JPH10185644A - 感熱式フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感熱式フローセンサの発熱部の温度分布を均
一化して流量測定の特性を改善する。 【解決手段】 発熱体２２を平面充填曲線に基づいたパ
ターンに形成することにより、これを支持体４の表面に
一様に位置させて発熱部２３の温度分布を均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を測定
する感熱式フローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市ガスや水道水等の流体の流量
を測定するセンサとして感熱式フローセンサがある。一
般的な感熱式フローセンサは、トンネル状の空洞を橋架
する架橋構造の支持体を基板の表面に薄膜等により形成
し、この支持体の表面に発熱体を設けて発熱部を形成し
た構造からなる。このような構造の感熱式フローセンサ
では、発熱部から流体に伝達される熱量が流体の流量に
対応するので、例えば、発熱部の駆動電力などから流体
の流量を測定することができる。

【０００３】このような感熱式フローセンサの一従来例
を、図７に基づいて以下に説明する。ここで例示する感
熱式フローセンサ１は、矩形のシリコン基板２を有して
いる。このシリコン基板２には、その表面から内部を貫
通して表面まで到達するトンネル状の空洞３が形成され
ているので、この空洞３上に架橋構造の支持体４が薄膜
層により形成されている。前記空洞３の連通方向は流体
の流動方向に平行であるため、前記支持体４は流体の流
動方向と直角に橋架されている。

【０００４】この支持体４の表面には、発熱体として一
対の発熱抵抗体５が白金やパーマロイの薄膜により並列
に形成されているので、ここに一対の発熱部６が形成さ
れている。前記発熱抵抗体５は、長方形の前記支持体４
の両端を連通するよう形成されているが、その連通方向
と直角方向に往復する細長いパターンに形成されてい
る。なお、前記支持体４の両端には、その表面から前記
空洞３まで貫通したスリット７が形成されており、この
スリット７により前記発熱部６は周囲の部分から熱的に
絶縁されている。前記発熱抵抗体５の両端には幅広の電
極８が一体に接続されており、この電極８は前記支持体
４の両端から前記シリコン基板２の角部までパターニン
グされている。

【０００５】なお、前記空洞３の連通方向の前後に位置
する前記シリコン基板２の角部には、測温抵抗体９が白
金やパーマロイの薄膜により形成されており、この測温
抵抗体９や前記発熱抵抗体５を一部とするホイートスト
ンブリッジにより、流量測定回路（図示せず）が形成さ
れている。

【０００６】上述のような構造の感熱式フローセンサ１
では、測温抵抗体９により流体の温度を測定し、この流
体の温度より一定温度だけ高温に発熱抵抗体５を発熱さ
せ、この状態でホイートストンブリッジのバランスをフ
ィードバック制御する。このような状態で流体が流動す
ると、その流量に対応して発熱部６の熱量が流体に伝達
されるが、このような状態でもホイートストンブリッジ
１０のバランスがフィードバック制御されるので、例え
ば、発熱抵抗体５の消費電力から流体の流量が測定され
る。

【０００７】なお、上述のような感熱式フローセンサ１
では、省電力性や特性を良好に確保するためには、発熱
部６の温度分布が均一である必要がある。このため、発
熱抵抗体５を細長く形成して連通方向と直角に往復さ
せ、支持体４の表面の全域に一様に位置させている。発
熱抵抗体５が細長ければ、少ない電力で必要な温度を発
生させることができるので、このような発熱抵抗体５が
支持体４の表面に一様に位置すれば、発熱部６は必要な
温度に均一に発熱することができる。なお、このような
目的を達成するため、図８に示すように、発熱抵抗体５
を連通方向に往復させた感熱式フローセンサ１１もあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような感熱式フ
ローセンサ１，１１は、発熱部６の特性等を良好に確保
するため、支持体４の表面で発熱抵抗体５を細長く往復
したパターンに形成している。

【０００９】しかし、実際には上述のようなパターンで
発熱抵抗体５を支持体４の表面に一様に配置することは
困難であり、発熱部６の温度分布が不均一となって良好
な特性を確保できていない。

【００１０】特に、上述のように発熱抵抗体５を流体の
流動方向と平行な方向や直角な方向に往復させている
と、流体の流動方向が微妙に変化しても感熱式フローセ
ンサ１，１１の特性が、冷却効率の不均質性から多分に
変動する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
流体の流路に配置される支持体を設け、この支持体の表
面に発熱体を設けて発熱部を形成し、この発熱部から流
体に伝達される熱量に基づいて流量を測定する感熱式フ
ローセンサにおいて、前記発熱体が平面充填曲線に基づ
いたパターンに形成されている。従って、支持体の表面
の発熱体が発熱することにより発熱部も発熱し、この発
熱部から流動する流体に熱量が伝達されるので、この熱
量に基づいて流体の流量が測定される。発熱体が平面充
填曲線に基づいたパターンに形成されているので、発熱
体が支持体の表面に一様に位置しており、発熱する発熱
部の加熱・冷却効率の分布が橋上で均一なため、温度分
布が均一である。なお、ここで云う流量は、流体が単位
時間に単位面積を通過する容量を意味しており、流速と
同義である。また、発熱部は、発熱体とともに支持体が
発熱する部分を意味しており、例えば、長大な支持体の
表面の全域に発熱体を形成した場合には、支持体の全体
が発熱部となり、長大な支持体の表面の中央部のみ発熱
体を形成した場合には、支持体の中央部のみが発熱部と
なる。また、ここで云う平面充填曲線は、平面を充填す
る一本の線分であり、例えば、ペアノ曲線である。さら
に、ここで云う曲線は、曲折された線分を意味してお
り、例えば、二本の直線を所定の 180°以外の角度で接
続した線分を許容する。

【００１２】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、支持体が基板の表面に架橋構造として形
成されている。従って、流体が架橋構造の発熱部の表面
と裏面との両側を流動するので、流体の流量に対する発
熱部の感度が良好に確保される。

【００１３】請求項３記載の発明では、請求項１または
２記載の発明において、発熱体が正方形のペアノ曲線の
三分の一を単位とした長方形のパターンに形成されてい
る。従って、平面充填曲線の一つであるペアノ曲線を三
分の一に分割すると、その各々は長方形で対角線上の一
対の角部に始点と終点とが位置するので、これを単位と
してパターニングされた発熱体は、全体的に長方形で対
角線上の一対の角部に両端が位置する。

【００１４】請求項４記載の発明では、請求項１，２ま
たは３記載の発明において、発熱体が多数の直線を直角
に順次接続したパターンに形成されている。従って、発
熱体の平面充填曲線のパターンが直角に順次接続された
多数の直線からなるので、平面充填曲線の発熱体が均一
な横幅と間隔とに形成される。

【００１５】請求項５記載の発明では、請求項１，２ま
たは３記載の発明において、発熱体が多数の円弧を連続
的に順次接続したパターンに形成されている。従って、
発熱体の平面充填曲線のパターンが連続的に順次接続さ
れた多数の円弧からなるので、平面充填曲線の発熱体に
は発熱量の不均質な原因となる急角度に曲折した部分が
ない。

【００１６】請求項６記載の発明では、請求項５記載の
発明において、発熱体の両側の縁部が小径と大径との二
種類の円弧からなり、これら小径と大径との円弧が前記
発熱体の両側の縁部に交互に位置している。従って、発
熱体の両側の縁部が交互に位置する小径と大径との円弧
により形成されているので、多数の円弧を連続的に順次
接続した平面充填曲線のパターンに発熱体が形成され
る。

【００１７】請求項７記載の発明では、請求項６記載の
発明において、“Ｒ，Ｗ”が所定の数値であるとき、発
熱体の両側の縁部を形成する小径の円弧の半径が“Ｒ−
Ｗ／２”からなり、大径の円弧の半径が“Ｒ＋Ｗ／２”
からなる。従って、発熱体の両側の縁部の円弧が“Ｒ±
Ｗ／２”の半径からなるので、発熱体は半径Ｒで湾曲し
た横幅Ｗのパターンに形成されている。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図１ない
し図４に基づいて以下に説明する。なお、本実施の形態
の感熱式フローセンサ２１に関し、従来例として前述し
た感熱式フローセンサ１，１１と同一の部分は、同一の
名称および符号を利用して詳細な説明は省略する。

【００１９】まず、本実施の形態の感熱式フローセンサ
２１では、図２に示すように、前述した感熱式フローセ
ンサ１，１１と同様に、矩形のシリコン基板２にトンネ
ル状の空洞３が形成されて支持体４が架橋構造に形成さ
れているが、図１に示すように、前述した感熱式フロー
センサ１，１１とは相違して、発熱体である発熱抵抗体
２２が平面充填曲線に基づいたパターンに形成されてい
る。

【００２０】より詳細には、ここでは平面充填曲線とし
てペアノ曲線が採用されており、図４に示すように、こ
のペアノ曲線の三分の一を単位とした長方形のパターン
に前記発熱抵抗体２２が形成されている。つまり、ペア
ノ曲線は、図４（ａ）に示すように、正方形を細密に充
填する曲線であるが、正方形を三分の一の範囲ずつ順番
に充填している。例えば、図４（ｂ）に示すように、こ
こではペアノ曲線を三分の一と三分の二との位置で曲折
させ、図４（ｃ）に示すように、その三分の一のパター
ンを直線状に配列させれば、この全体的を長方形とする
ことができる。ただし、これでは前記発熱抵抗体２２と
して長すぎるため、ここでは上述のように長方形に変形
したペアノ曲線の三分の二の部分の形状に前記発熱抵抗
体２２を形成している。

【００２１】このようにペアノ曲線に基づいて形成され
た発熱抵抗体２２は、図３に示すように、多数の円弧を
連続的に順次接続したパターンに形成されており、発熱
抵抗体２２は半径Ｒで湾曲した横幅Ｗのパターンに形成
されている。このため、前記発熱抵抗体２２の両側の縁
部の円弧は、“Ｒ−Ｗ／２”の小径の円弧と“Ｒ＋Ｗ／
２”の大径の円弧との二種類からなり、前記発熱抵抗体
２２の縁部は交互に位置する小径と大径との円弧により
形成されている。

【００２２】このような構成において、本実施の形態の
感熱式フローセンサ２１も、前述した感熱式フローセン
サ１，１１と同様に、支持体４の表面の発熱抵抗体２２
を発熱させ、この発熱部２３から流体に伝達される熱量
に基づいて流量が測定される。

【００２３】このとき、本実施の形態の感熱式フローセ
ンサ２１では、発熱抵抗体２２が平面充填曲線に基づい
たパターンに形成されているので、これが支持体４の表
面の中央部に一様に位置している。このため、発熱部２
３の温度分布が均一であり、流体の流量を測定する特性
が良好である。特に、支持体４が架橋構造として形成さ
れているので、流体が架橋構造の発熱部２３の表面と裏
面との両側を流動することになり、感熱式フローセンサ
２１は感度や応答性も良好である。

【００２４】このように架橋構造の支持体４は流体の流
動方向と直角に細長い形状に形成されているが、ここで
は平面充填曲線に基づいたパターンの発熱抵抗体２２も
全体的に細長く形成されている。つまり、ここでは平面
充填曲線としてペアノ曲線が利用されており、このペア
ノ曲線の三分の一の単位を二つ利用した長方形のパター
ンに発熱抵抗体２２が形成されているので、発熱部２３
が流体の流動方向と直角に細長い形状に形成されてお
り、この点からも感熱式フローセンサ２１の特性が良好
である。

【００２５】さらに、上述のような形状の発熱抵抗体２
２は、その長方形のパターンの両端に始点と終点とが位
置しているので、従来と同様に発熱部２３の両側に電極
８が配置されており、この電極８の配置や配線が容易で
ある。

【００２６】また、上述のような形状の発熱抵抗体２２
が、多数の円弧を連続的に順次接続したパターンに形成
されているので、発熱抵抗体２２に急角度に曲折された
部分がない。このため、発熱抵抗体２２の電流密度も均
一で発熱温度が均等であり、この点からも発熱部２３の
温度分布が均一であるとともに耐久性も良好である。し
かも、このように連続する円弧状にパターニングされた
発熱抵抗体２２は等方性を有するので、流体の流動方向
が変化しても流量の測定特性が変動しない。

【００２７】なお、このように多数の円弧を連続的に順
次接続したパターンの発熱抵抗体２２は、その両側の縁
部に小径と大径との円弧を交互に位置させることにより
容易に形成される。特に、所定の数値“Ｒ，Ｗ”によ
り、発熱抵抗体２２の縁部の小径の円弧の半径を“Ｒ−
Ｗ／２”、大径の円弧の半径を“Ｒ＋Ｗ／２”とすれ
ば、発熱抵抗体２２を半径Ｒで湾曲した横幅Ｗのパター
ンに形成することができる。つまり、発熱抵抗体２２を
一定の横幅に形成できるので、この点からも発熱部２３
の温度分布が均一となる。

【００２８】なお、本発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、各種の変形を許容する。例えば、上記形態で
は発熱抵抗体２２を連続する多数の円弧のパターンに形
成することを例示したが、図５に示すように、多数の直
線を直角に順次接続したパターンに発熱抵抗体３１を形
成することも可能である。この場合、平面充填曲線に基
づいた発熱抵抗体２２を均一な横幅に形成することがで
きるとともに、その相互の間隔も一定とすることができ
るので、より良好に発熱部の温度分布を均一化すること
ができる。

【００２９】ただし、このように直角に接続した直線の
パターンに発熱抵抗体３１を形成すると、その直角に曲
折された部分と直線の部分とで電流密度が均一とならな
いことがある。また、前述のように多数の円弧を接続し
たパターンの発熱抵抗体２２では、横幅は一定に形成で
きても相互の間隔を一定とすることは困難である。つま
り、上述のような各種のパターンは一長一短があるの
で、各種条件を考慮して適正な一方を採用することが好
ましい。

【００３０】また、上記形態では平面充填曲線として円
形状に連続する三次のペアノ曲線を利用することを例示
したが、これは平面充填曲線であれば良く、図６に示す
ように、方形状に連続するペアノ曲線等も利用可能であ
る。ただし、このようなペアノ曲線は始点と終点との位
置が同一なので、このパターンで発熱抵抗体を形成する
と電極の配置や接続の困難が予想されることになり、前
述した円形状に連続する三次のペアノ曲線が好ましい。

【００３１】さらに、上記形態では全体的に正方形のペ
アノ曲線の三分の一の単位を二つ利用して“1×6”の長
方形のパターンに発熱抵抗体２２を形成することを例示
したが、これはペアノ曲線の三分の一の部分を単位とす
ればよく、例えば、“1×3”や“1×9”等の長方形に発
熱抵抗体２２を形成することも可能である。なお、この
“1×3”となるペアノ曲線の三分の一の単位は、“1×
1”の三つの正方形により形成されている。そこで、こ
の正方形の部分を最小単位とすれば、“1×2”や“1×
4”の長方形に発熱抵抗体２２を形成することも可能で
ある。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、発熱体が平面充
填曲線に基づいたパターンに形成されていることによ
り、発熱体を支持体の表面に一様に配置することができ
るので、発熱部の温度分布を均一化することができ、感
熱式フローセンサの流量測定の特性を改善することがで
きる。

【００３３】請求項２記載の発明では、支持体が基板の
表面に架橋構造として形成されていることにより、流体
が架橋構造の発熱部の表面と裏面との両側を流動するの
で、流体の流量に対する発熱部の感度を良好に確保する
ことができ、感熱式フローセンサの流量測定の感度を改
善することができる。

【００３４】請求項３記載の発明では、発熱体が正方形
のペアノ曲線の三分の一を単位とした長方形のパターン
に形成されていることにより、全体的に長方形で対角線
上の一対の角部に両端が位置する形状に発熱体を形成す
ることができ、平面充填曲線の発熱体に電極を容易に接
続することができる。

【００３５】請求項４記載の発明では、発熱体が多数の
直線を直角に順次接続したパターンに形成されているこ
とにより、平面充填曲線の発熱体を一定の横幅と間隔と
に形成することができるので、より良好に発熱部の温度
分布を均一化することができ、感熱式フローセンサの流
量測定の特性を改善することができる。

【００３６】請求項５記載の発明では、発熱体が多数の
円弧を連続的に順次接続したパターンに形成されている
ことにより、平面充填曲線の発熱体には発熱量の不均質
な原因となる急角度に曲折した部分がないので、発熱体
の電流密度を均一化して発熱温度を均等化することがで
き、より良好に発熱部の温度分布を均一化することがで
き、感熱式フローセンサの流量測定の特性を改善するこ
とができる。

【００３７】請求項６記載の発明では、発熱体の両側の
縁部が小径と大径との二種類の円弧からなり、これら小
径と大径との円弧が発熱体の両側の縁部に交互に位置し
ていることにより、多数の円弧を連続的に順次接続した
平面充填曲線のパターンの発熱体を良好な形状に容易に
形成することができる。

【００３８】請求項７記載の発明では、“Ｒ，Ｗ”が所
定の数値であるとき、発熱体の両側の縁部を形成する小
径の円弧の半径が“Ｒ−Ｗ／２”からなり、大径の円弧
の半径が“Ｒ＋Ｗ／２”からなることにより、発熱体を
所定の半径Ｒで湾曲した一定の横幅Ｗのパターンに容易
に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の感熱式フローセンサの
要部を示す平面図である。

【図２】感熱式フローセンサの全体を示す平面図であ
る。

【図３】発熱体である発熱抵抗体のパターンを示す平面
図である。

【図４】正方形の平面充填曲線であるペアノ曲線を長方
形に変形する手法を示す工程図である。

【図５】一変形例の発熱抵抗体のパターンを示す平面図
である。

【図６】一変形例の平面充填曲線を示す模式図である。

【図７】一従来例の感熱式フローセンサの全体を示す平
面図である。

【図８】他の従来例の感熱式フローセンサの全体を示す
平面図である。

【符号の説明】

２ 基板 ３ 空洞 ４ 支持体 ２１ 感熱式フローセンサ ２２，３１ 発熱体 ２３ 発熱部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流路に配置される支持体を設け、
   この支持体の表面に発熱体を設けて発熱部を形成し、こ
   の発熱部から流体に伝達される熱量に基づいて流量を測
   定する感熱式フローセンサにおいて、前記発熱体が平面
   充填曲線に基づいたパターンに形成されていることを特
   徴とする感熱式フローセンサ。
2. 【請求項２】 支持体が基板の表面に架橋構造として形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の感熱式フ
   ローセンサ。
3. 【請求項３】 発熱体が正方形のペアノ曲線の三分の一
   を単位とした長方形のパターンに形成されていることを
   特徴とする請求項１または２記載の感熱式フローセン
   サ。
4. 【請求項４】 発熱体が多数の直線を直角に順次接続し
   たパターンに形成されていることを特徴とする請求項
   １，２または３記載の感熱式フローセンサ。
5. 【請求項５】 発熱体が多数の円弧を連続的に順次接続
   したパターンに形成されていることを特徴とする請求項
   １，２または３記載の感熱式フローセンサ。
6. 【請求項６】 発熱体の両側の縁部が小径と大径との二
   種類の円弧からなり、これら小径と大径との円弧が前記
   発熱体の両側の縁部に交互に位置していることを特徴と
   する請求項５記載の感熱式フローセンサ。
7. 【請求項７】 “Ｒ，Ｗ”が所定の数値であるとき、発
   熱体の両側の縁部を形成する小径の円弧の半径が“Ｒ−
   Ｗ／２”からなり、大径の円弧の半径が“Ｒ＋Ｗ／２”
   からなることを特徴とする請求項６記載の感熱式フロー
   センサ。