不良
導体基板上に設けられた薄膜ヒータ（３）と、この薄膜
ヒータに対して互いに対向するように形成され、かつ、
前記熱不良導体基板上に設けられ前記薄膜ヒータが発生
した熱量と前記流体の流量とで定まる温度を検出する二
つの薄膜熱電対（２ａ、２ｂ）と、前記流体の流れる方
向により生じる前記二つの薄膜熱電対で検出した信号の
差を判定する判定手段（４）を備えた流量方向センサ。