JPH11287685A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力範囲が狭いＡ／Ｄコンバータなどの測定
装置にも、出力を正確に伝えることができ、製造誤差や
経時変化などによる感温素子のばらつきなどに対応でき
るフローセンサを提供する。 【解決手段】 電圧加算回路５は、加算回路１８と定電
圧源１９を備えている。加算回路１８は、加算回路１４
が出力する第１、第２の感温素子１１，１２の差電圧
に、定電圧源１９が出力する一定電圧を加算して出力す
る。定電圧源１９に代えて、可変電圧源を用いてもよい
し、第１、第２の感温素子１１，１２の差電圧に加算す
る電圧を外部から入力する入力端子を設けるようにして
もよい。可変電圧源を用いる場合は、この可変電圧源が
出力する電圧を外部からモニタするために出力する出力
端子を設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガス流量計、フ
ローメータなどとして利用されるフローセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のフローセンサは、流体の流れの上
流側と下流側とに各々配置される感温素子を半導体基板
上に形成したものである。そして、これらの感温素子の
ジュール熱、あるいは別に設けた熱源の熱で流体を加熱
し、両感温素子の出力電圧のを減算回路に入力して両出
力電圧の差をとることにより、流体の流速、流量を検出
する。

【０００３】そして、フローセンサによるアナログ検出
信号をデジタル検出信号に変換するのにＡ／Ｄコンバー
タなどを用いるときは、Ａ／Ｄコンバータに合わせた電
圧信号に変換するため、減算回路の出力信号を増幅器で
増幅する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】減算回路の出力信号は
正の値、負の値の両方をとりうる。それは、両感温素子
のいずれを上流側にし、いずれを下流側にしたかや、両
感温素子に流す電流の向き、測定対象の流体は逆流する
こともありえるか、などにより左右される。

【０００５】ここで、たとえばＡ／Ｄコンバータの入力
範囲が０〜３Ｖであったときに、両感温素子のいずれを
上流側にし、いずれを下流側にするかや、両感温素子に
流す電流の向きをどうするかは、設計事項として決定で
きるものであるから、増幅器の増幅率を正にするか負に
するかなどで、正の電圧にすることができ、Ａ／Ｄコン
バータの入力範囲（０〜３Ｖ）に合わせることはでき
る。

【０００６】しかし、この場合に、流体が逆流するとき
は減算回路の出力が負の値をとるため、Ａ／Ｄコンバー
タを介してマイクロコンピュータなどに流体の逆流を伝
達することができないという不具合がある。

【０００７】また、流体の両感温素子の出力電圧は、流
体の流速が大きくなるに従って開いていくが（図５
（ａ）参照）、図５（ｂ）に示すように、流体の流れが
ゼロであるときは両感温素子の電圧差は、ゼロであるこ
とが理想である。しかしながら、両感温素子は、抵抗
値、抵抗温度係数、構造がまったく同一であることが理
想であるが、現実には製造誤差や経時変化によりばらつ
きが生じるのをさけることができない。そのため、流体
に流れがないときは、上流側と下流側で感温素子にばら
つきが生じることにより減算回路の出力がゼロにならな
いため、流体の流れがゼロのときに、やはりフローセン
サの出力が負になってしまうという不具合がある（図６
（ａ）は、この場合における各感温素子の出力電圧の流
速に対する変化を示し、図６（ｂ）は、この場合におけ
る両感温素子の出力電圧差の流速に対する変化を示して
いる）。

【０００８】この発明の目的は、入力範囲が狭いＡ／Ｄ
コンバータなどの測定装置にも、出力を正確に伝えるこ
とができ、製造誤差や経時変化などによる感温素子のば
らつきなどに対応できるようにすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、一方が流体の流路の上流側に他方が下流側に配置さ
れる第１及び第２の感温素子と、前記第１の感温素子の
端子間電圧と前記第２の感温素子の端子間電圧との差を
検出する減算回路と、この減算回路が出力する出力信号
に所定の電圧を加算する電圧加算回路と、を備えてい
る。

【００１０】したがって、減算回路が出力する出力信号
に所定電圧を加算することができる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明について、電圧加算回路は、減算回路の出力信号
に加算する電圧値の大きさが可変である。

【００１２】したがって、減算回路の出力信号に加算す
る電圧値の大きさを所望に調節することができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明について、電圧加算回路は、減算回路の出力信号
に加算する電圧値の大きさを表示する信号を外部に出力
する出力端子を備えている。

【００１４】したがって、減算回路の出力に加算する電
圧値の大きさを表示する信号を外部に出力することがで
きる。

【００１５】請求項４に記載の発明は、請求項１または
２に記載の発明について、電圧加算回路は、減算回路の
出力信号に加算する電圧を外部から入力する入力端子を
備えている。

【００１６】したがって、減算回路の出力信号に加算す
る電圧を外部から調節することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】〈発明の実施の形態１〉図１は、
この発明の実施の形態１にかかるフローセンサの回路図
である。同図に示すように、このフローセンサ１は、セ
ンサ駆動部２、差電圧検出部３、増幅部４、電圧加算回
路５を備えている。

【００１８】センサ駆動部２は、流体の上流側と下流側
に各々配置される第１および第２の感温素子１１，１２
を備えている。この第１および第２の感温素子１１，１
２としては、例えば図示しないシリコンウエハ上に互い
に近傍に位置するように形成した白金の薄膜抵抗を用い
ることができる。第１および第２の感温素子１１，１２
は、抵抗温度係数が高く、同一温度では同一抵抗値のも
のであって、直列に接続されて、所定の電流源１３で一
定電流が供給される。第１の感温素子１１のプラス側端
部（ａ点）はボルテージホロワ２１の非反転入力端子と
接続されている。また、第１の感温素子１１と第２の感
温素子１２との接続点（ｂ点）は反転増幅器１３の反転
入力端子と接続され、反転増幅器１３の非反転入力端子
はグランドに接続されている。また、反転増幅器１３は
第２の感温素子１２を介して負帰還接続されている。

【００１９】差電圧検出部３は、演算増幅器を用いた加
算回路１４を備えている。この加算回路１４には、ボル
テージホロワ２１の出力電圧と、反転増幅器１３の出力
電圧とが入力され、両出力電圧は加算回路１４で加算さ
れる。

【００２０】増幅部４は、増幅器１５，１６，１７を備
えていて、この各増幅器は、ボルテージホロワ２１の出
力電圧、反転増幅器１３の出力電圧、加算回路１４の出
力電圧を各々増幅する。

【００２１】電圧加算回路５は、演算増幅器を用いた加
算回路１８と、所定の定電圧源１９とを備えている。加
算回路１８は増幅器１７で増幅された加算回路１４の出
力電圧に、定電圧源１９の出力する所定の一定電圧を加
算する。

【００２２】以上のような回路構成で、ボルテージホロ
ワ２１が出力する第１の感温素子１１の電圧検出信号は
端子２２から取り出すことができ、反転増幅器１３が出
力する第２の感温素子１２の電圧検出信号は端子２３か
ら取り出すことができ、加算回路１４が出力する両感温
素子１１，１２の差電圧の検出信号に定電圧源１９の出
力する一定電圧を加算した電圧は、端子２４から取り出
すことができる。

【００２３】第１、第２の感温素子１１、１２の発する
ジュール熱により、あるいは、第１、第２の感温素子１
１、１２の間に別途熱源を設けることにより、流体の流
速が大きくなるに従って、両感温素子１１，１２の温度
差、すなわち両感温素子１１，１２間の電圧差が大きく
なり、加算回路１４の出力信号により流体の流速、流量
を検出することができる。

【００２４】第２の感温素子１２を介して反転増幅器１
３は負帰還接続されているので、反転増幅器１３の両入
力端子は仮想接地され、よってｂ点の電圧はグランドレ
ベルであるから、第１の感温素子１１の電圧がボルテー
ジホロワ２１を介して加算回路１４に入力される。ま
た、第２の感温素子１２の電圧が反転増幅器１３で反転
増幅されて加算回路１４に入力されるので（ｃ点では第
２の感温素子１２の電圧を反転増幅した電圧となる）、
加算回路１４は、第１の感温素子１の電圧から第２の感
温素子１２の電圧を減算した電圧を出力することにな
る。これにより、この発明の減算回路の一例を実現して
いる。

【００２５】加算回路１８は、加算回路１４の出力電圧
に、定電圧源１９の出力する一定の電圧を加算してフロ
ーセンサ１の検出信号とする。これにより、流体の流速
がゼロのときに加算回路１４の出力電圧がゼロにならな
いときも、フローセンサ１の検出信号電圧をゼロにする
ことができる。また、流体が逆流しうるものであって
も、逆流したときにフローセンサ１の出力電圧を正電圧
にすることができる。よって、フローセンサ１の検出信
号の出力先が、例えば、入力電圧の範囲が０〜３ＶのＡ
／Ｄコンバータであるようなときでも対応することがで
きる。

【００２６】〈発明の実施の形態２〉この発明の実施の
形態２にかかるフローセンサ１について以下に説明す
る。なお、前記実施の形態１と共通の回路要素などには
同一符号を用い、詳細な説明は省略する。

【００２７】図２は、このフローセンサ１の回路であ
る。この実施の形態のフローセンサ１が前記実施の形態
１と相違する点は、電圧加算回路５が、定電圧源１９に
代えて、可変電圧源３１を備えている点にある。

【００２８】第１、第２の感温素子１１，１２には、製
造誤差により抵抗値や構造にばらつきが生じる。そのた
め、前記実施の形態１のように、が一定であると、使用
するＡ／Ｄコンバータなどの入力電圧の範囲が最も狭い
場合を基本としなければならず、また、増幅器１７の増
幅率を設定しなければならないため、大量生産する場合
の障害となる。

【００２９】しかし、この実施の形態では、増幅器１７
の出力電圧に加算回路１８で加算する電圧の値が可変で
あるため、第１、第２の感温素子１１，１２のばらつき
に対応して、増幅器１７の出力電圧に加算する電圧の値
を変えることで、使用するＡ／Ｄコンバータなどの入力
電圧の範囲を広くとることができ、また、増幅器１７の
増幅率を一律にすることができるので、大量生産を容易
にすることができる。例えば、入力電圧の範囲が０〜３
ＶのＡ／Ｄコンバータを用いるときに、増幅器１７の増
幅率をすべて同じにしたまま、すべてのフローセンサ１
で、０．５〜３Ｖを流体の順方向への流れの検出に用
い、０〜０．５Ｖを流体の逆流の検出に用いるように一
律にすることができる。

【００３０】〈発明の実施の形態３〉この発明の実施の
形態３にかかるフローセンサ１について以下に説明す
る。なお、前記実施の形態２と共通の回路要素などには
同一符号を用い、詳細な説明は省略する。

【００３１】図３は、このフローセンサ１の回路であ
る。この実施の形態のフローセンサ１が前記実施の形態
２と相違する点は、可変電圧源３１が出力する電圧を外
部でモニタするための出力端子３２を備えている点にあ
る。

【００３２】出力端子３２を備えたことにより、可変電
圧源３１が出力する電圧値をモニタして、経時変化によ
り、この電圧が変動したことを直ちに知ることができ
る。よって、端子２４から出力されるフローセンサ１の
検出信号の誤差を補正して、フローセンサ１の検出精度
が低下するのを防止することができる。

【００３３】〈発明の実施の形態４〉この発明の実施の
形態４にかかるフローセンサ１について以下に説明す
る。なお、前記実施の形態２と共通の回路要素などには
同一符号を用い、詳細な説明は省略する。

【００３４】図４は、このフローセンサ１の回路であ
る。この実施の形態のフローセンサ１が前記実施の形態
２と相違する点は、可変電圧源３１に代えて、増幅器１
７の出力電圧に加算する電圧を外部から入力する入力端
子３３を備えている点にある。

【００３５】入力端子３３を備えたことにより、増幅器
１７の出力電圧に加算する電圧値を外部から調節するこ
とができるので、第１、第２の感温素子１１，１２の抵
抗値が経時変化などにより変動しても、端子２４から出
力されるフローセンサ１の検出信号の誤差を補正して、
フローセンサ１の検出精度が低下するのを防止すること
ができる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、減算回路が出
力する出力信号に所定電圧を加算することができるの
で、Ａ／Ｄコンバータなどの測定装置の限られた入力範
囲にフローセンサの出力電圧を合わせるように調節し
て、これらの測定装置にも出力を正確に伝え、製造誤差
や経時変化による上流側と下流側の感温素子のばらつき
に対応することができる。

【００３７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明について減算回路の出力信号に加算する電圧値の
大きさを所望に調節することができるので、この調節に
より、個々のフローセンサにおける感温素子のばらつき
を吸収し、請求項１に記載のフローセンサの量産を容易
にすることができる。

【００３８】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明について、減算回路の出に加算する電圧値の大き
さを表示する信号を外部に出力することができるので、
この信号をモニタして、減算回路の出力信号に加算する
電圧値の変動を検出し、経時変化などによるフローセン
サの検出値のずれを速やかに補正し、流体の流速、流量
を長期間安定的に測定することが可能となる。

【００３９】請求項４に記載の発明は、請求項１または
２に記載の発明について、減算回路の出力信号に加算す
る電圧を外部から調節することができるので、感温素子
の抵抗値や特性に経時的な変化が生じても、この電圧の
調節により、経時変化などによるフローセンサの検出値
のずれを速やかに補正し、流体の流速、流量を長期間安
定的に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１にかかるフローセンサ
の回路図である。

【図２】この発明の実施の形態２にかかるフローセンサ
の回路図である。

【図３】この発明の実施の形態３にかかるフローセンサ
の回路図である。

【図４】この発明の実施の形態４にかかるフローセンサ
の回路図である。

【図５】流体の流速の変動に応じた、第１、第２の感温
素子の出力電圧（ａ）、両感温素子の電圧差（ｂ）を示
すグラフである。

【図６】流体の流速の変動に応じた、第１、第２の感温
素子の出力電圧（ａ）、両感温素子の電圧差（ｂ）を示
すグラフである。

【符号の説明】

１ フローセンサ ５ 電圧加算回路 １１ 第１の感温素子 １２ 第２の感温素子 １３ 減算回路 １４ 減算回路 ２１ 減算回路 ３２ 出力端子 ３３ 入力端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方が流体の流路の上流側に他方が下流
   側に配置される第１及び第２の感温素子と、 前記第１の感温素子の端子間電圧と前記第２の感温素子
   の端子間電圧との差を検出する減算回路と、 この減算回路が出力する出力信号に所定の電圧を加算す
   る電圧加算回路と、を備えていることを特徴とするフロ
   ーセンサ。
2. 【請求項２】 電圧加算回路は、減算回路の出力信号に
   加算する電圧値の大きさが可変であることを特徴とする
   請求項１に記載のフローセンサ。
3. 【請求項３】 電圧加算回路は、減算回路の出力信号に
   加算する電圧値の大きさを表示する信号を外部に出力す
   る出力端子を備えていることを特徴とする請求項２に記
   載のフローセンサ。
4. 【請求項４】 電圧加算回路は、減算回路の出力信号に
   加算する電圧を外部から入力する入力端子を備えている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のフローセン
   サ。