JPH07333241A

JPH07333241A - マイクロブリッジ型感熱式流速検出素子および該素子を用いたフルイディック型ガスメーター

Info

Publication number: JPH07333241A
Application number: JP14543294A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tanabe; 誠田辺
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、（１）流速計測の精度と信頼性を
向上し、かつ長期的な安定性の維持しやすいマイクロブ
リッジ型感熱式流速検出素子の提供及び（２）全体とし
ての構成において信号処理・判定回路を複雑にせず、か
つ消費電力も低減することが可能であるガスメーターの
提供。【構成】基板上に形成された堀部と梁部および前記梁
部上に通電により発熱をおこなう発熱抵抗体を備えた感
熱素子を少なくとも有するマイクロブリッジ型感熱式流
速検出素子において、発熱体に大小２値の電力投入を間
欠的に行うことで周囲温度計測（小電力時出力）・加熱
流速計測（大電力時出力）・冷却待機（電力ゼロ）から
なる駆動サイクルを制御する駆動回路、測温信号と流速
信号の取り出し回路および前記測温信号を使用し流速信
号から周囲温度変動成分を除去する補正処理と流速換算
処理をおこなう回路を有することを特徴とするマイクロ
ブリッジ型感熱式流速検出素子及び該素子を用いたガス
メーター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流速・流量を測定する
機器およびガスメーターにかかわる。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計構成において、エッチング
技術により、Ｓｉ等の数ミリ角の小基板に堀を形成し、
その堀上空に微小な梁を渡し、梁上部に感熱部を形成す
ることにより、感熱部の熱容量を低減せしめ、基板及び
基板支持体への熱損を小さくすることが可能になる。こ
のため発熱・測温に要する投入電力の低減が図れる。流
量検出の方法としては、梁を熱し、梁と流体の温度差を
一定にするために投入された発熱体投入電力を出力とし
て検出することで流速を計測する方法がとられる。例え
ば、特開昭６１−２３５７２６号公報等に提案されてい
る構成がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の構成に
おいては、次の問題がある。梁と流体（室温）間の温度
差を一定にするように梁上の発熱体に電力供給を調整す
るが、室温（Ｔｒ）が変動すると、その変化分（δＴ
ｒ）と発熱体抵抗材料の温度係数（α）から算出される
抵抗値変化分（αとδＴｒの積に比例）が発熱体投入電
力の出力に含まれてしまう。つまり、ゼロ点における信
号強度である出力オフセットが変化してしまう。このた
め、室温が変化するごとに出力が変化し正確な流速の検
出ができなくなってしまう。さらに、長期使用に伴い、
高温と高い通電量にさらされる感熱部では熱履歴の悪影
響が起り、発熱体抵抗温度係数等が経時劣化を起こす。
この劣化により、素子の静特性が変化し出力オフセット
が経時変化を受ける。このため、長期間における正確な
流速の計測ができなくなってしまう。さらに、従来の感
熱部上昇温度を一定にするブリッジ回路を使う場合、素
子に形成された複数の抵抗体を使うので、素子製造工程
により抵抗体間でバラツキが生じた場合や、長期使用時
に経時劣化の進行が抵抗体間で違ってしまった場合は、
補正処理の前提である全抵抗体の物性が同じであるとい
う仮定がくずれるので、素子の出力特性の校正・補正処
理が無効になってしまう。また、従来のマイクロブリッ
ジ型感熱式流速検出素子では流量が大きくなるにしたが
いマイクロブリッジ素子の消費電力が大きくなるため、
大流量では同素子を切り、再び小流量になった際には、
また立ちあげるという操作をする処理系を設ける必要が
ある。本発明は、以上の問題点を改善することを目的と
するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、以下の手段を採用した。（手段１）マイクロブリッジ型感熱式流速検出素子にお
いて、マイクロブリッジ上に発熱用抵抗体を設け、大小
２値の電力投入を間欠的に行うことで周囲温度計測（小
電力時出力）・加熱流速計測（大電力時出力）・冷却待
機（電力ゼロ）からなる駆動サイクルを実行する回路を
設け、発熱体出力をサンプル・ホールドするＡ／Ｄ変換
回路からなる信号取り出し回路を設け、計測された周囲
温度信号をもとに流速信号から周囲温度変動成分を除去
する補正処理および流速換算処理をおこなうデジタル処
理回路を設ける。

【０００５】（手段２）マイクロブリッジ型感熱式流速
検出素子において、第一の抵抗体としてマイクロブリッ
ジ上に発熱用抵抗体を設け、大小２値の電力投入を間欠
的に行うことで周囲温度計測（小電力時出力）・加熱流
速計測（大電力時出力）・冷却待機（電力ゼロ）からな
る駆動サイクルを実行する回路を設け、別途に周囲温度
を計測する目的で素子基板に第二の抵抗体を設け、これ
を一定電流で駆動する回路を設け、発熱体出力と測温体
出力をサンプル・ホールドするＡ／Ｄ変換回路からなる
信号取り出し回路を設け、第二の測温体出力である周囲
温度信号をもとに第一の発熱体の経時劣化による抵抗率
変化分を計算し、該発熱体の周囲温度信号と流速信号を
補正する処理回路を設け、該発熱体により計測された周
囲温度信号をもとに発熱体流速信号から周囲温度変動成
分を除去する補正処理および流速換算処理をおこなう処
理回路を設ける。

【０００６】（手段３）手段１および手段２のマイクロ
ブリッジ型感熱式流速検出素子において、発熱体を大小
２値の非ゼロ値を持つ一定電流で駆動し、かつ下式
（１）を用いて温度補正を行う。

【数１】（式中、Ｉ₁、Ｉ₂は大小２値の非ゼロ値を持つ一定電
流。Ｉ₁が流速に不感な小強度、Ｉ₂が流速に感ずる大強
度。Ｖ₁はＩ₁通電時の電圧出力で周囲温度を表わす小信
号、Ｖ₂はＩ₂通電時の電圧出力で流速と周囲温度を表わ
す大信号。Ｋ₁、Ｋ₂は定数。Ｖ₂′は校正温度における
既知の小電流時出力値。）なお、前式（１）において、Ｖ₁とＶ₂は下式（２）を用
いて経時的な抵抗体劣化に対し補正処理を施した劣化補
正済信号Ｖ^*であってもよい。

【数２】（式中、Ｖは出力信号強度。Ｒｈは経時劣化で変動する
常温抵抗。Ｒｆは測温体抵抗値。Ｒｆｏは校正温度にお
ける既知のＲｆ抵抗値。）

【０００７】（手段４）フルイディック型ガスメーター
において、小流量計測用素子として手段１、２または３
のマイクロブリッジ型感熱式流速検出素子を用い、大流
量計測用素子としてフルイディック素子を用いる。

【０００８】〔作用〕（作用１）手段１に対応する作用である。小電力投入時
には流れにたいし不感になり発熱体出力は周囲温度Ｔｆ
の変化分のみを表わす値になる。また、大電力投入時に
は流れを感じるようになり発熱体出力は周囲温度Ｔｆの
変化分と流速Ｕに応じた値になる。ここで、周囲温度は
分以上の単位で変化するので小電力投入直後に大電力を
投入すれば周囲温度は同じものとみることができる。大
電力投入時の出力強度を決定する要因としては流速Ｕ
と、上昇温度ΔＴと、発熱抵抗体の常温における抵抗
と、発熱部の物理的特徴である熱損失率と放熱効率があ
る。ここで、ＵとΔＴは本来周囲温度依存は持たない。
抵抗体自体はそもそも周囲温度依存を持つが、それに加
えて、我々の研究から熱損失率と放熱効率も共に周囲温
度依存を示すことが判明している。抵抗体の常温抵抗値
と熱損失率の変化はオフセット変動に起因し、熱損失率
と放熱効率の変化は流速依存性曲線の傾き変動に起因す
る。小電力投入時出力をｆ₁（Ｔｆ）とし、大電力投入
時出力をｆ₂（Ｕ，Ｔｆ）とすると、温度補正済みの流
速信号は

【数３】で計算することが可能である。ここでｃ₁とｃ₂は定数で
ある。積ｃ₁ｆ₁は周囲温度の変動分が入った大電力投入
時の発熱体出力オフセットで、積ｃ₂ｆ₁は大電力投入時
の発熱体出力の流量依存（傾き）の周囲温度変動にたい
する補正量である。したがって、小電力投入と大電力投
入を短い時間内に続けておこない、また、式（３）で出
力信号から温度依存成分を除去することで流速計測精度
を向上させることが可能になる。また、本素子構成で
は、流量信号と補正信号を発生させる手段は同一な発熱
体のみであるので、素子製造工程のバラツキや、経時劣
化進行による抵抗体間での特性のバラツキという状況は
起こらないので、発熱体温度を一定にする従来の駆動方
式にくらべ、素子の出力特性の校正・補正処理が無効に
なってしまうような問題は起こりにくく、長期的な特性
の安定性が確保しやすい。また、初期設定時の校正作業
も単純になる。

【０００９】（作用２）手段２に対応する作用である。
一般に温度変化に線形依存を持つＰｔ等で形成された測
温体抵抗Ｒは

【数４】Ｒ＝Ｒ₀（１＋αδＴｆ） ……（４）で表わされる。ここでＲ₀は常温における抵抗値で、α
は常温における抵抗温度変化率である。δＴｆは流体温
度の初期校正温度からの変化分である。発熱体に関し、
高温にさらされるため長期使用に際しＲ₀は変化してし
まい出力信号は流速を正確に表わさなくなる。このた
め、長期使用に対する補正が必要である。第二の測温体
を発熱・感熱部から熱的に離れた基板の個所、例えば素
子基板縁に設けることで発熱部にかかる同じ流体の温度
が計測できる。また、この測温体には自己発熱を起こさ
ない程度の小さい電流しか流さないものとする（例え
ば、１００μＡ以下）。そうすることで、測温体の熱履
歴による劣化は無く、測温体の抵抗物性は校正基準とし
て使える。前式（４）から測温体抵抗Ｒｆは

【数５】Ｒｆ＝Ｒｆｏ（１＋αδＴｆ） ……（５）ここでＲｆｏは校正温度における既知の抵抗値である。
また、発熱体による小電力の測定から流体温度を表わす
抵抗Ｒｈとして

【数６】Ｒｈ＝Ｒｈｏ（１＋αδＴｆ） ……（６）が得られる。ここで、Ｒｈｏは校正温度における既知の
抵抗値であり、長期使用では疲労でその値が変化する。
通常δＴｆは数度以下でαが３０００ｐｐｍ／℃程度で
あるＰｔなどではαδＴｆ項は０．３％以下であり、Ｒ
ｈｏの変動を解析するさいには無視できる（もしくは、
αδＴｆ項が無視できる程度の周囲温度になったときの
み以下の補正をおこなう）。つまり、疲労前のＲｈｏを
Ｒｈｏ^*とし、劣化による変化率をγとすると、

【数７】Ｒｈｏ＝γＲｈｏ^* ……（７ａ）になる。γがわかれば劣化に対する補正ができる。δＴ
ｒによらず、式（５）と（６）と（７ａ）から、

【数８】となる。ここで、Ｉ₂は発熱体に通電する電流量で、Ｖ₂
は通電した結果おこる発熱体両端電圧で、Ｖ₂′は校正
温度における既知の電圧値。定電流Ｉで駆動する場合は
出力は電圧であるので、劣化効果を含む出力信号強度Ｖ
は式（７ａ）から、

【数９】と表わせる。式（７ｂ）と（８）から劣化補正済信号Ｖ
^*は

【数１０】となり、第二の測温体出力をみることで劣化補正が可能
になることがわかる。次に、劣化補正を施した小電力投
入と大電力投入の信号を使い式（３）で出力信号から温
度依存成分を除去する。以上の処理をおこなうことで流
速計測の長期信頼性を向上させることが可能になる。

【００１０】（作用３）手段３に対応する作用である。
２つの非ゼロ一定電流Ｉ₁、Ｉ₂で発熱体を駆動すると、
Ｉ₁が流速に不感な小強度でＩ₂が流速に感ずる大強度と
すると小信号Ｖ₁は周囲温度を表わし大信号Ｖ₂は流速と
周囲温度を表わす。式（３）を定電流駆動方式にあては
めると、温度変動分を除去した流量信号は

【数１１】となる。ここでＫ₁とＫ₂は定数であり、Ｖ₂′は校正温
度における既知の小電流時出力値である。Ｖ₁とＶ₂は式
（２）の補正を施したものでもよい。以上の処理をおこ
なうことで温度補正もしくは劣化補正と温度補正をおこ
なうことが可能となり、流速計測の精度と信頼性を向上
することが可能になる。

【００１１】（作用４）手段４に対応する作用である。
定電流で発熱体を駆動すると流れが大きいほど消費電力
が小さくなる（図１）。測定流域を分割しマイクロブリ
ッジ素子で小流量を計測し、フルイディック素子で大流
量を計測するガスメーターの構成を考える。従来型では
流量が大きくなるにしたがいマイクロブリッジ素子の消
費電力が大きくなるため、大流量では同素子を切り、再
び小流量になった際には、また立ちあげるという操作を
する処理系を設ける必要がある。これにたいして、定電
流で駆動する本発明では、消費電力は大流量ではより小
さいため切り替え処理をおこなう必要がなくなる。この
ため、ガスメーター全体としての構成において信号処理
・判定回路を複雑にせずガスメーター全体の消費電力も
低減することが可能である。

【００１２】

【実施例】次に本発明の手段および作用を実施例に基づ
いて具体的に説明する。実施例１図２は、本実施例における素子構成を示す。図３は、本
実施例における素子構成と駆動・検出用電気回路と演算
回路の構成を示す。流速検出部は感熱素子および支持体
から構成される。感熱素子の作成に関し説明する。Ｓｉ
基板上面に酸化処理法、スパッター真空製膜法等を使い
熱絶縁材であるＳｉＯ₂層を形成する。膜厚は０．５〜
２μｍである。エッチング法により、図２に示す流体進
入を促す形状を持つ堀部及び梁部を形成する。堀部の深
さは測定する最小流速でできる熱境界層以上にする必要
があり、本実施例では１５０μｍ以上とした。梁部及び
抵抗体構成は以下のとおりである。発熱体Ｒｈを形成す
る梁上面に、発熱体層と基板間の密着性を向上させるた
めＴａ₂Ｏ₅層を形成する。図１に示すように、Ｔａ₂Ｏ₅
層上部、梁中央部に抵抗率の高い金属であるＰｔからな
る発熱体を形成する。Ｐｔ抵抗層の厚みは臨界密度を十
分下回る様にする条件と、抵抗値設定の条件から５００
〜５０００Ａがよい。さらに発熱体上部に保護層との接
合を向上させるためにＴａ₂Ｏ₅層を形成する。同Ｔａ₂
Ｏ₅層で保護層を兼ねてもよい。このとき、密着強度補
強層と抵抗層は蒸着法、ＥＢ蒸着法、またはスパッター
法等の真空製膜法で形成する。形状切り出しは、リフト
オフ法、Ａｒスパッターエッチング法等で行う。下部、
上部密着強度補強層であるＴａ₂Ｏ₅層は薄いほどよい
が、ＳｉＯ₂保護層を形成する場合は、Ｐｔとの整合性
を確保するため１００〜７００Ａがよい。保護層は、測
温体感度向上のためには熱容量を減少させるという目的
と量産性を向上させる目的から薄いほうがよいが、保護
膜としては厚いほうが好ましい。このため、８００〜５
０００Ａの範囲に膜厚をおさえるとよい。保護層はＳｉ
₃Ｎ₄でもよい。本実施例の素子構成は以上のとおりであ
るが、基板材はエッチングしやすい材料であればＳｉで
なくともよい。また、熱絶縁層はＳｉ₃Ｎ₄や、金属酸化
物であるＴａ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃でもよい。さらに、ＳｉＯ
₂層とＳｉ₃Ｎ₄層を組み合せた多層膜でもよい。また、
密着強度補強層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｉＣｒ、Ｔｉ
Ｎてもよい。発熱体と測温体は、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａでもよ
い。また、これらの材料に限定されるものではなく、抵
抗率に温度依存性を持つ材料であれば適用できる。上記
構成の感熱素子二つをセラミック材からなる支持体に搭
載し、電極を介し制御・信号検出回路に接続する。素子
支持体は電気的、熱的に絶縁性が高い材料であればセラ
ミックである必要はない。次に、周囲温度計測・加熱流
速計測・冷却待機の駆動サイクルにしたがって発熱体を
２値の投入電力で間欠駆動する駆動回路を設ける。そし
て、発熱体出力信号をデジタル化するＡ／Ｄ回路を設け
る。デジタル信号から式（３）に則った温度補正処理を
し、さらに、流速もしくは流量に変換する換算処理をお
こなうデジタル信号処理回路を設ける。

【００１３】実施例２図４は本実施例における素子構成の平面図を示す。図５
は本実施例における素子構成と駆動・検出用電気回路と
演算回路の構成を示す。発熱体は実施例１のものと同様
にして作成した。発熱体の形成と同時に熱的に発熱体か
ら隔離された基板面部分に、流体温度用測温体ＲｆをＰ
ｔで形成する。この測温体は、発熱・感熱部から熱的に
離れた基板縁に設置するのが好ましい。駆動回路におい
て一定電流をＲｆに通電するために定電流回路を設け
る。Ａ／Ｄ回路は２チャンネル構成にし、１チャンネル
を発熱体Ｒｈ出力の検出に使い、もう１チャンネルを測
温体Ｒｆ出力の検出に使う。デジタル処理回路において
は、前式（２）の演算処理をおこなうソフトウエアを搭
載する。

【００１４】実施例３感熱素子は、実施例１のものと同様にして作成した。非
ゼロ２値の定電流を発熱体に投入する制御回路を設け
る。デジタル処理回路においては、式（１）の演算処理
をおこなうソフトウエアを搭載する。

【００１５】実施例４実施例４におけるフルイディック型ガスメーターを図４
に示す。該ガスメーターに実施例３の感熱素子を利用し
た。

【００１６】

【効果】

（１）手段１によると、流量信号と補正信号を発生さ
せる手段は同一な発熱体のみであるので、素子製造工程
のバラツキや、経時劣化進行による抵抗体間での特性の
バラツキという状況は起こらないので、発熱体温度を一
定にする従来の駆動方式にくらべ、素子の出力特性の校
正・補正処理が無効になってしまうような問題は起こり
にくく、長期的な特性の安定性が確保しやすい。また、
初期設定時の校正作業も単純になる。（２）手段２によると、測温体の熱履歴による劣化補
正を施した小電力投入と大電力投入の信号を使い出力信
号から温度依存成分を除去することで流速計測の長期信
頼性を向上させることが可能になる。（３）手段３によると、温度補正もしくは劣化補正と
温度補正をおこなうことが可能となり、流速計測の精度
と信頼性を向上することが可能になる。（４）手段４によると、ガスメーター全体としての構
成において信号処理・判定回路を複雑にせずガスメータ
ー全体の消費電力も低減することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】定電流駆動における感熱素子の消費電力と流量
の関係を示す図である。

【図２】実施例１における感熱素子の構成を示す図であ
る。

【図３】実施例１における感熱素子と駆動・演算回路の
構成を示す図である。

【図４】実施例２における感熱素子の構成を示す図であ
る。

【図５】実施例２における感熱素子と駆動・演算回路の
構成を示す図である。

【図６】実施例４におけるガスメーターの構成を示す図
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された堀部と梁部および前
記梁部上に通電により発熱をおこなう発熱抵抗体を備え
た感熱素子を少なくとも有するマイクロブリッジ型感熱
式流速検出素子において、発熱体に大小２値の電力投入
を間欠的に行うことで周囲温度計測（小電力時出力）・
加熱流速計測（大電力時出力）・冷却待機（電力ゼロ）
からなる駆動サイクルを制御する駆動回路、測温信号と
流速信号の取り出し回路および前記測温信号を使用し流
速信号から周囲温度変動成分を除去する補正処理と流速
換算処理をおこなう回路を有することを特徴とするマイ
クロブリッジ型感熱式流速検出素子。
【請求項２】請求項１記載のマイクロブリッジ型感熱
式流速検出素子において、基板部に周囲温度を測温する
抵抗体よりなる測温体、該測温体を一定電流で駆動する
回路、および前記測温体出力をもとに発熱体経時劣化を
補正する回路を有するマイクロブリッジ型感熱式流速検
出素子。
【請求項３】請求項１または２記載のマイクロブリッ
ジ型感熱式流速検出素子において、発熱体を大小２値の
非ゼロ値を持つ一定電流で駆動する回路を有するマイク
ロブリッジ型感熱式流速検出素子。
【請求項４】少流量計測用素子として、請求項１、２
または３記載のマイクロブリッジ型感熱式流速検出素子
を用いることを特徴とするフルイディック型ガスメータ
ー。