JPH10300546A - 流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フローセンサの検知部分となる電熱器近傍で
の流速を、真の流速と同じにし、高精度な測定を可能と
する流速計を図ること 【解決手段】 フローセンサ１０のベース部材１２への
設置位置を従来と相違し、ベース部材の厚さをｔとし、
ベース部材の流体の流れ方向の上流側の端面１２ａから
フローセンサ１０の電熱器までの距離をｄとした場合
に、 ｄ≧５ｔ になるような位置に、フローセンサを取り付けるように
した。係る構成にすると、ベース部材の端面側近傍では
流体の流れが乱れて流速も減少するが、フローセンサの
近傍では流速ａが真の流速にほぼ等しくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスや液体などの
流量，流速などの物理量を測定するために用いられる半
導体基板上に形成した電熱器を有する流速計に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の半導体熱式フローセンサ
の一例を示している。同図に示すように、基板１の上面
に薄膜状の絶縁膜２が形成され、熱絶縁のためにその下
方には凹部１ａが設けられている。また、この絶縁膜２
上に薄膜抵抗体からなる電熱器３が設けられている。係
る構成のフローセンサでは、電熱器３に通電するとその
電熱器３が発熱する。一方、センサ周辺に流体の流れが
存在すると、電熱器３から流体へ伝達される熱量が流速
に依存して変化する。電熱器にかかる電流又は電圧を一
定にしておくと電熱器３の温度が変化し抵抗値が変化す
る。よって、電熱器３の抵抗値の変化を測定することに
より流速等を求めることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のフローセンサでは、以下に示す問題があった。
すなわち、フローセンサを用いて実際の流速を測定する
ためには、図２に示すように、係るフローセンサ５を所
定のベース部材７の上に取り付けた状態で、流速の測定
領域内に設置することになる。

【０００４】このベース部材７は、当然のことながら一
定の厚みがあり、ベース部材７並びにフローセンサ５
は、流体にとっては障害物となる。従って、図２中実線
の矢印で示すように、流れの上流側に位置するベース部
材７の端面やフローセンサ５（半導体基板１）の端面に
流体が突き当たり、流れに乱れを生じる。その結果、検
知部分である電熱器３の近傍での流体の流れの大きさｂ
は、正規の流体の流れの大きさａと異なってしまう。よ
って、係る流れの大きさｂに基づいて流体の流れを測定
しても、実際のものと異なり、それが誤差となり高精度
な測定を阻害することになる。

【０００５】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、フローセンサの検知部分となる電熱器の近傍を流れ
る流体の速度を、真の流体の速度と同じにし、高精度な
測定を可能とする流速計を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る流速計では、電熱器と温度によっ
て抵抗値が変化する抵抗器とを半導体基板上に有し、前
記電熱器および抵抗器はそれらの近傍の流体と熱的に結
合され、前記電熱器が発熱しているときの前記抵抗器の
抵抗変化に基づいて前記流体の速度を検知するフローセ
ンサと、前記流体を流す構造物に前記フローセンサを取
り付けるベース部材とを備えた流速計を前提とする。

【０００７】そして、第１の解決手段としては、前記ベ
ース部材の前記流体の流れ方向の上流側の端面から前記
フローセンサの前記電熱器までの距離が、前記ベース部
材の厚さ寸法の５倍以上とした（請求項１）。このよう
にすると、流体はベース部材の端面に突き当たることに
より、流れに乱れを生じるが、その端面から前記電熱器
まで十分に長い距離を置いたことにより、電熱器近傍で
は係る乱れが収まり、安定して流れる。よって、ベース
部材，フローセンサ等の流体にとっての障害物を設置し
た影響がほとんどなくなり、構造物のさらに上流側の流
速と、電熱器近傍での流速とがほぼ等しくなり、精度の
よい測定が行える。

【０００８】第２の解決手段としては、前記ベース部材
の前記流体の流れ方向の上流側の端面が、その流れ方向
と直交する面に対して所定角度で傾斜するように形成す
ることができる（請求項２）。ここでいう「所定角度で
傾斜」とは、ベース部材の端面が流れ方向と直交する平
面上になっていなければよく、テーパー面のように平面
であったり、Ｒ取りされているように曲面であってもよ
い。但し、垂直な平面と、端面とのなす角は、大きい方
が好ましい。このようにすると、構造物の端面に流体が
突き当たるものの、所定角度に傾斜しているので、突き
当たった流体はなめらかに上方に向けて移動することに
なり、乱れの発生自体を可及的に抑制する。よって、電
熱器近傍での流速も、ベース部材の上流側におけるそれ
とほぼ等しくなるので、精度のよい測定が行える。

【０００９】第３の解決手段としては、前記ベース部材
の所定位置に窪みを設け、その窪み内に前記フローセン
サを収納配置するように構成することができる（請求項
３）。請求項１，２は、ベース部材の端面に流体が突き
当たることにより生じる乱れの影響を解消するためのも
のであるが、フローセンサ（半導体基板）の端面に流体
が突き当たることによっても、乱れが生じる。そこで、
請求項３と後述する請求項４は、係るフローセンサに基
づく乱れの影響を抑制するためのものである。つまり、
ベース部材の窪み内にフローセンサを収納することによ
り、フローセンサの端面に流体が当たらなくし、そもそ
もフローセンサによる流体の乱れを発生させないように
する。従って、実施の形態で示したように、フローセン
サ（半導体基板）の厚みは、ベース部材に形成した窪み
の深さと等しいか薄くし、ベース部材の上面より突出し
ないようにするのが好ましい。但し、本発明では、フロ
ーセンサの厚みはベース部材の窪みの深さよりも厚いも
のであってもよい。その場合であっても、窪みを設けた
分だけベース部材の上面からフローセンサの突出量が少
なくなるので、流体の乱れの程度が少ないとともに、端
面から比較的短い距離で乱れが解消するので、影響を最
小限に抑制でき、窪みを設けないものと比べると誤差が
少なく測定精度が向上する。

【００１０】第４の解決手段としては、前記フローセン
サの前記流体の流れ方向の上流側の端面から前記電熱器
の形成位置までの距離が、前記半導体基板の厚さ寸法の
５倍以上とした（請求項４）。このように構成すると、
請求項１と同様の原理に従い、たとえフローセンサの端
面で乱れが発生したとしても、電熱器近傍ではその乱れ
がほぼ解消し、高精度の測定ができる。なお、この請求
項４では、フローセンサ自体の形状を工夫することによ
り目的を達成することができるため、他の請求項のよう
にベース部材については必須の構成ではない。

【００１１】なお、上記した各請求項の発明は、それぞ
れ単独で実施してもよいが、適宜組み合わせることによ
り、相乗的に作用してより効果が高くなる。また、各請
求項で規定した前記電熱器と前記抵抗器とは、それぞれ
別体に形成するようにしてもよく、或いは、請求項５で
明記したように同一の抵抗体で形成されていてもよい。
そして、実施の形態では、同一の抵抗体で形成した例に
基づいて説明しているが、別体に形成されているものも
もちろん含む。

【００１２】また、流体を流す構造物にフローセンサを
取り付けるためのベース部材は、そのベース部材の表面
にフローセンサが装着されるものであるが、係る構造物
の一部である場合と、構造物とは別の独立した部材であ
る場合の両者を含む。そして、いずれの場合（特に独立
した部材の場合）も、そのベース部材の表面に、フロー
センサに設けた電熱器，抵抗器と外部の制御装置等とを
接続するための配線の一部を設けたり、フローセンサの
制御回路等の各種の電気回路を装着することができる。

【００１３】さらに、「抵抗器の抵抗変化に基づいて流
体の速度を検知する」とは、抵抗器の温度変化に伴う抵
抗変化を直接利用して検知する場合はもちろんのこと、
抵抗器の抵抗値を一定に保つように電流制御し、その電
流変化によって検知するように抵抗変化を間接的に利用
するものも含む。

【００１４】なおまた、請求項１，４において、電熱器
までの距離をベース部材，半導体基板の厚さの５倍以上
としたのは、係る距離以上離すと流速測定誤差が２０％
以内となり、流速計としての使用に耐えられるからであ
る（図３参照）。換言すると、５倍未満にすると、測定
誤差が大きくなるばかりでなく、乱流等により測定値の
不安定さが増し、流速計としての使用に耐えられなくな
る。そして、８倍以上にすると、測定誤差が１０％以内
となるのでより好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図４は、本発明に係る流速計の第
１の実施の形態を示している。同図に示すように、フロ
ーセンサ１０及びそのフローセンサ１０を取り付けるベ
ース部材１２の基本的な構成は従来と同様である。すな
わち、フローセンサ１０は、矩形状のシリコン基板１３
の上面に絶縁膜１４を設けている。絶縁膜１４の下方に
は熱絶縁の目的で下方開口した凹部１３ａが設けられて
いる。

【００１６】絶縁膜１４の上面には、所定パターン形状
の導電体膜を形成する。この導電体膜は、例えば多結晶
シリコンを適宜折れ曲がった線状にパターニングして形
成し、これにより電熱器１５を構成する。電熱器１５
は、凹部１３ａの上方に位置する部位に形成される。ま
た、この電熱器１５の両端は、凹部１３ａ外のシリコン
基板１３の枠体部分１３ｂにまで延長形成され、その端
部が端子部となる。この端子部に通電することにより、
電熱器１５を発熱させる。電熱器にかかる電流又は電圧
を一定にしておくと流れがある場合には、絶縁膜１４の
上面側に流れる流体が流速に応じて熱を奪うので電熱器
１５の温度が低下し、それに基づき電熱器１５の抵抗値
も変化する。この抵抗値の変化に基づいて前記流体の流
量を検出するようになっている。さらに通常、電熱器１
５及び絶縁膜１４の表面を覆うようにして、絶縁性の保
護膜が成膜される。なお、フローセンサの具体的な構成
は、任意のものとすることができる。また電熱器１５の
抵抗値を一定にするようにし、流速に応じた投入電力の
変化を測定する方式も用いられる。さらに電熱器１５の
上流側と下流側に温度センサを設け、上流側の温度と下
流側の温度との差が流速に応じて変化することを利用し
た測定方式も用いられる。

【００１７】また、ベース部材１２は、図示の例では平
板状としている。そして、係るセンサを取り付けるベー
ス部材１２とは、例えばセンサを取り付ける基板であ
り、この基板（ベース部材）の上に、信号処理回路など
も実装されている。そして、センサを測定対象の流体が
流れる通路（例えば何かの配管）内の所定位置に固定設
置するためのものである。

【００１８】ここで本発明では、フローセンサ１０のベ
ース部材１２への設置位置を従来と相違し、所定の位置
関係になるようにしている。具体的には、ベース部材１
２の厚さをｔとし、ベース部材１２の流体の流れ方向の
上流側の端面１２ａからフローセンサ１０の電熱器まで
の距離をｄとした場合に、ｄ≧５ｔになるようにな位置
に、フローセンサ１０を取り付けるようにした。そし
て、ｄはｔに比べて十分大きくするのが好ましい。

【００１９】係る構成にすると、図示するようにベース
部材１２の端面１２ａ側近傍で流体の流れが乱れて流速
も減少するが、フローセンサ１０の近傍では流速ａも元
に戻る。

【００２０】図５は、本発明の第２の実施の形態を示し
ている。同図に示すように、本形態では、ベース部材１
２の形状を改良している。つまり、フローセンサ１０は
従来と同様の構造のものを用い、しかも、フローセンサ
１０のベース部材１２の設置位置も、ベース部材１２の
上流側端面１２ａ近傍としている点でも従来と同様であ
る。

【００２１】ここで本形態では、ベース部材１２の端面
１２ａをテーパー面とし、流体の流れ方向と直交する面
に対して所定角度で傾斜するようにした。そして、直交
する面と端面１２ａとのなす角θは、大きいほど端面１
２ａに突き当たる流体の角度が小さくなるので、スムー
ズかつ緩やかに流体の進路が上方に変更されるので、端
面１２ａを通過しても流体はあまり乱れず、フローセン
サ１０の近傍の流速ａも、真の流速と等しくなる。

【００２２】図６は、本発明の第３の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、まず、従来と相違してベー
ス部材１２の所定位置に窪み１２ｂを設ける。そして、
その窪み１２ｂ内にフローセンサ１０を収納配置するよ
うにしている。このとき、窪み１２ｂの深さとフローセ
ンサ１０の厚さをほぼ等しくすることにより、フローセ
ンサ１０の上面とベース部材１２の上面とを同一平面上
に位置させることができる。よって、流体はフローセン
サ１０に突き当たることはなく、乱れも生じない。従っ
て、フローセンサ１０の近傍での流速ａは、真の流速と
変わらない。

【００２３】図７は、本発明の第４の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、ベース部材１２の上面所定
位置にフローセンサ１０を取り付けているが、そのフロ
ーセンサの形状を従来と異ならせている。つまり、シリ
コン基板１３の厚さをｔ′とし、シリコン基板１３（フ
ローセンサ１０）の流体の流れ方向の上流側の端面１０
ｃから電熱器１５の形成位置までの距離をｄ′とした場
合、 ｄ′≧５ｔ′ になるような位置に、パターニングして電熱器１５を形
成するようにした。

【００２４】係る構成にすると、図示するようにフロー
センサ１０の端面１０ｃ側近傍で流体の流れが乱れて流
速も減少するが、実際の検知領域となる電熱器１５の上
方空間では流速ａも元に戻る。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る流速計で
は、フローセンサの検知部分となる電熱器の近傍での流
速を、真の流速と同じかほぼ等しくすることができる。
よって、高精度な測定が可能となる。つまり、ベース部
材や半導体基板の端面の影響により、端面よりも下流側
近傍の流速ｂは、真の流速ａよりも必ず小さな値をと
る。そこで、請求項１，４のように、電熱器を端面から
距離をおくことによって、より真の流速に近づき、セン
サ感度が向上する。また、請求項２では、ベース部材の
端面よりも下流側近傍の流速ｂにおける真の速度ａから
のずれ量を小さくするか０にすることにより測定感度を
向上することができる。さらに請求項３では、フローセ
ンサの端面で乱流を生じることを可及的に抑制し、その
端面で流速が変化（低下）することを抑止することによ
って測定感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例を示す図である。

【図２】従来例の問題点を説明する図である。

【図３】本発明の効果を実証する実験結果を示す図であ
る。

【図４】本発明に係る流速計の第１の実施の形態を示す
図である。

【図５】本発明に係る流速計の第２の実施の形態を示す
図である。

【図６】本発明に係る流速計の第３の実施の形態を示す
図である。

【図７】本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示
す図である。

【符号の説明】 １０ フローセンサ １０ａ 凹部 １０ｃ 端面 １２ ベース部材 １２ａ 端面 １２ｂ 窪み １３ シリコン基板 １５ 電熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邉 敬之 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 中村 健一 東京都港区海岸１丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 根田 徳大 東京都港区海岸１丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電熱器と温度によって抵抗値が変化する
   抵抗器とを半導体基板上に有し、前記電熱器および抵抗
   器はそれらの近傍の流体と熱的に結合され、前記電熱器
   が発熱しているときの前記抵抗器の抵抗変化に基づいて
   前記流体の速度を検知するフローセンサと、 前記流体を流す構造物に前記フローセンサを取り付ける
   ベース部材とを備えた流速計であって、 前記ベース部材の前記流体の流れ方向の上流側の端面か
   ら前記フローセンサの前記電熱器までの距離が、前記ベ
   ース部材の厚さ寸法の５倍以上としたことを特徴とする
   流速計。
2. 【請求項２】 電熱器と温度によって抵抗値が変化する
   抵抗器とを半導体基板上に有し、前記電熱器および抵抗
   器はそれらの近傍の流体と熱的に結合され、前記電熱器
   が発熱しているときの前記抵抗器の抵抗変化に基づいて
   前記流体の速度を検知するフローセンサと、 前記流体を流す構造物に前記フローセンサを取り付ける
   ベース部材とを備えた流速計であって、 前記ベース部材の前記流体の流れ方向の上流側の端面
   が、その流れ方向と直交する面に対して所定角度で傾斜
   するように形成されていることを特徴とする流速計。
3. 【請求項３】 電熱器と温度によって抵抗値が変化する
   抵抗器とを半導体基板上に有し、前記電熱器および抵抗
   器はそれらの近傍の流体と熱的に結合され、前記電熱器
   が発熱しているときの前記抵抗器の抵抗変化に基づいて
   前記流体の速度を検知するフローセンサと、 前記流体を流す構造物に前記フローセンサを取り付ける
   ベース部材とを備えた流速計であって、 前記ベース部材の所定位置に窪みを設け、その窪み内に
   前記フローセンサを収納配置するようにしたことを特徴
   とする流速計。
4. 【請求項４】 電熱器と温度によって抵抗値が変化する
   抵抗器とを半導体基板上に有し、前記電熱器および抵抗
   器はそれらの近傍の流体と熱的に結合され、前記電熱器
   が発熱しているときの前記抵抗器の抵抗変化に基づいて
   前記流体の速度を検知するフローセンサを備えた流速計
   であって、 前記フローセンサの前記流体の流れ方向の上流側の端面
   から前記電熱器の形成位置までの距離が、前記半導体基
   板の厚さ寸法の５倍以上としたことを特徴とする流速
   計。
5. 【請求項５】 前記電熱器と前記抵抗器とが同一の抵抗
   体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
   に記載の流速計。