JPH04295767A - 流体検出装置 - Google Patents

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】この発明は流体の所定の方向にお
ける速度成分の大きさを検出する流体検出装置に関する
ものである。

【０００２】従来、この種の装置として図８、図９に示
すように、一対の流体案内板５、６が平行になるように
スペーサ７を用いて構成し、その間に流体検出素子１１
を接着した取付け基体３３を設置して流体検出部２を構
成し、それらを支持管４で保持するようにしたものがあ
る（オランダ，デルフト工科大学，ビー・ダブリュ・ヴ
ァン　　オウドホイスデン，　　ジェ・エイチ・ヒュジ
ング著，“シリコン流体検出器を基本とした電気式風量
計”センサとアクチュエータ，Ａ２１−Ａ２３　　１９
９０年，４２０〜４２４頁，Ｂ．Ｗ．Ｖａｎ　　Ｏｕｄ
ｈｅｕｓｄｅｎ　　ａｎｄＪ．Ｈ．Ｈｕｉｊｓｉｎｇ，
　　Ｄｅｌｆｔ　　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　　ｏｆ　　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　　Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：
”Ａｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　　Ｗｉｎｄ　　Ｍｅ
ｔｅｒ　　Ｂａｓｅｄ　　ｏｎ　　ａ　　Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　　ＦｌｏｗＳｅｎｓｏｒ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ　　ａ
ｎｄ　　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ２１−Ａ２３（１９９
０）４２０−４２４）。流体検出素子１１は、約６ミリ
角の基盤２１（ここではシリコン基盤）にヒータ用拡散
抵抗４５とこの素子の平均温度測定用の測温トランジス
タ４６、および流れによる温度差検出用のサーモパイル
４４ａ、４４ｂ、４４ｃおよび４４ｄが図１０に示すよ
うに配置されたものである。この流体検出素子１１はセ
ラミック製の取付け基体３３に接着され、この取付け基
体は素子１１の設けられていない面すなわち裏面を流体
にさらすようにして流体案内板５、６の間に設置される
。

【０００３】この流体検出装置の動作は、測温トランジ
スタ４６を用いて素子の平均温度が一定温度高くなるよ
うにヒータ用拡散抵抗４５に電力を与えるとそこで発生
する熱は基盤２１を通して取付け基体３３の流体にさら
されている面に及ぶ。ここで、流体が流れていると、取
付け基体３３の流れの上流側は冷やされ下流側は少し暖
められる。この現象は取付け基体３３、基盤２１を通し
て測温用サーモパイルに及び流れの上流側のサーモパイ
ルと下流側のサーモパイルとの間に起電力が生じる。な
お、図１０において流体検出素子の中で、ヒータ用拡散
抵抗４５と測温用サーモパイル４４とが配設されている
方向を方向Ａとし、流体の流れ方向を方向Ｂとし、方向
Ａと方向Ｂがなす角度をθとし、流体の主流の大きさを
Ｖとすると、この検出器はＶ・ｃｏｓθを検出する。

【０００４】この従来の装置は、流れの方向Ｂの仰角φ
が約１５度以上の場合には流体案内板５、６の端部より
乱れ４０が発生しそれが検出部に及んでセンサ出力に影
響を与えていた。この乱れ４０の大きさは流体の主流の
速度の大きさや温度などの影響を受けるため、検出の再
現性が悪いという欠点があった。このため、流体の速度
と方向を安定して検出することは困難であった。また、
その素子の動作メカニズムから、比較的速い流れの流体
に対しては検出するものの、その微かな動きに対しては
感応しにくい。すなわち流体検出の感度が低く、かつ応
答性が低い。その上、動作のための消費電力が大きい欠
点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、検出素子の流速検出感度、応答性の向上
、消費電力の削減等に加え、検出素子が受ける流体の乱
れの影響の排除、流体の流れの方向に対する特性の再現
性の改善である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明における流体検
出装置は、基板の一部に所定の空間を設けてダイアフラ
ム部を形成しこのダイアフラム部に発熱部および測温抵
抗部とを集積化して流体検出部を設けた流体検出素子を
形成し、また一対の流体案内板を互いに対向して配設し
、この流体案内板の少なくとも一方の流体案内板の、他
方の案内板と対向する面に一方の流体案内板に向かって
突出する曲面を形成し、この曲面上に流体検出素子を設
けたものである。

【０００７】

【作用】この発明における流体検出装置は、流体を曲面
を持つ案内板により流れを乱すことなく流体検出素子に
導くことで乱れの影響を排除し、流体の流れ方向に対す
る特性の再現性が改善され、流体検出部においてはその
流体の流速を高い感度と速い応答性により精度良く検出
し、しかも小さい消費電力で動作する。

【０００８】

【実施例】図１、図２、および図３はこの発明における
流体検出装置１の一実施例を示し、この流体検出装置は
検出部２および制御部３とから構成される。

【０００９】そこでまず、流体検出部２の構成について
説明する。図１、図２または図３において、支持管４の
一端は制御部３に固定され、その他端側すなわち自由端
部側には一対の流体案内板５、６が設けられる。そして
第１の流体案内板５は支持管４に固定され、また第１の
流体案内板の前方には流れを乱さない様に考慮してあら
かじめ太さと本数および長さが決められた複数のスペー
サ７、７によって第２の流体案内板６が固定される。し
たがってその一対の流体案内板はたがいに所定の間隔を
おいて平行に固定される。そして両流体案内板のたがい
に対向する面はそれぞれの周辺から中央部に向かうにし
たがってたがいに接近するように山形の曲面８、９が形
成される。これによって流体検出部２が構成される。な
お、流体案内板５、６の曲面８、９は必要に応じて球面
、非球面曲面、あるいは円錐状に形成することが可能で
ある。また、この曲面の曲率は同一である必要はなく、
適宜調整が可能である。なお、その曲面はできるだけ滑
らかに製作されることが望ましい。そして、一対の流体
案内板５または６のうちのいずれか一方の流体案内板、
例えば第１の流体案内板５の他方の流体案内板６と対向
する曲面８に一つの流体検出素子１１が設置される。

【００１０】つぎにこの流体検出装置１に用いられる流
体検出素子１１の構成について説明する。すなわち図４
において、基板２１は例えば単結晶シリコンからなる約
１．７ミリ角、厚さ約０．７ミリの基板であり、この基
板２１の中央部には空隙部２２が形成されており、この
空隙部２２の上部には基板２１から空間をもって隔離さ
れ、結果的に基板２１から熱的に絶縁されたダイアフラ
ム部２３が形成されている。そして、このダイアフラム
部２３の表面には薄膜のヒータエレメント２４とそれを
鋏むように薄膜の測温抵抗エレメント２５、２６とが配
列されている。また、空隙部２２の形成されてない基板
２１上の表面には薄膜の測温抵抗エレメント２７、およ
び電気配線取り出しのためのボンディングパッド２８が
形成されている。

【００１１】この素子の製造方法は例えば、基板２１上
に通常の薄膜形成技術を用いて、例えば酸化シリコンま
たは窒化シリコンなどの絶縁膜層、例えば白金、ニッケ
ル、ニッケル鉄合金などの抵抗体膜層を形成し、フォト
リソグラフィによって抵抗体膜層を所定の抵抗体のパタ
ーンに形成し、さらに保護膜として例えば酸化シリコン
または窒化シリコンなどの絶縁膜層を形成し、その後絶
縁膜層にエッチングのためのスリット２９を開ける。こ
れを例えば水酸化カリウム溶液などを用いて異方性エッ
チングを行なうと、スリット２９を通じて空隙部２２が
形成されるとともにその空隙部２２によって基板２１か
らヒータエレメント２４および測温抵抗エレメント２５
、２６が熱的に絶縁されたダイアフラム部２３が形成さ
れる。これによって流体検出素子１１が構成される。

【００１２】また図５は図４に示す流体検出素子１１の
Ｖ−Ｖ断面を示している。なお、図５中、符号３０は基
板２１上に形成されるヒータエレメント２４などの素子
を保護するための保護膜である。ダイアフラム部２３は
保護膜３０を含めて例えば厚さ１ミクロン程度に形成さ
れており、端部からの熱伝導による損失は極めて小さく
、流体検出部の熱絶縁が実現されている。

【００１３】また図６は図５におけるヒータエレメント
および測温抵抗エレメントの温度分布を示している。こ
こで、ヒータエレメント２４を、周囲温度にある測温抵
抗エレメント２７を用いて周囲温度よりもある一定の高
い温度ｔｈ（例えば６０℃：周囲温度基準）に制御する
と、測温抵抗エレメント２５、２６の温度ｔ１、ｔ２は
図６に示すようにほぼ等しくなる。このとき、例えば図
４に示す測温抵抗エレメント２５、ヒータエレメント２
４、および測温抵抗エレメント２６の配設方向、すなわ
ち矢印Ａ方向に流体が移動すると、上流側の測温抵抗エ
レメント２５は冷却されΔｔ１だけ温度が下がる。一方
下流側の測温抵抗エレメント２６は温度がΔｔ２だけ上
昇する、この結果、上流側の測温抵抗エレメント２５と
下流側の測温抵抗エレメント２６との間に温度差が生じ
る。これにより、測温抵抗エレメント２５、２６をホイ
ートストンブリッジ回路に組み込みその温度差を電圧に
変換することにより、流体の流速に応じた電圧が得られ
、これによって流体の流速を検出することができる。 この素子の流体の流れ方向Ｂに対する特性は、方向Ａと
方向Ｂとのなす角度をθ、流体の主流の大きさをＶとす
ると、この流体検出素子はＶ・ｃｏｓθを検出する。し
たがって、測温抵抗エレメント２５、ヒータエレメント
２４、および測温抵抗エレメント２６の配設方向、すな
わち矢印Ａ方向は流体検出素子１１の検出感度が最大と
なる方向であり、この明細書においては、これを流体検
出素子の最大検出感度の方向とする。なお、この流体検
出素子１１の特徴は、熱絶縁された非常に薄いダイアフ
ラム状の検出部を持つため、高感度、応答速度が速い、
かつ非常に低消費電力で動作することである。

【００１４】このようにして構成された流体検出素子１
１を搭載し電気接続をワイアボンド３１によって行なっ
た例えばセラミック製の取付け基体３３を、図２に示す
ように流体案内板５または６の山形の曲面８または９の
頂部付近に設置する。この際取付け基体３３の端部と曲
面８との間に段差ができないように配慮する。

【００１５】さて、流体検出素子１１の最大検出感度の
方向を方向Ａとし、流体の流れの方向を方向Ｂとしたと
き、方向Ａと方向Ｂとのなす角をθとし、流体の主流の
速度をＶとすると、流体検出素子１１の測温エレメント
２５、２６を含むホイートストンブリッジの出力ｘから
ｆ（ｘ）＝Ｖ・ｃｏｓθが検出される。

【００１６】流体検出部２をこのように構成することで
、流体の流れの方向Ｂの仰角φが１５度以上、約３０度
程度までは流体案内板は流れの乱れ４０を発生させない
ので、流体検出素子１１の角度特性に影響を与えること
がなく再現性良く流体の速度のＡ方向成分の大きさＶ・
ｃｏｓθを検出することができる。さらに、この流体検
出部の構造は外部からの接触による流体検出素子の破損
を防止する役目もしている。

【００１７】制御部３には、流体検出素子のヒータエレ
メント２４の制御回路、測温抵抗エレメント２５、２６
と接続されるホイートストンブリッジ回路とその増幅回
路、および出力回路等が収められている。制御部からの
出力は例えばパソコン４１やＦＡコントローラなどの表
示、演算、制御装置に接続することができる。

【００１８】この発明における流体検出装置１は例えば
図７に示すように、自動車４２の塗装ブース４３におい
て主流（上から下に向かう流れ）の中で流速の横方向成
分の大きさを検出する目的で使用される。この応用では
、主流の速度の大きさは３０〜４０ｃｍ／秒であり、検
出すべき横方向の速度は２０ｃｍ／秒以下であり高感度
の流体検出装置が必要とされる。

【００１９】この実施例では、流体検出素子１１は取付
け基体３３から流体中に流体検出素子１１の厚さだけ突
出する形で設置される。通常はこの突出構造は検出特性
に悪影響を与えると考えられるが、本発明者のおこなっ
た突出構造と非突出構造との比較実験によれば、本発明
の流体検出部２の中に流体検出素子１１をこのように設
置した場合には検出特性に悪影響がなかったうえに、突
出構造の方が感度が高く、かつ塵埃などの検出部への付
着が少ないという好ましい特性が得られた。また突出構
造の方が製作が容易であり、製作物の間の特性の再現性
も良好である。

【００２０】取付け基体３３にはその表面から裏面につ
ながる電気配線がなされている。裏面から出たリード線
３５は図２に示すように支持管４を通して制御部３に導
かれる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明における流
体検出装置は、流体検出素子がその基板から熱的に絶縁
された微小なダイアフラム部を有することから高感度、
高速応答、かつ低消費電力という特徴を持つ。また、一
対の流体案内板が流体検出素子の取付け面を果たすとと
もに、その上部の空間の乱れ成分の影響を排除し、広い
範囲の流れの仰角ψに対して流れを乱すことなく流体検
出素子へ流れを導いて安定した検出を可能にするととも
に、流体検出素子を外部から保護する働きもしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明における流体検出装置の検出部の外
観斜視図である。

【図２】第１の発明における流体検出装置の検出部の断
面図である。

【図３】この発明における流体検出装置を一部断面をも
って示す構成図である。

【図４】この発明における流体検出装置に用いられる流
体検出素子の斜視図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿って切断し、これを矢印方
向に見た断面図である。

【図６】第５図に示す流体検出素子のヒータエレメント
および測温抵抗エレメントの温度分布を示す動作説明図
である。

【図７】この発明における流体検出装置を自動車の塗装
ラインにて使用した状態の構成図である。

【図８】従来の流体検出装置の検出部の外観斜視図であ
る。

【図９】図８に示す流体検出装置のの検出部の断面図で
ある。

【図１０】図８および図９に示す流体検出部に用いられ
る流体検出素子の平面図である。なお図中、同一符号は
同一または相当部分を示す。

【符号の説明】

１　　流体検出装置 ２　　流体検出部 ３　　制御部 ４　　支持管 ５　　流体案内板 ６　　流体案内板 ７　　スペーサ ８　　曲面 ９　　曲面 １１　　流体検出素子 ２１　　基板 ２２　　空隙部 ２３　　ダイアフラム部 ２４　　ヒータエレメント ２５　　測温抵抗エレメント ２６　　測温抵抗エレメント ２７　　測温抵抗エレメント ２８　　ボンディングパッド ２９　　スリット ３０　　保護膜 ３１　　ボンディングワイア ３３　　取付け基体 ３５　　リード線 ４１　　パソコン ４２　　自動車 ４３　　塗装ブース Ａ　　流体検出素子の最大検出感度の方向Ｂ　　流体の
流れ方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板の一部に所定の空間を設けて薄肉
   状に形成されたダイアフラム部を形成するとともに、こ
   のダイアフラム部に発熱部と測温抵抗部とを設けること
   により流体検出素子を構成し、一方、一対の流体案内板
   をたがいにに所定の間隔をおいて対向させ、この流体案
   内板の中、少なくともいずれか一方の流体案内板におい
   て、他方の案内板と対向する面をこの他方の案内板に向
   かって突出する曲面とし、この曲面の頂部に上記流体検
   出素子を配設したことを特徴とする流体検出装置。