JPH06109510A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トランジスタを検出素子とした熱式流量計を
高温でも作動可能にする。 【構成】 測温トランジスタ１のベース側に加える定電
圧Ｄ_D と、検出トランジスタ２のベース側の基準電圧Ｄ
との差が、各トランジスタ１，２の温度差に対応するよ
う各電圧Ｄ_D ，Ｄを設定する。各トランジスタ１，２を
ブリッジ回路３の各辺に組み込み、各トランジスタ１，
２のコレクタ側よりブリッジ辺出力電圧Ｇ₁ ，Ｇ₂ を取
り出し、差動増幅器７の各入力端子に加え、差動電圧Ｓ
₁ を出力する。測温トランジスタ１のベース側には定電
圧Ｄ_D を加える。検出トランジスタ２のベース側には差
動増幅器７からの差動出力Ｓ₁ が加わり、このベース電
圧Ｖ_B2と基準電圧Ｄとの差を差動増幅器８で演算し、そ
の差動出力Ｓ₂ をヒータ４に加える。流速等によるヒー
タ４放熱分をヒータ４加熱により補償し、この加熱に要
した電圧が検出信号Ｖ_OUT となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流速や流量を検
出する検出素子としてトランジスタを用いた熱式流量計
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体の流速や流量を検出する検出素子と
してトランジスタを用いた熱式流量計の従来例が、図４
および図５に示されている。

【０００３】図４に示される熱式流量計は、流体温度ｔ
を検出する測温トランジスタ１と流体の流量や流速（以
下、流速という）を検出する検出トランジスタ２を有し
て構成されている。この検出トランジスタ２は自己発熱
してヒータ発熱体としての機能を有している。測温トラ
ンジスタ１と検出トランジスタ２はブリッジ回路３の各
ブリッジ辺に組み込まれており、各トランジスタ１，２
のエミッタ側にある入力端子10はグランド側に接続さ
れ、他方側の入力端子15は駆動用電源Ｖ_CC側に接続され
ている。

【０００４】この回路では、測温トランジスタ１の温度
ｔと検出トランジスタ２の温度ｔ′との温度差が常に一
定となるよう、制御回路18により検出トランジスタ２の
発熱が制御されている。

【０００５】この熱式流量計によれば、気流等の流速に
よって検出トランジスタ２が放熱して温度ｔ′が低下す
ると、検出トランジスタ２自身が放熱分だけ発熱駆動さ
れて測温トランジスタ１との温度差が常に一定となるよ
う保たれる。この検出トランジスタ２の放熱を補償する
検出トランジスタ２の発熱に要した電圧が、端子13より
流速の検出信号Ｖ_OUT として取り出される。

【０００６】図５は、図４の回路を改良したものであ
り、検出トランジスタ２の温度を正確に測定するよう第
２の測温トランジスタ６を設けて、より検出精度を高め
たものである。この熱式流量計においても、図２のもの
と同様に、測温トランジスタ１と検出トランジスタ２と
の温度差を常に一定に保つよう検出トランジスタ２の発
熱が制御され、この検出トランジスタ２の発熱に要した
電圧が流速等の検出信号として取り出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記両
従来例において、流速等の検出は検出トランジスタ２に
大量の電流、例えば100 ｍＡ程度の電流を流して検出ト
ランジスタ２を自己発熱させることによって行っていた
ので、周囲温度（流体温度）が高くなると制御回路18に
より、測温トランジスタ１と検出トランジスタ２との温
度差を一定に保つよう検出トランジスタ２を発熱させる
ため、周囲温度が高くなった分だけ検出トランジスタ２
の自己発熱量が大きくなり、検出トランジスタ２のコレ
クタ損失がますます大きくなって、周囲温度が、例えば
60℃以上の高温となるとトランジスタの定格値を超えて
しまうため、高温状態では使用できないという欠点があ
った。

【０００８】また、この種の熱式流量計では検出トラン
ジスタ２を自己発熱させるため、センサ駆動に通常12Ｖ
という高電圧を必要としていた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、周囲温度が高温状態
でもセンサとしての機能を損なわず、かつ、低電源駆動
可能な熱式流量計を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明の熱式流量計は、流体温度を検出する測温トランジ
スタと、流体の流量又は流速を検出する検出トランジス
タとがブリッジ回路の異なるブリッジ辺に設けられてお
り、前記検出トランジスタにはヒータが熱的に一体的に
結合され、この検出トランジスタと前記測温トランジス
タとの温度差が一定になるようにヒータ加熱を行うヒー
タ制御回路が設けられ、このヒータの印加電圧を流量又
は流速の検出信号としたことを特徴としている。

【００１１】

【作用】気流等の流体によって、ヒータによって加熱さ
れている検出トランジスタがヒータとともに放熱して、
検出トランジスタの温度が低下すると、ヒータ制御回路
によってヒータからの放熱分を補償するようにヒータを
発熱させ、このヒータの発熱に要した電圧が気流の流速
等の検出信号として取り出される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には本実施例に係る熱式流量計の一実施例が
示されている。

【００１３】同図において、ブリッジ回路３には流体温
度ｔを検出する測温トランジスタ１と、流速等を検出す
る検出トランジスタ２とが、それぞれ抵抗体Ｒ₁ ，Ｒ₂
とともに各ブリッジ辺に組み込まれており、抵抗体
Ｒ₁ ，Ｒ₂ 側の入力端子15は駆動用電源Ｖ_CC側に接続さ
れ、他方の入力端子10は定電流源16を介してグランド側
に接続されている。各抵抗体Ｒ₁ ，Ｒ₂ はそれぞれ同抵
抗値のものを、測温トランジスタ１と検出トランジスタ
２は同規格のトランジスタを使用している。

【００１４】また、図２の（ａ）に示すように、検出ト
ランジスタ２に近接させてヒータ４が検出トランジスタ
２と同一のアルミナ基板等の熱伝導性基板25の表面上に
設けられており、検出トランジスタ２とヒータ４はこの
熱伝導性基板25を介して熱的に一体構成されている。

【００１５】測温トランジスタ１のコレクタ側にあるブ
リッジ辺出力端子11からブリッジ辺出力電圧Ｇ₁ が取り
出され、差動増幅器７の反転入力端子に加えられる。一
方、検出トランジスタ２のコレクタ側にあるブリッジ辺
出力端子12からはブリッジ辺出力電圧Ｇ₂ が取り出され
て、差動増幅器７の非反転入力端子に加えられる。この
差動増幅器７の出力側は検出トランジスタ２のベース側
に接続される。

【００１６】測温トランジスタ１のベース側には定電圧
Ｄ_D が加えられる。一方、この定電圧Ｄ_D を抵抗体
Ｒ₁ ，Ｒ₂ により分圧して基準電圧Ｄを作り出し、これ
を端子14より取り出して差動増幅器８の反転入力端子に
加える。本実施例の熱式流量計は測温トランジスタ１と
検出トランジスタ２との温度差を一定にするよう制御す
るので、この基準電圧Ｄは測温トランジスタ１と検出ト
ランジスタ２との温度差に対応する電圧として設定され
る。すなわち、温度が上昇すると、図３に示すように、
トランジスタのベース・エミッタ間電圧は一定の割合で
減少するという特性があり、具体的には温度が１℃上昇
するとベース・エミッタ間電圧は約2.3 ｍＶ減少する。
したがって、例えば、測温トランジスタ１と検出トラン
ジスタ２との温度差を10℃に保つ場合は、2.3 ｍＶ×10
＝23ｍＶだけ基準電圧Ｄは定電圧Ｄ_Dよりも低く設定さ
れる。

【００１７】一方、差動増幅器８の非反転入力端子は検
出トランジスタ２のベース側に接続されている。すなわ
ち、本実施例の回路は測温トランジスタ１と検出トラン
ジスタ２との温度差が10℃等の一定の値になったとき、
したがって、測温トランジスタ１と検出トランジスタ２
のそれぞれのベース・エミッタ間の電圧差が10℃等の一
定の温度差に対応する値になったとき、平衡となるよう
に構成されている。

【００１８】前記差動増幅器８の出力側は増幅用トラン
ジスタ５のベース側に接続され、この増幅用トランジス
タ５のコレクタ側は駆動用電源Ｖ_CCに接続され、エミッ
タ側はヒータ４の一端側に接続され、ヒータ４の他端側
はグランド側に接続されている。このヒータ４に加えら
れた電圧が、端子13より流体の流量や流速（以下、流速
という）の検出信号Ｖ_OUT として出力される。

【００１９】この流速等を検出するためのヒータ４の発
熱制御は、差動増幅器７，８等より構成されるヒータ制
御回路17により行われている。

【００２０】次に、上記回路構成による本実施例の動作
を説明する。流体温度を検出する測温トランジスタ１
と、流速等を検出する検出トランジスタ２とは、それぞ
れの温度差が常に一定となるようヒータ４の加熱がヒー
タ制御回路17により行われて検出トランジスタ２が加熱
されている。

【００２１】気流等の流速により、ヒータ４と検出トラ
ンジスタ２が放熱してヒータ４と熱的に一体構成されて
いる検出トランジスタ２の温度ｔ′が低下すると、検出
トランジスタ２のベース・エミッタ間電圧は上昇してベ
ース電圧Ｖ_B2は増加する。増加したベース電圧Ｖ_B2は差
動増幅器８の非反転入力端子に加えられる。

【００２２】また、流速等によって検出トランジスタ２
のベース・エミッタ間電圧が上昇すると、検出トランジ
スタ２のコレクタ電流が減少する。したがって、検出ト
ランジスタ２側のブリッジ辺出力端子12から取り出され
るブリッジ辺出力電圧Ｇ₂ は増加して差動増幅器７の非
反転入力端子に加えられるので差動増幅器７からの差動
出力Ｓ₁ は増加する。増加した差動出力Ｓ₁ は、前記差
動増幅器８の非反転入力端子に加えられる。

【００２３】したがって、この差動増幅器８からの差動
出力Ｓ₂ は増加する。増加した差動出力Ｓ₂ はトランジ
スタ５に加えられて増幅され、ヒータ４に加えられるの
で、ヒータ４は放熱分だけ発熱する。

【００２４】検出トランジスタ２のベース電圧Ｖ_B2が基
準電圧Ｄと等しくなってブリッジ回路３が平衡状態とな
るまで、すなわち、ヒータ４の温度が測温トランジスタ
１の温度よりも10℃高くなるまでヒータ４に電圧が加わ
り、ヒータ４が加熱される。このヒータ４の加熱に要し
た電圧が流速等の検出信号Ｖ_OUT として端子13より取り
出される。

【００２５】本実施例によれば、周囲温度（流体温度）
と検出トランジスタの温度との温度差を常に一定に保つ
ために、検出トランジスタと熱的に一体構成となってい
るヒータを発熱させる構成にしたので、周囲温度が高く
なるに応じて検出トランジスタと周囲温度との温度差を
維持するためには検出トランジスタ２の自己発熱でな
く、ヒータ発熱が行われるので、検出トランジスタ２の
コレクタ電流は約100 μＡという従来に比べて１／1000
程度の非常に小さい電流を流せばよいため、コレクタ損
失が殆どなく、周囲温度が高温でもセンサとしての機能
を損なわない。したがって、動作環境温度が−20℃〜＋
120 ℃の広い範囲で使用できる。

【００２６】また、駆動用電源として従来は12Ｖ電源を
必要としたが、本実施例では検出トランジスタ２のコレ
クタ電流は小さいので、５Ｖ等の低電圧でよい。

【００２７】さらに、トランジスタのベース・エミッタ
間電圧は周囲温度に対し一定割合で変化するので、温度
差を保つための電圧制御がし易く、再現性・安定性に優
れている。

【００２８】さらに、ブリッジ回路３に測温トランジス
タ１と検出トランジスタ２とを組み込み、このブリッジ
回路３はヒータ制御回路17のフィードバックループに組
み込まれているので電源変動の影響を受けにくい。

【００２９】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、検出
トランジスタ２とヒータ４を熱的一体構成するために、
本実施例では図２の（ａ）に示すように、熱伝導性基板
25の上に検出トランジスタ２とヒータ４を搭載したが、
図２の（ｂ）に示すように熱伝導性基板25の表裏それぞ
れの面に検出トランジスタ２とヒータ４を対向させて別
に設けたり、図２の（ｃ）に示すように、基板26の上に
ヒータ４を載せ、更にその上に直接検出トランジスタ２
を搭載してもよい。

【００３０】さらに、差動増幅器７，８の代わりにコン
パレータ（比較器）を用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明では、測温トランジスタを検出ト
ランジスタとの温度差を一定にする制御を検出トランジ
スタの自己発熱でなく、検出トランジスタと熱的に一体
構成となっているヒータ発熱により行っているので、検
出トランジスタに流す電流は非常に少なくて済む。した
がって、検出トランジスタのコレクタ損失は殆どないの
で、周囲温度が高温となってもセンサとしての機能を損
なわず作動できる。

【００３２】また、検出トランジスタに流す電流は少な
くてよいので低電源駆動が可能となる。

【００３３】測温トランジスタと検出トランジスタとの
温度差を一定にする制御は、トランジスタのベース・エ
ミッタ間電圧が温度上昇に対し、一定の割合で減少する
ことを用いているので、電圧制御し易く、再現性・安定
性に優れた熱式流量計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱式流量計の一実施例を示す回路
図である。

【図２】検出トランジスタとヒータの熱的一体構造を示
す断面図である。

【図３】トランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度
に対する変化を示すグラフである。

【図４】検出素子にトランジスタを用いた熱式流量計の
従来例を示す回路図である。

【図５】図４の改良例を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 測温トランジスタ ２ 検出トランジスタ ３ ブリッジ回路 ４ ヒータ 17 ヒータ制御回路

フロントページの続き (72)発明者 久万田 明 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 村田 充弘 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体温度を検出する測温トランジスタ
   と、流体の流量又は流速を検出する検出トランジスタと
   がブリッジ回路の異なるブリッジ辺に設けられており、
   前記検出トランジスタにはヒータが熱的に一体的に結合
   され、この検出トランジスタと前記測温トランジスタと
   の温度差が一定になるようにヒータ加熱を行うヒータ制
   御回路が設けられ、このヒータの印加電圧を流量又は流
   速の検出信号とした熱式流量計。