JPH08159834A

JPH08159834A - 感熱式流量計

Info

Publication number: JPH08159834A
Application number: JP6307269A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tanabe; 誠田辺; Shigeyuki Ito; 茂行伊藤
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: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｓ／Ｎの改善を図り、正確な流量測定が可能
な感熱式流量計を提供する。【構成】マイクロブリッジ素子１における梁５の全幅
Ｗｂに対する発熱体Ｒｈにより発熱される発熱領域幅Ｗ
ｈの発熱領域占有率（＝Ｗｈ／Ｗｂ）を約３５％〜５０
％の範囲内、好ましくは、発熱領域幅Ｗｈ＝１２０〜１
７０μｍに設定することにより、発熱体Ｒｈの出力−流
量曲線を高い線形性に保つようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体の流速を測定する
感熱式流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な感熱式流量計におけるマ
イクロブリッジ素子の構造としては、基板を異方性エッ
チングして堀を形成し、その堀の上空に梁を渡し、この
梁上に感熱部を作成することにより構成される。すなわ
ち、梁の中央に発熱体を配線し、この発熱体に近接して
発熱測温体を配線し、また、その発熱体の上流と下流に
それぞれ上流測温体、下流測温体を配線することによっ
て感熱部を作成し、さらに、その梁から離れた位置の基
板上に室温測温体を配線することによってマイクロブリ
ッジ素子を構成する。このようなマイクロブリッジ素子
を備えた感熱式流量計において、信号検出を行う場合に
は、発熱体と室温測温体と（発熱測温体を含む場合もあ
る）の間でブリッジ回路を組み込んで出力された発熱体
信号、又は、上流測温体と下流測温体との間でブリッジ
回路を組み込んで出力された温度差信号を用いて演算処
理を行い流量に換算している。

【０００３】また、信号検出精度を高めるために、梁を
スリットにより２分割し、その分割された梁に跨って発
熱体を配線すると共に、上流側の梁に上流測温体のみを
配線し、下流側の梁に下流測温体のみを配線することに
よって、流体の流れがない場合には同一電力では上・下
の梁間に温度差は生じないことを利用して、流量０の時
点では上流・下流の測温体の出力値を常に０にして測定
する流量の校正を行ったものがある（特開昭６０−１４
２２６８号公報等参照）。

【０００４】また、信号処理に際して、温度差信号（又
は発熱体信号）をＡ／Ｄ変換し、近似曲線（又は変換
表）を用いて校正し流量に換算することにより、温度等
の環境変化や経時変化の影響をなくして流量を測定する
方法が提案されている（特開平３−５３１２７号公報等
参照）。

【０００５】また、広域に渡って流量を測定する目的
で、フルイディック流量計の流路中に感熱式流量計のマ
イクロブリッジ素子を配置させ、フルイディック素子の
測定不感域である低流量域の測定を行ったものがある
（特開昭５９−６８６２４号公報等参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８（ａ）は、温度差
特性、すなわち、温度差信号の出力に対する流量の特性
（出力−流量曲線）を示す。流量０からＡまでは直線性
があるが、Ａを超えた流量域では直線性をそこなってし
まう。図８（ｂ）は、発熱体特性、すなわち、発熱体信
号の出力に対する流量の特性を示す。流量Ｂ以上では直
線性があるが、Ｂ以下の流量域では直線性をそこなって
しまう。このように温度差特性では高い流量域において
減少傾向をもち、また、発熱体特性では０付近の流量域
で増加傾向をもつ。これにより、検出された信号から流
量への換算段階において、演算処理（多項式、表参照
等）が複雑化し作業効率に問題がある。しかも、高次の
項が含まれた特性曲線に線形処理を施すような場合に
は、ばらつきが増幅され、実質的なＳ／Ｎが低下すると
いう問題が生じる。

【０００７】また、図８に示したような出力−流量曲線
は、周囲温度等の環境変化や経時変化の影響がある。発
熱体特性では、特に流量０における発熱体の温度変化率
に闘争するだけの変動がある（Ｐｔを発熱体とした場合
は約２５００ｐｐｍ／°Ｃ）。一方、温度差特性では、
上流・下流の測温体の抵抗値が完全に同じであれば流量
０においては出力は常に０となるため流量の依存はない
が、実際には製造工程の段階や経時的劣化により抵抗値
にばらつきが生じる。このようなことから、流量０でも
温度依存性が生じ、しかも、周囲温度が変化すると放熱
特性も影響を受けるため、特性曲線の傾きの度合いが変
化してしまい正確な校正処理を行うことができない。

【０００８】また、感熱式流量計のマイクロブリッジ素
子をフルイディック流量計に組込んだガスメータ等の応
用を考えた場合、流路形状による制約や、マイクロブリ
ッジ素子を流体の流れの中に配置することにより流れ自
体が変化してしまい、これにより流れ分布に乱れを生じ
必ずしも正確な流量検出を行うことができないという問
題がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、基板をエッチングして形成された堀と、この堀の上
部をまたぐように形成された梁と、この梁の中央部に配
線された発熱体Ｒｈと、この発熱体Ｒｈに隣接して配線
された発熱測温体Ｒｓと、梁上の発熱体Ｒｈの上流側に
配線された上流測温体Ｒｕと、梁上の発熱体Ｒｈの下流
側に配線された下流測温体Ｒｄと、梁から離れた位置の
基板上に配線された室温測温体Ｒｆとを有するマイクロ
ブリッジ素子を備え、このマイクロブリッジ素子の発熱
体Ｒｈと室温測温体Ｒｆとから発熱量に比例して出力さ
れた発熱体信号と、上流測温体Ｒｕと下流測温体Ｒｄと
から抵抗による温度差に比例して出力された温度差信号
とを用いて流量換算処理を行う感熱式流量計において、
梁の全幅Ｗｂに対する発熱体Ｒｈにより発熱される発熱
領域幅Ｗｈの発熱領域占有率（＝Ｗｈ／Ｗｂ）を約３５
％〜５０％の範囲に設定した。

【００１０】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、梁上の発熱体Ｒｈにより発熱される発熱
領域幅Ｗｈを、１２０μｍ〜１７０μｍの範囲に設定し
た。

【００１１】請求項３記載の発明では、基板をエッチン
グして形成された堀と、この堀の上部をまたぐように形
成された梁と、この梁の中央部に配線された発熱体Ｒｈ
と、この発熱体Ｒｈに隣接して配線された発熱測温体Ｒ
ｓと、梁上の発熱体Ｒｈの上流側に配線された上流測温
体Ｒｕと、梁上の発熱体Ｒｈの下流側に配線された下流
測温体Ｒｄと、梁から離れた位置の基板上に配線された
室温測温体Ｒｆとを有するマイクロブリッジ素子を備
え、このマイクロブリッジ素子の発熱体Ｒｈと室温測温
体Ｒｆとから発熱量に比例して出力された発熱体信号
と、上流測温体Ｒｕと下流測温体Ｒｄとから抵抗による
温度差に比例して出力された温度差信号とを用いて流量
換算処理を行う感熱式流量計において、流量０付近の微
小流量域では温度差信号の出力を直線近似式で流量に換
算し、かつ、微小流量域以外の他の流量域では発熱体信
号の出力を直線近似式で流量に換算する流量換算手段を
備えるようにした。

【００１２】請求項４記載の発明では、請求項１，２又
は３記載の発明において、室温測温体Ｒｆの両端の電圧
から室温信号を出力する室温信号出力手段と、室温信号
をもとに発熱体信号と温度差信号とに対してオフセット
除去処理及び温度補正処理を行う演算処理校正手段とを
感熱式流量計に備えるようにした。

【００１３】請求項５記載の発明では、請求項１，２，
３又は４記載の発明において、発熱体信号と温度差信号
と室温信号とのデジタル標本の平均化を行う標本平均化
処理手段と、オフセット除去処理及び温度補正処理の前
・後で平均化処理された信号のうちの全部又は一部の信
号に対してローパスフィルタ処理するローパス化手段と
を感熱式流量計に備えるようにした。

【００１４】請求項６記載の発明では、請求項５記載の
発明において、流体の流れの中にフルイディック振動を
発生させるフルイディック素子を設け、このマイクロブ
リッジ素子の検出面に直交する流路面から前記マイクロ
ブリッジ素子の先端までの距離Ｈを、前記検出面に平行
な流路面間の距離Ｗ以上の長さ（＝Ｈ≧Ｗ）に設定し
た。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明においては、マイクロブリ
ッジ素子における梁の全幅Ｗｂに対する発熱体により発
熱される発熱領域幅Ｗｈの発熱領域占有率（＝Ｗｈ／Ｗ
ｂ）を約３５％〜５０％の範囲内に設定することによ
り、発熱体による発熱領域を梁のほぼ中央部付近のみに
集約させることができる。このように素子構造の機械的
な変形によって、発熱体の出力に対する流量の特性（出
力−流量曲線）をほぼ正比例な線形の関係に保つ校正処
理を行うことができる。

【００１６】請求項２記載の発明においては、発熱体に
より発熱される発熱領域幅Ｗｈを１２０μｍ〜１７０μ
ｍの範囲に設定したことにより、発熱領域の梁の中央部
付近への集約度をさらに高めることができる。これによ
って、一段と厳密な発熱体の出力−流量曲線を得ること
ができる。

【００１７】請求項３記載の発明においては、流量換算
手段により流量０付近の微小流量域で温度差信号の出力
が直線近似式で流量に換算されると共に、微小流量域以
外の他の低流量域で発熱体信号の出力が直線近似式で流
量に換算される。このように、信号出力から流量への換
算処理は１次式のみを使用するだけでよく、演算による
ソフト的な処理を行うことによって、発熱体の出力に対
する流量の特性（出力−流量曲線）をほぼ正比例な線形
の関係に保つ校正処理を行うことができる。

【００１８】請求項４記載の発明においては、室温信号
出力手段により出力された室温信号を用い、演算処理校
正手段により発熱体信号と温度差信号とに対してオフセ
ット除去処理及び温度補正処理を行うことによって、流
量計測の際に、周囲温度等の環境変化や梁の熱的変形に
よる経時変化の影響を受けにくくすることができる。

【００１９】請求項５記載の発明においては、標本平均
化処理手段により各信号のデジタル標本の平均化を行
い、ローパス化手段によりそれら平均化処理された信号
に対してローパスフィルタ処理することによって、特
に、間欠駆動時における信号処理の安定化を図ることが
できる。

【００２０】請求項６記載の発明においては、マイクロ
ブリッジ素子の検出面に直交する流路面からマイクロブ
リッジ素子の先端までの距離をＨとし、検出面に平行な
流路面間の距離をＷとしたとき、Ｈ≧Ｗの長さ関係に設
定したことによって、発熱体の出力−流量曲線を、フル
イディック素子の測定不感域である低流量域側で正比例
な１次式の関係にすることができる。

【００２１】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１及び図２に基づ
いて説明する（請求項１，２記載の発明に対応する）。
まず、感熱式流量計のマイクロブリッジ素子１の構造を
図１（ａ）（ｂ）に基づいて述べる。基板２はＳｉから
なっており、この基板２の表面には酸化膜処理法、スパ
ッター蒸着法等を用いて熱絶縁層（ＳｉＯ₂ 層）を形成
する。なお、熱絶縁層としては、ＳｉＯ₂ の他に、Ｓｉ
₃Ｎ₄や金属酸化物であるＴａ₂ Ｏ₅ 、Ａｌ₂Ｏ₃、さらに
は、ＳｉＯ₂ とＳｉ₃Ｎ₄とを組合わせた多層膜等でもよ
い。いずれの場合にも膜厚は、０．５μｍ〜２μｍとす
る。

【００２２】そして、ＫＯＨによる異方性エッチングに
より、堀３を形成し、さらに、その堀３の上部に複数の
スリット４により３分割された梁５を形成する。梁５の
面上に密着強度補強層としてのＴａ₂Ｏ₅層を形成した
後、その補強層上の梁中央部に比抵抗の高い金属である
Ｐｔからなる発熱体Ｒｈを配線する。この発熱体Ｒｈに
隣接した状態で、抵抗温度係数の高いＰｔからなる発熱
体温度測定用の発熱測温体Ｒｓを配線し、また、梁５の
上流側にＰｔからなる上流測温体Ｒｕを、下流側にＰｔ
からなる下流測温体Ｒｄを同一形状で配線する。さら
に、発熱体Ｒｈから熱的に隔離された基板２の面上に、
Ｐｔからなる流体温度測定用の室温測温体Ｒｆを配線す
る。この室温測温体Ｒｆは、流体の流れ６に対して最も
上流でかつ発熱・感熱領域から離れた箇所に設置するこ
とが望ましい。Ｐｔの抵抗層は、臨界密度を十分に下回
るようにする条件と、抵抗値設定の条件から５００Å〜
５０００Å程度がよく、好ましくは、１０００Å〜２０
００Åに設定する。発熱体Ｒｈ、各測温体Ｒｓ，Ｒｕ，
Ｒｄ，Ｒｆは、蒸着法、ＥＢ蒸着法、スパッター法等の
方法により成膜し、また、リフトオフ法、Ａｒのスパッ
ターエッチング法等を用いて所望とする形状に切り出す
ことができる。なお、発熱体Ｒｈと、各測温体Ｒｓ，Ｒ
ｕ，Ｒｄ，Ｒｆは、Ｐｔの他に、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａ等を用
いてもよい。密着強度補強層としては、Ｔａ₂Ｏ₅の他
に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｉＣｒ、ＴｉＮ等を用いても
よい。

【００２３】発熱体Ｒｈと各測温体Ｒｓ，Ｒｕ，Ｒｄ，
Ｒｆとの上部に、密着強度補強層としてのＴａ₂Ｏ₅層を
形成した後、保護層を積層する。保護層は、Ｔａ₂Ｏ₅に
より兼ねてよく、Ｓｉ₃Ｎ₄により形成してもよい。ま
た、その保護層は、測温体感度向上のために、熱容量を
減少させ量産性を向上させる目的から薄い方がよいが、
保護のためにはある程度の厚さが必要なことから、８０
０Å〜５０００Å程度の膜厚とするのがよい。上下２層
からなる密着強度補強層は、Ｐｔとの整合性を確保する
ために、１００Å〜７００Å程度の膜厚に形成する。な
お、以上述べたような各材料に限定されるものではな
く、比抵抗特性に温度依存性をもつ材料であればよい。

【００２４】上述したような構造とされたマイクロブリ
ッジ素子１において、梁５の寸法及び発熱領域を以下の
ように設定する。３分割された梁５の全幅Ｗｂに対する
発熱体Ｒｈにより発熱される発熱領域幅Ｗｈの発熱領域
占有率Ｑ（＝Ｗｈ／Ｗｂ）を、Ｑ＝３５％〜５０％の範
囲内に設定する。このとき、発熱領域幅Ｗｈ＝１２０μ
ｍ〜１７０μｍの範囲とする。なお、梁５の全長は、Ｌ
＝７００μｍ〜１２００μｍとする。

【００２５】以下、発熱領域占有率Ｑ及び発熱領域幅Ｗ
ｈを上記条件に設定した理由について述べる。図２は、
発熱体Ｗｈの発熱領域占有率Ｑに対するマイクロブリッ
ジ素子１の出力特性の実験結果を示す。縦軸において、
Ｐは０．７５ｍ／ｓにおける発熱体Ｗｈの消費電力、Ｓ
／Ｎは０．７５ｍ／ｓにおける信号強度と変動成分のｄ
Ｂ比（＝２０×ｌｏｇＶ_sigal／Ｖ_noise）、ｎは０．２
〜１ｍ／ｓの流量域の発熱体出力の直線性をそれぞれ示
す。横軸は、発熱領域占有率Ｑを示す。このグラフから
わかるように、発熱領域占有率Ｑ＝３５〜５０％の範囲
でｎ＝０．８５以上の値を示し、１の値に近くなる。こ
のように１に近いということは、発熱体Ｒｈの出力−流
量曲線（図８参照）における１次項が強いすなわち線形
性が高いということを意味する。また、Ｓ／Ｎは、発熱
領域占有率Ｑが４０％以下では小さくなる傾向にあり、
それ以上の値では大きくなる。Ｐは、発熱領域占有率Ｑ
が３０％以上の値ではほとんど変わらない値を示す。従
って、このような実験結果を考慮して、発熱領域占有率
をＱ＝３５〜５０％の範囲に設定し、好ましくは、４０
％程度に設定する。本実施例の図１のマイクロブリッジ
素子１においては、梁５の発熱領域幅Ｗｈを全幅Ｗｂの
面積に対して４０％となるように、Ｗｈ＝１４０μｍに
設定した。これにより、Ｗｂ＝３５０μｍとなる。ま
た、梁５の全長はＬ＝１０００μｍに設定した。

【００２６】このように梁５の全幅Ｗｂに対する発熱領
域幅Ｗｈの発熱領域占有率をＱ＝３５％〜５０％の範囲
内に設定することによって、発熱体Ｗｈによる発熱領域
を梁５のほぼ中央部付近のみに集約させることができる
ため、発熱体Ｒｈの出力−流量曲線をほぼ正比例な線形
関係に保つことができる。また、これにより、Ｓ／Ｎを
向上させることができるため流量の測定精度を高めるこ
とができ、さらに、梁５の発熱領域における発熱効率を
向上させることができるため、消費電力の低減化を図る
ことができる。この場合、特に、発熱領域幅をＷｈ＝１
２０μｍ〜１７０μｍの範囲に設定することにより、梁
５の設計・製作上及び機械的強度上、さらには発熱領域
の梁５の中央部付近への集約度の面からさらに有効なも
のとすることができる。

【００２７】次に、本発明の第二の実施例を図１及び図
３に基づいて説明する（請求項３記載の発明に対応す
る）。なお、前述した第一の実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００２８】図１のマイクロブリッジ素子１において、
発熱体Ｒｈと、発熱測温体Ｒｓと、室温測温体Ｒｆと、
平衡用抵抗体（図示せず）とは、ブリッジ回路（図示せ
ず）を構成している。発熱体Ｒｈには駆動回路１０が接
続され、その駆動回路１０にはこれを間欠的に駆動制御
する駆動論理回路１１が接続されている。また、上流測
温体Ｒｕと、下流測温体Ｒｄとは、定電圧源回路（図示
せず）を構成している。そして、このようなブリッジ回
路と定電圧源回路とは、Ａ／Ｄ変換回路１２に接続され
ている。そのＡ／Ｄ変換回路１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、
ＲＡＭ等からなる演算処理回路１３に接続されている。
この演算処理回路１３のＲＯＭには、流量換算手段１４
が記憶されている。この流量換算手段１４は、流量０付
近の微小流量域では温度差信号８の出力を直線近似式で
流量に換算し、微小流量域以外の他の流量域では発熱体
信号７の出力を直線近似式で流量に換算する（なお、詳
細な構成は後述する図３を参照）。

【００２９】以下、流量換算手段１４の動作を中心に説
明する。ブリッジ回路では、室温測温体Ｒｆで監視する
流体温度に対して発熱体Ｒｈの温度が一定の温度差を保
つように、発熱体Ｒｈへの投入電力を調整しており、発
熱体Ｒｈの発熱量に比例した発熱体信号７（電圧出力）
が出力される。また、定電圧源回路では、上流測温体Ｒ
ｕと下流測温体Ｒｄとから各抵抗体の温度に比例した抵
抗値を温度差信号８（電圧出力）として出力する。これ
ら発熱体信号７と温度差信号８とは、Ａ／Ｄ変換回路１
２にて差分信号とされデジタル信号に変換され、演算処
理回路１３に送られる。この演算処理回路１３において
は、流量換算手段１４によって、０〜０．２５ｍ／ｓの
流量域においては温度差信号８を直線近似式を用いて流
量に換算処理し、また、０．２５〜１．５ｍ／ｓの流量
域においては発熱体信号７を直線近似式を用いて流量に
換算処理する。ここでいう直線近似式とは、前述した図
８（ａ）では０〜Ａ領域までの直線状の近似曲線に相当
し、図８（ｂ）ではＢ領域以上の直線状の近似曲線に相
当する。ただし、ここでの直線近似式を示す直線状の近
似曲線は、０〜１．５ｍ／ｓまでの広範囲に渡って一定
の線形性をもつものとする。従って、このように線形性
が向上した出力−流量曲線を用いて流量への換算処理を
行うことによって、演算処理は１次式のみでよく、換算
処理量を大幅に低減することができる。また、これによ
りＳ／Ｎの悪化を避けることができ、ここでは５０ｄＢ
程度にＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、
正確な流量測定を行うことができる。

【００３０】次に、本発明の第三の実施例を図３に基づ
いて説明する（請求項４記載の発明に対応する）。な
お、前記各実施例と同一部分についての説明は省略し、
その同一部分については同一符号を用いる。ここでは、
前述した第二の実施例で用いた発熱体Ｒｈの発熱量調整
用のブリッジ回路において、室温測温体Ｒｆの両端の電
圧を室温信号９として出力する室温信号出力手段として
の信号送出回路（図示せず）が接続されている。また、
演算処理回路１３のＲＯＭには、演算処理校正手段１５
（後述する図３参照）が記憶されている。この演算処理
校正手段１５は、室温信号９をもとに、発熱体信号７と
温度差信号８とに対してオフセット除去処理及び温度補
正処理を行う。

【００３１】以下、演算処理校正手段１５の動作を中心
に説明する。今、信号送出回路により室温の周囲環境温
度を検出した室温信号９は、Ａ／Ｄ変換回路１２を介し
てデジタル信号に変換された後、発熱体信号７と温度差
信号８と共に演算処理回路１３に送られる。この演算処
理回路１３では、次の処理に従って演算を行う。

【００３２】Ｖh’＝｛Ｖh−（Ｖho＋Ｃh₁ΔＴf)}(１＋Ｃh₁ΔＴf） …（１）Ｖdu’＝｛Ｖdu−（Ｖduo＋Ｃdu₁ΔＴf)}(１＋Ｃdu₁ΔＴf） …（２）ここで、Ｖh は発熱体Ｒｈの電位差、Ｖduは上下流の測
温体Ｒｕ，Ｒｄ間の電位差、Ｃxxは温度変化率を加味し
た定数、ΔＴf は室温測温体Ｒｆによる周囲温度の変化
分である。そして、Ｖh ’はオフセット除去と温度補正
とを施した発熱体信号７であり、Ｖdu’はオフセット除
去と温度補正とを施した温度差信号８である。このよう
な演算式で示される発熱体信号７と温度差信号８と用い
て、流量換算の処理を行うことにより、周囲温度等の環
境変化や経時変化の影響をなくして、正確な流量を測定
することができる。

【００３３】次に、本発明の第四の実施例を図３及び図
４に基づいて説明する（請求項５記載の発明に対応す
る）。なお、前記各実施例と同一部分についての説明は
省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００３４】図３は、マイクロブリッジ素子１に接続さ
れた演算処理回路１３における処理の流れを示す。発熱
体信号７は駆動回路１０により駆動され、駆動回路１０
は駆動論理回路１１により間欠的に駆動制御される。発
熱体信号７と温度差信号８と室温信号９とは、Ａ／Ｄ変
換回路１２に送られる。このＡ／Ｄ変換回路１２の後段
に、信号処理回路１３が接続されている。この信号処理
回路１３のＲＯＭには、前述した流量換算手段１４（第
二の実施例）や演算処理校正手段１５（第三の実施例）
の他に、標本平均化処理手段１６と、ローパス化手段１
７とを備えている。標本平均化処理手段１６は、発熱体
信号７と温度差信号８と室温信号９とのデジタル標本の
平均化を行う。ローパス化手段１７は、オフセット除去
処理及び温度補正処理の前・後で前記平均化処理された
信号のうちの全部又は一部の信号に対してローパスフィ
ルタ処理を行う。このように信号処理回路１３のＲＯＭ
には、デジタル化された信号の標本の平均化処理、オフ
セット除去処理、温度補正処理、２つのローパスフィル
タ処理を施すプログラムが組み込まれている。

【００３５】以下、標本平均化処理手段１６及びローパ
ス化手段１７の動作を中心に説明する。今、駆動回路１
０の間欠駆動１回の動作につき発熱体Ｒｈの出力に過渡
特性がなくなった後の少なくとも１０ｍｓｅｃの区間に
おいて、Ａ／Ｄ変換回路１２にて遅くとも１ｍｓｅｃの
デジタル標本化を行う。このデジタル標本化された信号
は、データ転送や割込み処理等を行う制御回路１８を介
して、標本平均化処理手段１６によって、間欠駆動毎に
発熱体信号７と温度差信号８と室温信号９とのデジタル
標本の平均値を算出する。これら算出されたデジタル標
本の平均値のうち、室温信号９についてローパスフィル
タ処理を行い、発熱体信号７と温度差信号８とについて
オフセット除去処理、温度補正処理を行った後、ローパ
スフィルタ処理（ＬＰＦ）を行う。オフセット除去処
理、温度補正処理は、前述した（１）（２）式を用いて
行うことができる。ローパスフィルタ処理は、下記の
（３）式を用いて行うことができ、これにより変動が低
減された安定化した信号値Ｖａ_j が求められる。なお、
この処理は、発熱体信号７、温度差信号８、室温信号９
の各信号に置き換えられて行われる。

【００３６】Ｖａ_j ＝Ｖａ_j-1 ＋（Ｖ_j −Ｖ_j-N ）／Ｎ …（３）Ｎ：安定化処理に要する取込み回数Ｖ_j ：新たに取込まれた信号値（デジタル標本の平均
値）Ｖ_j-N ：Ｎ回取込み前の信号値（デジタル標本の平均
値）このローパスフィルタ処理の後、（４）式により流量Ｑ
に換算処理（流量換算手段１４）され、（５）式により
積算流量Θが求められ、その積算流量値が表示器１９に
て表示される。

【００３７】Ｑ＝Ｋo ＋Ｋ₁・Ｖａ_j …（４） Θ＝ΣＱ・Δｔ …（５）Ｋo，Ｋ₁：定数図４（ａ）（ｂ）は、マイクロブリッジ素子１に白熱灯
加熱を行った場合の温度補正と信号安定化処理（ＬＰ
Ｆ）との効果の度合いを示す。図４（ａ）は流量０の場
合、図４（ｂ）は流量１．５ｍ／ｓの場合を示す。Ｔｒ
は外部温度、ＤＴf は室温測温体Ｒｆの室温温度変動
分、ＤＶh は発熱体出力（発熱体信号７）、ＤＶduは温
度差出力（温度差信号８）を示す。これら（ａ）（ｂ）
の波形から、補正無しのときよりも、補正・安定化処理
を行ったときの方がＳ／Ｎが向上することがわかる。こ
れにより、一段と正確な流量計測を行うことができる。

【００３８】次に、本発明の第五の実施例を図５〜図７
に基づいて説明する（請求項６記載の発明に対応す
る）。なお、前記各実施例と同一部分についての説明は
省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００３９】図５は、フルイディック流量計のフルイデ
ィック素子２０における流路２１中にマイクロブリッジ
素子１（図１参照）を配置する場合の例を示す。すなわ
ち、流体の流れ６に直交する流路断面の中央に、セラミ
ック支持体２２を用いてマイクロブリッジ素子１を配置
する。この場合、マイクロブリッジ素子１の検出面Ｔ
（図１の梁５が形成されている側の面）に直交する流路
面２１ａからマイクロブリッジ素子１の先端（ここで
は、セラミック支持体２２の先端とする）までの距離Ｈ
は、検出面Ｔに平行な流路面２１ｂと流路面２１ｃとの
面間の距離Ｗ以上の長さ（Ｈ≧Ｗ）に設定されている。

【００４０】具体的には、０．５μｍ厚のセラミック支
持体２２の先端部にマイクロブリッジ素子１を設置し、
そのマイクロブリッジ素子１を流路断面の中央に配置さ
せる。このとき、セラミック支持体２２の先端から流路
底面側の流路面２１ａまでの距離はＨ＝８ｍｍとされ、
検出面Ｔに平行な流路面２１ｂと流路面２１ｃとの面間
の流路横幅の距離はＷ＝５ｍｍとされている。これによ
り、Ｈ／Ｗ＝１．６となり、図６ではｎ＝０．８以上の
値を示す。図６は、Ｈ／Ｗに対する発熱体出力特性を示
すものであり、このｎの値が１に近づくほど発熱体出力
特性の直線性が強くなることを意味する（図２と同
様）。図７は、発熱体出力と温度差出力とを併用した場
合の出力−流量曲線を示す。通常２５０〜３０００Ｌ／
Ｈの領域で測定可能なフルイディック素子２０の流路２
１中にマイクロブリッジ素子１を上記条件（Ｈ≧Ｗ）で
配置させることにより、フルイディック素子２０の測定
不感域である流量０〜２００Ｌ／Ｈの全域に渡って１次
曲線近似が可能となり、良好な出力特性を得ることがで
き、これにより、演算処理上Ｓ／Ｎを損なうことなく、
正確な流量測定を行うことができる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、マイクロブリッ
ジ素子における梁の全幅Ｗｂに対する発熱体により発熱
される発熱領域幅Ｗｈの発熱領域占有率（＝Ｗｈ／Ｗ
ｂ）を約３５％〜５０％の範囲内に設定したので、発熱
体の出力−流量曲線を高い線形性に維持することがで
き、これにより、Ｓ／Ｎを向上させ流量の測定精度を高
めることができると共に、発熱効率を高めることができ
るため消費電力の低減化を図ることができる。

【００４２】請求項２記載の発明は、発熱体により発熱
される発熱領域幅Ｗｈを１２０μｍ〜１７０μｍの範囲
に設定したので、発熱体の出力−流量曲線を一段と高い
線形性に維持することができ、流量の測定精度をさらに
高めることができる。

【００４３】請求項３記載の発明は、発熱量に比例した
発熱体信号と、温度差に比例した温度差信号とを用い、
流量換算手段を用いて流量０付近の微小流量域で温度差
信号の出力を直線近似式で流量に換算すると共に、前記
微小流量域以外の他の低流量域で発熱体信号の出力を直
線近似式で流量に換算するようにしたので、信号出力か
ら流量への換算処理を１次式のみで行え演算処理の負担
を低減させ処理能力を高めることができ、また、発熱体
の出力−流量曲線を高い線形性に維持することができる
ため、Ｓ／Ｎを向上させ流量の測定精度を一段と高める
ことができる。

【００４４】請求項４記載の発明は、室温信号出力手段
から検出された室温信号を用いて、発熱体信号と温度差
信号とに対してオフセット除去処理及び温度補正処理を
行う演算処理校正手段を設けたので、周囲温度等の環境
変化や経時変化の影響をなくして正確な流量を測定する
ことができる。

【００４５】請求項５記載の発明は、標本平均化処理手
段を用いて発熱体信号と温度差信号と室温信号とのデジ
タル標本の平均化を行い、ローパス化手段を用いてオフ
セット除去処理及び温度補正処理の前・後で、それら平
均化処理された信号に対してローパスフィルタ処理を行
うようにしたので、間欠駆動時における信号処理の安定
化を図ってＳ／Ｎを向上させることができ、これにより
一段と正確な流量測定を行うことができる。

【００４６】請求項６記載の発明は、流体の流れに直交
するフルイディック素子の流路断面の中央にマイクロブ
リッジ素子を配置し、マイクロブリッジ素子の検出面に
直交する流路面からマイクロブリッジ素子の先端までの
距離Ｈを、検出面に平行な流路面間の距離Ｗ以上の長さ
に設定すなわちＨ≧Ｗの関係に設定したので、フルイデ
ィック素子の測定不感域である低流量域側で発熱体の出
力−流量曲線を線形性に維持することができ、これによ
り、低流量域から高流量域の広範囲に渡って高Ｓ／Ｎを
損なうことなく正確な流量測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例であるマイクロブリッジ
素子の構造を示すものであり、（ａ）はその全体構造を
示す平面図、（ｂ）はその梁部の拡大図である。

【図２】発熱領域占有率と各出力特性との関係を示す特
性図である。

【図３】本発明の第二の実施例〜第四の実施例である演
算処理の流れを示すブロック図である。

【図４】温度補正及び信号の安定化処理の効果を示すも
のであり、（ａ）は流量０の場合の特性図、（ｂ）は流
量１．５ｍ／ｓの場合の特性図である。

【図５】本発明の第五の実施例を示すものであり、
（ａ）は流体の流れに平行な方向に切断した場合の形状
を示す断面図、（ｂ）は流体の流れに直交する方向に切
断した場合の形状を示す断面図である。

【図６】マイクロブリッジ素子の配設位置と発熱体出力
の線形性との関係を示す特性図である。

【図７】温度差出力と発熱体出力とを併用した場合の出
力−流量曲線を示す特性図である。

【図８】（ａ）の従来の温度差信号の出力−流量曲線を
示す特性図、（ｂ）は従来の発熱体信号の出力−流量曲
線を示す特性図である。

【符号の説明】

１マイクロブリッジ素子２基板３堀５梁７発熱体信号８温度差信号９室温信号１４流量換算手段１５演算処理校正手段１６標本平均化処理手段１７ローパス化手段２０フルイディック素子２１流路２１ａ，ｂ，ｃ流路面Ｒｈ発熱体Ｒｓ発熱測温体Ｒｕ上流測温体Ｒｄ下流測温体Ｒｆ室温測温体Ｗｂ全幅Ｗｈ発熱領域幅Ｑ発熱領域占有率Ｔ検出面Ｈ，Ｗ距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤茂行愛知県名古屋市東区泉二丁目28番24号リコーエレメックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板をエッチングして形成された堀と、
この堀の上部をまたぐように形成された梁と、この梁の
中央部に配線された発熱体と、この発熱体に隣接して配
線された発熱測温体と、前記梁上の前記発熱体の上流側
に配線された上流測温体と、前記梁上の前記発熱体の下
流側に配線された下流測温体と、前記梁から離れた位置
の前記基板上に配線された室温測温体とを有するマイク
ロブリッジ素子を備え、このマイクロブリッジ素子の前
記発熱体と前記室温測温体とから発熱量に比例して出力
された発熱体信号と、前記上流測温体と前記下流測温体
とから抵抗による温度差に比例して出力された温度差信
号とを用いて流量換算処理を行う感熱式流量計におい
て、前記梁の全幅に対する前記発熱体により発熱される
発熱領域幅の発熱領域占有率を約３５％〜５０％の範囲
に設定したことを特徴とする感熱式流量計。
【請求項２】梁上の発熱体により発熱される発熱領域
幅を、１２０μｍ〜１７０μｍの範囲に設定したことを
特徴とする請求項１記載の感熱式流量計。
【請求項３】基板をエッチングして形成された堀と、
この堀の上部をまたぐように形成された梁と、この梁の
中央部に配線された発熱体と、この発熱体に隣接して配
線された発熱測温体と、前記梁上の前記発熱体の上流側
に配線された上流測温体と、前記梁上の前記発熱体の下
流側に配線された下流測温体と、前記梁から離れた位置
の前記基板上に配線された室温測温体とを有するマイク
ロブリッジ素子を備え、このマイクロブリッジ素子の前
記発熱体と前記室温測温体とから発熱量に比例して出力
された発熱体信号と、前記上流測温体と前記下流測温体
とから抵抗による温度差に比例して出力された温度差信
号とを用いて流量換算処理を行う感熱式流量計におい
て、流量０付近の微小流量域では前記温度差信号の出力
を直線近似式で流量に換算し、前記微小流量域以外の他
の流量域では前記発熱体信号の出力を直線近似式で流量
に換算する流量換算手段を備えたことを特徴とする感熱
式流量計。
【請求項４】室温測温体の両端の電圧から室温信号を
出力する室温信号出力手段と、前記室温信号をもとに発
熱体信号と温度差信号とに対してオフセット除去処理及
び温度補正処理を行う演算処理校正手段とを備えたこと
を特徴とする請求項１，２又は３記載の感熱式流量計。
【請求項５】発熱体信号と温度差信号と室温信号との
デジタル標本の平均化を行う標本平均化処理手段と、オ
フセット除去処理及び温度補正処理の前・後で前記平均
化処理された信号のうちの全部又は一部の信号に対して
ローパスフィルタ処理するローパス化手段とを備えたこ
とを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の感熱式流
量計。
【請求項６】流体の流れの中にフルイディック振動を
発生させるフルイディック素子を設け、前記流体の流れ
に直交する前記フルイディック素子の流路断面の中央に
マイクロブリッジ素子を配置し、このマイクロブリッジ
素子の検出面に直交する流路面から前記マイクロブリッ
ジ素子の先端までの距離を、前記マイクロブリッジ素子
の検出面に平行な流路面間の距離以上の長さに設定した
ことを特徴とする請求項５記載の感熱式流量計。