JPH11351936A - 熱式流量センサ及び熱式流量検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータによって暖められた抵抗器が、流体に
よって冷却される程度を、その温度によってこの抵抗器
の抵抗値が変化することから検出し、流体の流量または
流速を検出する熱式流量検出回路において、抵抗器の抵
抗値の経時変化が流量検出精度に影響して、検出精度が
低下するという問題があり、この影響を軽減した回路を
提供する。 【解決手段】 感温抵抗Ｒ１と流体温度検出感温抵抗Ｒ
６の電圧差が一定になるように構成した定温制御回路４
１に接続されたヒータＲ７に流れる電流の検出を、従来
はヒータＲ７の両端電圧を検出していたが、Ｒ７に直列
に固定抵抗Ｒ４を挿入し、固定抵抗Ｒ４の両端から信号
電圧Ｖ１０を取出すようにした。

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、例えば自動車エ
ンジン制御や空調機器、プロセス装置など、気体又は液
体の流量あるいは流速の計測を目的とした熱式流量セン
サに関し、特にセンサ回路を構成する抵抗体の抵抗値変
動による流量検出値の精度低下を軽減する回路の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】気体、または液体の流れの中にヒータと
感温素子を配置して、熱の流れを検出することにより、
気体、液体の流速（流量）を計測するものには、主とし
て、 １）傍熱型（感熱素子近傍にヒータを配置する） ２）直熱型（感熱素子自体を発熱させる） の２つの方式がある。

【０００３】１） 初めに、従来の傍熱型の例について
説明する。図８は例えば特開昭６３−１３４９１９号公
報に示された、従来の傍熱型熱式流量センサの検出回路
である。図に於いて、Ｒ１は発熱温度検出用抵抗、Ｒ６
は被測定流体（図示せず）の温度を検出する流体温度検
出用抵抗である。発熱温度検出用抵抗Ｒ１、流体温度検
出用抵抗Ｒ６は、共に、抵抗値が温度により変化するＮ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉなどの感温抵抗体からなり絶
縁基板上に形成されている。Ｒ７は発熱抵抗体（ヒー
タ）であり発熱温度検出用抵抗Ｒ１と熱的に結合するよ
う近接して配置されている。

【０００４】発熱抵抗体Ｒ７は一般に用いられる固定抵
抗器などで構成してもよいが、同じ１枚の基板上に構成
するという生産方式から、発熱温度検出用抵抗Ｒ１、流
体温度検出用抵抗Ｒ６と同様な感温抵抗体で構成される
場合が多い。また、図中のＲ２、Ｒ３、Ｒ５はいずれも
固定抵抗器である。この回路は固定抵抗器Ｒ２、Ｒ３、
Ｒ５及び発熱温度検出用抵抗Ｒ１、流体温度検出用抵抗
Ｒ６によりブリッジ回路が構成されており、ブリッジ出
力をオペアンプ４１に入力し、オペアンプ４１の出力１
０から発熱抵抗体Ｒ７に加熱電流を供給している。そし
て、オペアンプ４１は定温度制御回路４０を構成してお
り、その入力が小さくなる方向（即ち、発熱温度検出用
抵抗Ｒ１、流体温度検出用抵抗Ｒ６の温度の差が小さく
なるよう）に発熱抵抗体Ｒ７を加熱する。

【０００５】流体温度検出用抵抗Ｒ６、発熱抵抗体Ｒ
７、発熱温度検出用抵抗Ｒ１は図９に示すように流体の
流れ５２の中に、上流側から順次配置され熱式流量セン
サ１００（以下単にセンサという）を構成している。１
０１はセンサ１００の端子である。

【０００６】図８のブリッジ回路が平衡状態の時には次
式が成立する。 Ｒ１・Ｒ２＝（Ｒ６＋Ｒ５）・Ｒ３ ……（１） 発熱温度検出用抵抗Ｒ１が、（１）式の値になって、ブ
リッジがバランスするよう発熱抵抗体Ｒ７に加熱電流が
供給される。このバランス状態では発熱温度検出用抵抗
Ｒ１の温度Ｔ１、及び発熱抵抗体Ｒ７の温度Ｔ７は、被
測定流体の温度に対して一定値高くなるように保持され
る。そして、Ｒ１の０℃での抵抗値をＲ１₀、温度をＴ
１、抵抗温度係数をα、とすれば、式（２）が成立す
る。一方、端子１０の電圧Ｖ１０は発熱抵抗体Ｒ７の両
端電圧として得られ、式（３）が成立する。

【０００７】

【数１】

【０００８】但し、Ｉは発熱抵抗体Ｒ７を流れる加熱電
流値、Ｔ７は発熱抵抗Ｒ７の温度、Ｔ６は流体温度検出
用抵抗Ｒ６の温度であり、ほぼ流体の温度と同じであ
る。また、Ａ、Ｂ、ｎは定数、Ｑｍは流量を表す。
（３）式によつて、Ｖ１０を測定することにより流量Ｑ
ｍを計測することが可能となる。

【０００９】ところで、この種の感熱抵抗体は、同じ温
度下に於ける抵抗値が長年の間に徐々に変化するいわゆ
る経時変化する性質がある。しかるに、流量出力信号Ｖ
１０と流量Ｑｍとの関係が式（３）に示すように非線形
であることから、経時変化による抵抗値の変動に対する
流量出力信号の変動が非直線となる。

【００１０】例えば、室温環境下で発熱温度が流体温度
＋２００℃、感温抵抗体（Ｒ１、Ｒ６）の抵抗温度係数
を α＝０．３％／℃、Ｒ１₀が経時変化により１％小
さくなったと仮定した場合、Ｒ１の抵抗値が一定になる
よう、その温度が制御されているため（２）式より発熱
体温度と流体温度の差、即ち、Ｔ１又はＴ７は約３％増
大する。このことの理解を助けるため、図１０に横軸に
温度、縦軸に抵抗値Ｒ１をとり、０℃のＲ１の値がＲ１
₀である場合の２００℃までの抵抗値変化特性線と、こ
れより１％小さい０．９９Ｒ１₀である場合の抵抗値変
化特性線とを示す。１％低いときには約２０６℃（＋３
％）にならなければもとの２００℃の抵抗値Ｒ１に達し
ないことが簡単な計算でわかる。また、発熱抵抗体Ｒ７
はこの３％の温度差変化に応じて１％増大する。したが
って（３）式よりＶ１０の変化倍率（％）を求めると√
（（１００＋３）（１００＋１））＝１０２％となり、
約２％の増加となる。この２％の増加は流量と出力の非
線形な関係に依存はするものの、流量換算で３〜５倍に
拡大されて現れる。このようなことから、例えば工業上
標準的な精度である０．５％の測定精度を得ようとする
と、ブリッジ回路を構成する抵抗値の抵抗値変動の許容
値を例えば０．１％以下におさえる必要がある。これは
不可能ではないが困難な要求である。

【００１１】次に発熱抵抗体Ｒ７の抵抗値が変動した場
合について検討する。例えば、前記と同様な条件下で発
熱抵抗体Ｒ７の０℃に於ける抵抗値Ｒ７₀が経時変化に
より１％小さくなったと仮定した場合、発熱抵抗体Ｒ７
の温度はもとの場合と同じ温度になるよう電流が制御さ
れるため、（３）式よりＶ１０は約−０．５％の変動と
なる。この変動量は流量と出力の非線形性に依存するも
のの流量に換算すれば発熱抵抗体Ｒ７の変動が３〜５倍
に拡大して現れる。

【００１２】２） 次に直熱型の例について説明する。
図１１に従来の直熱型熱式流量センサの検出回路を示
す。流れの中の下流側に発熱温度検出抵抗ｒ１、上流側
に被測定流体の温度を検出する流体温度検出用抵抗ｒ６
（ｒ６も発熱抵抗である）を設置し、固定抵抗３ａ、３
ｂ、Ｒ２、Ｒ４などと、オペアンプ４１により定温度制
御回路４０を構成している。発熱抵抗ｒ１も流体の温度
に対して一定値高い温度に保持され、平衡状態において
式（４）が成立する。但し、Ｔ６は発熱抵抗ｒ６の温
度、Ｔ１は下流側の抵抗ｒ１の温度を示す。定温度回路
４０の上流側の出力電圧Ｖ１０が出力として取出され、
式（６）で表される。

【００１３】

【数２】

【００１４】図１１の直熱型熱式流量センサの検出回路
においても前述の傍熱型と同様な回路定数公差の問題を
有している。例えば、室温環境下で 発熱温度が流体温度＋２００℃、 感熱抵抗体の抵抗温度係数α＝０．３％／℃、 下流側発熱温度検出用抵抗ｒ１の温度０℃に於ける抵抗
値ｒ１₀が経時変化により１％小さくなった。と仮定し
た場合、ｒ１は一定に制御されているため（２）式によ
り発熱体温度と流体温度の差は約３％増大する。したが
って（６）式よりＶ１０の倍率変化を求めると√（（１
００＋３）／（１００＋０））＝１．０１５となって約
＋１．５％の変動となる。このＶ１０の電圧変動による
流量換算変動は、流量と出力の非線形性に依存するが、
３〜５倍に拡大して現れる。

【００１５】次に、直熱型の変形と言える例（説明の都
合上２重直熱型という）について説明する。図１２は特
開平８−１０５７８０号公報に示す２重直熱型の流量検
出回路であり、流れに沿って上流側と下流側に２つの発
熱抵抗ｒ１、ｒ１１を配置し、各々の温度を流体温度よ
り一定値高い温度になるように、２つの直熱型定温度制
御回路を構成し、各々の定温度制御回路の出力の差から
流量信号Ｖ１０を得ている。流れの方向５２が反対方向
に変化した場合、流量信号Ｖ１０はマイナス出力として
現れるので逆流の検出が可能となる。

【００１６】図１２の検出回路においても（６）式が成
立し、同様な回路公差の問題を有している。例えば、上
流側発熱抵抗値ｒ１が−１％変化したときの発熱温度の
上昇は約＋３％、Ｖ１０において＋１．５％の変動とし
て現れるだけでなく、下流側の発熱抵抗ｒ１１にも影響
し、下流側発熱抵抗ｒ１１の加熱電流の低下を招く。

【００１７】つまり上流側発熱抵抗ｒ１の抵抗値変動に
より発熱温度が上昇すると、下流側発熱抵抗ｒ１１の発
熱温度を保持する発熱量は小さくなる。従って上流側発
熱抵抗ｒ１の加熱電流は増大し、下流側発熱抵抗ｒ１１
の加熱電流は減少するため、上流側加熱電流と下流側加
熱電流の加熱電流差に応じた出力変動が拡大して、前述
の図１３の発熱抵抗１個の場合に比べて流量換算誤差は
大きくなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
定温度制御回路からの信号Ｖ１０は、抵抗値の経時変化
の影響を受けやすいので、検出精度が高くならないとい
う問題があった。その影響を低減するためには、各抵抗
の安定性を高くする必要があるが、発熱抵抗や発熱温度
検出用抵抗は加熱電流により高温状態に保持されるため
抵抗値変動が生じやすく、その安定性を得ることは容易
でないという問題があった。

【００１９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、抵抗値の経時変化があっても、
それが出力に大きく影響しない検出回路を提供しようと
するものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明の熱式流量検出
回路は、流量又は流速を測定する対象である流体中に設
けられ、供給される電流により発熱する発熱抵抗体、こ
の発熱抵抗体に近接して設けた第１の感温抵抗体、前記
流体の温度を検出する第２の感温抵抗体、前記第１の感
温抵抗体と前記第２の感温抵抗体の温度差があらかじめ
定めた一定値になるように前記発熱抵抗体への電流を制
御、供給する定温度制御回路、前記発熱抵抗体への電流
値をもとに前記流体の流量又は流速を算出する演算回路
とを有する熱式流量検出回路において、前記発熱抵抗体
に直列接続した固定抵抗器を有し、前記演算回路は前記
固定抵抗器の両端電圧を用いて前記流体の流量又は速度
を演算するものである。固定抵抗の両端から信号電圧を
取出すので、発熱抵抗体の温度変化の影響が小さくな
る。

【００２１】また、流量又は流速を測定する対象である
流体中に設けられ、供給される電流により発熱する第１
の発熱抵抗体、この第１の発熱抵抗体に近接して設けた
第１の感温抵抗体、前記流体の温度を検出する第２の感
温抵抗体、前記第１の感温抵抗体と前記第２の感温抵抗
体の温度差があらかじめ定めた一定値になるように前記
第１の発熱抵抗体への電流を制御、供給する第１の定温
度制御回路を有する熱式流量検出回路において、前記第
１の発熱抵抗体より下流側に設置され、供給される電流
により発熱する第２の発熱抵抗体、この第２の発熱抵抗
体に近接して設けた第３の感温抵抗体、前記第２の感温
抵抗体と前記第３の感温抵抗体の温度差があらかじめ定
めた一定値になるように前記第２の発熱抵抗体への電流
を制御、供給する第２の定温度制御回路、前記第１の発
熱抵抗体の電流と前記第３の発熱抵抗体の電流との差を
もとに前記流体の流量又は流速を算出する演算回路とを
有するものである。固定抵抗の両端から信号電圧を取出
すので、発熱抵抗体の温度変化の影響が小さくなる。

【００２２】この発明による熱式流量センサは、第２の
感温抵抗体、第１の発熱抵抗体、第１の感温抵抗体、第
２の発熱抵抗体、第３の感温抵抗体を、１枚の絶縁基板
上に、かつ、前記第２の感温抵抗体は前記第１、第２の
発熱抵抗体の熱の影響を受けない上流側に配置したもの
である。

【００２３】また、この発明による熱式流量検出回路
は、流量又は流速を測定する対象である流体中に上流側
から下流側に向って順次設けられ、供給される電流によ
り発熱する第１、第２、第３の発熱抵抗体、これら発熱
抵抗体の上流に設置され前記流体の温度を検出する感温
抵抗体、前記感温抵抗体と前記第１、第２、第３の発熱
抵抗体の温度差が、それぞれあらかじめ定めた一定値に
なるように前記第１、第２、第３の発熱抵抗体への電流
をそれぞれに制御、供給する第１、第２、第３の定温度
制御回路、前記第１の発熱抵抗体の電流と前記第３の発
熱抵抗体の電流を固定抵抗の両端から取出すと共に、こ
の電流の差をもとに前記流体の流量又は流速を算出する
演算回路とを有するものである。固定抵抗の両端から信
号電圧を取出すことにより、発熱抵抗体の温度変化の影
響が小さくなる。また、中間に配置された第２の発熱抵
抗体により抵抗値の変化による温度変化の影響が軽減さ
れる。

【００２４】この発明による熱式流量センサは、感温抵
抗体、第１、第２、第３の発熱抵抗体を１枚の基板上
に、上流側から下流側へと前記の順序で配置したもので
ある

【００２５】この発明による熱式流量検出回路は、流量
又は流速を測定する対象である流体中に設けられ、供給
される電流により発熱する発熱抵抗体、この発熱抵抗体
に近接して設けた第１の感温抵抗体、前記流体の温度を
検出する第２の感温抵抗体、前記発熱抵抗体と前記第２
の感温抵抗体の温度差があらかじめ定めた一定値になる
ように前記発熱抵抗体への電流を制御、供給する第１の
定温度制御回路とを有する熱式流量検出回路において、
前記発熱抵抗体の電流値が入力信号として入力され、且
つ、第１の感温抵抗体の抵抗値の変化により増幅率が制
御される可変増幅率増幅器を有するものである。

【００２６】また、流量又は流速を測定する対象である
流体中に設けられ、供給される電流により発熱する発熱
抵抗体、この発熱抵抗体に近接して設けた第１の感温抵
抗体、前記流体の温度を検出する第２の感温抵抗体、前
記発熱抵抗体と前記第２の感温抵抗体の温度差があらか
じめ定めた一定値になるように前記発熱抵抗体への電流
を制御、供給する第１の定温度制御回路とを有する熱式
流量検出回路において、前記定温度制御回路は前記第１
の感温抵抗体の抵抗値の変化による電流の変動を減少さ
せるように制御されるものである。

【００２７】また、この発明の流量センサは、発熱抵抗
体、感温抵抗体の両方が共にＮｉ、ＰｔもしくはＰｏｌ
ｙーＳｉの同一感温素材によって構成されているもので
ある。

【００２８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態を図により説明する。図１は本発明の実施の形
態１による熱式流量検出回路（傍熱型）を示すものであ
る。図に於いて、Ｒ１は発熱温度検出用抵抗であり発熱
抵抗体Ｒ７と熱的に結合されるよう近接して配置されて
いる。Ｒ６は被測定流体の温度を検出する流体温度検出
用抵抗である。発熱温度検出用抵抗Ｒ１、流体温度検出
用抵抗Ｒ６は共に抵抗値が温度により変化する感温抵抗
体（従来例で説明したと同様のＮｉ、Ｐｔ、Ｐｏｌｙ−
Ｓｉなど）からなり、従来例の図９のように絶縁基板上
に形成されている。

【００２９】発熱抵抗体Ｒ７も上記発熱温度検出用抵抗
Ｒ１，流体温度検出用抵抗Ｒ６と同様な感温抵抗体から
構成される。固定抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５及び発熱温度検
出用抵抗Ｒ１，流体温度検出用抵抗Ｒ６によりブリッジ
回路を構成しており、ブリッジ出力をオペアンプ４１に
入力し、オペアンプ出力から発熱抵抗体Ｒ７に加熱電流
を供給している。発熱抵抗体Ｒ７には固定抵抗Ｒ４が直
列に接続されており、固定抵抗Ｒ４と発熱抵抗Ｒ７の接
続点はボルテージフォロア回路を構成したオペアンプ４
１へ入力されており出力が流量信号Ｖ１０となる。

【００３０】ブリッジ回路が平衡状態の時に発熱温度検
出抵抗Ｒ１の抵抗値は（１）式の値になるよう発熱抵抗
Ｒ７に加熱電流が供給され、発熱温度検出用抵抗Ｒ１及
び発熱抵抗Ｒ７は（２）式で示す温度に保持される。こ
れを定温度制御回路という。流量信号Ｖ１０は固定抵抗
Ｒ４における電圧降下として得られ、次式が成立する。

【００３１】

【数３】

【００３２】ただし、Ｉは発熱抵抗Ｒ７を流れる加熱電
流、Ｔ７は発熱抵抗Ｒ７の温度、Ｔ６は被測定流体温度
に近い流体温度検出用抵抗Ｒ６の温度、Ａ，Ｂ，ｎは定
数、Ｑｍは流量を示す。（７）式においてＶ１０は流量
Ｑｍの関数で与えられるので、Ｖ１０を測定することに
より流量検出が可能になる。図１の回路構成において、
例えば、室温環境下で発熱温度が流体温度＋２００℃，
感温抵抗体の抵抗温度係数α＝０．３％／℃，発熱温度
検出用抵抗Ｒ１の温度０℃における抵抗値Ｒ１₀が経時
変化により１％小さくなった、と仮定した場合、Ｒ１は
一定に制御されているため（２）式より発熱体温度と流
体温度の差は従来例で説明したとおり約３％増大する。

【００３３】また発熱抵抗Ｒ７はこの３％の温度差変化
に応じて１％増大する。したがって（７）式より発熱温
度（式の分子）の上昇分と発熱抵抗Ｒ７（式の分母）の
増大分が相殺されるため、Ｖ１０の倍率変動は√（（１
００＋３）／（１００＋１））＝１．０１となり変動は
＋１％と従来例（２％）に比べて小さくなる。発熱温度
を決めるＲ１の抵抗値変動の影響は、図１０に示す傍熱
型定温度回路の出力変動に比べて１／２，図１３に示す
直熱型定温度回路の出力変動に比べて２／３に縮小され
る。なお発熱抵抗Ｒ７の抵抗値変動に関しては従来に比
べて変動方向が反対になるだけで絶対値では同等とな
る。発熱温度検出用抵抗Ｒ１はこの発明に言う第１の感
温抵抗体である。流体温度検出用抵抗Ｒ６はこの発明に
言う第２の感温抵抗体である。ブリッジ出力からオペア
ンプ４１を経由して発熱抵抗体Ｒ７に至る回路はこの発
明に言う定温度制御回路である。

【００３４】実施の形態２．図２は本発明の実施の形態
２の熱式流量検出回路（傍熱型）である。図において、
流れ方向５２に対して上流側から流体温度検出用抵抗Ｒ
６，発熱温度検出用抵抗Ｒ１，発熱抵抗Ｒ７，発熱温度
検出用抵抗Ｒ１１、発熱抵抗Ｒ１７，がそれぞれ流れに
垂直に配置されている。ただし、上記発熱温度検出用抵
抗Ｒ１（Ｒ１１）と発熱抵抗Ｒ７（Ｒ１７）とは近接
し、熱的に結合された構造となっている。固定抵抗Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５と流体温度検出用抵抗Ｒ６，発熱
温度検出用抵抗Ｒ１，発熱抵抗Ｒ７，及びオペアンプ４
１Ａで、上流側発熱抵抗Ｒ７の温度を一定制御する定温
度回路（第１の定温度制御回路）を構成している。同様
にして固定抵抗Ｒ２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ５と流体温度
検出用抵抗Ｒ６，発熱温度検出用抵抗Ｒ１１，発熱抵抗
Ｒ１７，及びオペアンプ４１Ｂで下流側発熱抵抗Ｒ１７
の温度を一定制御する定温度回路（第２の定温度制御回
路）を構成している。上流側発熱抵抗Ｒ７の温度及び下
流側発熱抵抗Ｒ１７の温度が、流体温度検出用抵抗Ｒ６
の温度に比べて約１００〜２００℃高い一定温度になる
よう、上流側発熱抵抗Ｒ７と下流側発熱抵抗Ｒ１７それ
ぞれに加熱電流が供給される。上流側発熱抵抗Ｒ７と下
流側発熱抵抗Ｒ１７にはそれぞれ固定抵抗Ｒ４とＲ１４
が接続されており、接続点電圧は差動増幅回路４２の入
力に導かれている。差動増幅回路４２の出力１０は、上
流側発熱抵抗Ｒ７の加熱電流と下流側発熱抵抗Ｒ１７の
加熱電流の差に比例した電圧が現れる。差動増幅回路４
２はこの発明に言う演算回路である。

【００３５】ブリッジ回路が平衡状態の時に発熱温度検
出抵抗値、発熱温度等は実施の形態１と同様な動作を示
し、流量信号Ｖ１０は固定抵抗Ｒ４、Ｒ１４における電
圧降下の差に比例した電圧として、式（８）に示すよう
に得られる。ただし、Ｒ４＝Ｒ１４と仮定し、Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ，ｍ，ｎはすべて定数を示す。

【００３６】

【数４】

【００３７】図２の回路構成において、個々の定温度回
路における発熱温度検出用抵抗Ｒ１，Ｒ１１の抵抗温度
特性の変動による流量信号への影響は、図１に示す検出
回路の場合と同等であるため、差動出力Ｖ１０も図１４
に示す従来の逆流検出可能な熱式流量センサの直熱型定
温度検出回路におけるそれに比較して小さくなる。

【００３８】図３にこの発明の実施の形態２の熱式流量
センサのセンサエレメント構造図を示す。図において５
１はシリコン基板上に酸化膜またはシリコン窒化膜等か
らなる絶縁膜を形成したチップ基板であり、５０は裏面
のシリコンをエッチングで除去して形成した薄膜ダイヤ
フラム部を示す。５２は順方向の流れ方向を示し、順方
向上流側から流体温度検出用抵抗Ｒ６，発熱温度検出抵
抗Ｒ１，Ｒ１１が形成され、上記各々の発熱温度検出抵
抗Ｒ１，Ｒ１１に近接して発熱抵抗Ｒ７，Ｒ１７が配置
されている。いずれの抵抗体も白金、ニッケル、多結晶
シリコン抵抗等、抵抗値が温度に依存する感温抵抗体か
ら形成されている。発熱温度検出抵抗Ｒ１，Ｒ１１は発
熱抵抗Ｒ７，Ｒ１７に比べて抵抗値が例えば１０〜２０
倍大きい値になるようパターニングされており、発熱抵
抗Ｒ７，Ｒ１７のみがジュール熱により発熱する構成と
なっている。薄膜ダイヤフラム５０上に発熱抵抗Ｒ７，
Ｒ１７を形成した断熱構造となっているため、流体温度
検出用抵抗Ｒ６は流体温度にきわめて近い温度となる。
流体温度検出用抵抗Ｒ６の位置は発熱抵抗Ｒ７、Ｒ１７
より上流側（上流の意味は発熱抵抗の熱の影響を受けな
い位置という意味であり、例えば適当な距離離れた側方
でもよい）に設置する。発熱抵抗Ｒ７、Ｒ１７はこの発
明に言う第１、第２の発熱抵抗体である。発熱温度検出
用抵抗Ｒ１、Ｒ１１はこの発明に言う第１、第３の感温
抵抗体である。流体温度検出用抵抗Ｒ６はこの発明に言
う第２の感温抵抗体である。

【００３９】実施の形態３．図４にこの発明の実施の形
態３に係る熱式流量検出回路図を示す。図において６０
ａ，６０ｂ，６０ｃは、それぞれ発熱抵抗ｒ１，ｒ１
１，ｒ２１を対象とした定温度回路を示しており、発熱
抵抗ｒ１，ｒ１１は例えば流体温度に比べて約１８０
℃，また発熱抵抗ｒ２１は流体温度に比べて２００℃高
い一定温度に制御されている。固定抵抗Ｒ４，Ｒ１４に
おける電圧差が差動増幅回路オペアンプ４２に導かれ、
オペアンプ４２の出力１０には、増幅され、流量に依存
した流量信号が出力される。差動増幅回路オペアンプ４
２はこの発明に言う演算回路である。流体温度検出抵抗
ｒ６及び発熱抵抗ｒ１、ｒ２１、ｒ１１は図５に示すよ
うに流れ５２の中に順に配置されている。

【００４０】例えば発熱抵抗ｒ１の抵抗温度特性のみが
経時変化により変動した場合、発熱抵抗ｒ１に流れる加
熱電流は変動するものの、図５の配列の中央に介在する
発熱抵抗ｒ２１の発熱温度が変動しなければ、従来例の
ように下流側発熱抵抗ｒ１１の発熱特性に影響を及ぼし
て発熱抵抗ｒ１１の加熱電流が低下するといった現象が
生じないため、加熱電流差誤差が拡大することがない。
したがって従来の加熱電流差出力形態の熱式流量センサ
に比べて発熱抵抗値の経時変化の影響が小さくなる。

【００４１】なお下流側発熱抵抗ｒ１１の抵抗温度特性
が変動した場合も同様な作用により、少なくとも図１４
に示す従来の発熱抵抗を２個使用した流量センサに比べ
て影響は低減する。さらに加熱電流差を検出しているた
め中央に介在する発熱抵抗ｒ２１の抵抗温度特性が変動
した場合の流量特性への影響は、極めて小さく発熱抵抗
が１個増えることによる弊害は殆ど無い。定温度制御回
路６０ａ，６０ｂ、６０ｃはこの発明に言う第１、第
２、第３の定温度制御回路である。発熱抵抗ｒ１、ｒ２
１、ｒ１１はこの発明に言う第１、第２、第３の発熱抵
抗体である。図４のｒ６はこの発明に言う感温抵抗体で
ある。

【００４２】実施の形態４．図６にこの発明の実施の形
態４に係る熱式流量センサの直熱型定温度回路図を示
す。図においてｒ１は発熱抵抗、ｒ６は流体温度検出用
抵抗を示し、発熱抵抗ｒ１に流れる加熱電流に比例した
電圧をオペアンプ４１，抵抗Ｒ４５，Ｒ４６で増幅して
流量信号Ｖ１０を出力する構成となっている。出力電圧
Ｖ１０と流量Ｑｍの関係は下式で表される。

【００４３】

【数５】

【００４４】抵抗Ｒ４６には固定抵抗を用い、抵抗Ｒ４
５は例えば白金のような抵抗値が温度に依存して直線的
に変化する温度依存性抵抗を用いて、発熱抵抗ｒ１と抵
抗Ｒ４５の平均温度がほぼ同一になるように発熱抵抗ｒ
１の近傍に形成されている。

【００４５】図６の回路構成において、例えば、室温環
境下で発熱温度が流体温度＋２００℃，感温抵抗体の抵
抗温度係数α＝０．３％／℃，発熱温度検出用抵抗ｒ１
の温度０℃における抵抗値ｒ１₀が経時変化により１％
小さくなったと仮定した場合、発熱抵抗ｒ１は一定であ
り、発熱体温度と流体温度の差は約３％増大する。また
発熱抵抗ｒ１の近傍に設けた抵抗Ｒ４５はこの３％の温
度差変化に応じて１％増大する。したがって（９）式よ
り発熱温度の上昇分と抵抗Ｒ４５の増大分がある程度相
殺されるため、Ｖ１０の変動倍率は（１００／（１００
＋１））√（（１００＋３）／１００）＝１．００５と
なって、＋０．５％と従来例に比べて小さくなる。発熱
抵抗ｒ１はこの発明に言う発熱抵抗体である。抵抗Ｒ４
５はこの発明に言う第１の感温抵抗体である。流体温度
検出用抵抗ｒ６はこの発明に言う第２の感温抵抗体であ
る。オペアンプ４１はこの発明に言う可変増幅率増幅器
である。

【００４６】実施の形態５．図７にこの発明の実施の形
態４に係る熱式流量センサの直熱型定温度回路図を示
す。図においてｒ１は発熱抵抗、ｒ６は流体温度検出用
抵抗を示し、発熱抵抗ｒ１に流れる加熱電流に比例した
電圧Ｖ１０から流量信号を得る構成となっている。発熱
抵抗ｒ１の抵抗値、及びＶ１０は下式で表される。

【００４７】

【数６】

【００４８】抵抗Ｒ３ａには固定抵抗を用い、抵抗Ｒ３
ｂは例えば白金のような抵抗値が温度に依存して直線的
に変化する温度依存性抵抗を用いて、発熱抵抗ｒ１と抵
抗Ｒ３ｂの平均温度がほぼ同一になるように発熱抵抗の
近傍に形成されている。抵抗Ｒ３ａ，Ｒ３ｂはいずれも
発熱抵抗ｒ１に比べて大きく、自己発熱は殆どない。

【００４９】図７の回路構成において、例えば、室温環
境下で発熱温度が流体温度＋２００℃、感温抵抗体の抵
抗温度係数α＝０．３％／℃，発熱温度検出用抵抗ｒ１
の温度０℃における抵抗値ｒ１₀が経時変化により１％
小さくなったと仮定した場合、発熱体温度と流体温度の
差は約３％増大する。また発熱抵抗ｒ１の近傍に設けた
抵抗Ｒ３ｂはこの３％の温度差変化に応じて１％増大す
る。（１０）式から明らかなように抵抗Ｒ３ｂの増大
は、発熱温度の上昇を相殺する方向に作用し、最終的に
発熱抵抗ｒ１は１％弱減少し、温度差は０．５％程度増
大するため加熱電流では０．７％増大、即ち √（（１００＋０．５）／（１００−１））＝１．００
７ となる。この加熱電流の変動幅は従来の図１１に示す同
様な条件での変動幅＋１．５％の半分となり、抵抗値変
動の影響を半減できる。発熱抵抗ｒ１はこの発明に言う
発熱抵抗体である。抵抗Ｒ３ｂはこの発明に言う第１の
感温抵抗体である。抵抗ｒ６は第２の感温抵抗体であ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、発熱
抵抗の温度制御回路と発熱部を分離した傍熱型回路にお
いて加熱電流に比例した電圧を流量信号として検出する
構成としたため、発熱抵抗の抵抗温度特性の変動による
発熱温度変動と発熱抵抗の変動が相殺する方向に働き、
従来のセンサよりも流量換算変動が小さくなる。したが
って抵抗値変動に起因したセンサの経時変化が低減した
り、発熱抵抗の信頼性を考慮した抵抗値公差が緩和され
る。

【００５１】また、この発明によれば、前記検出回路に
更に、発熱抵抗と発熱温度検出用抵抗、固定抵抗等から
構成した定温度回路を付加することで従来のセンサより
も回路公差の影響が小さく、かつ逆流検出可能なセンサ
が実現できる。

【００５２】また、この発明によれば、２つの発熱抵抗
に介在して、第３の発熱抵抗を設けて一定温度制御する
ことにより上流側または下流側発熱抵抗の抵抗温度特性
が変動した場合でも熱的な相互干渉を小さくすることが
でき従来の発熱抵抗体を２つ設けたセンサに比べて流量
特性への影響が低減する。したがって抵抗値変動に起因
したセンサの経時変化が低減したり、発熱抵抗の信頼性
を考慮した抵抗値公差が緩和される。

【００５３】また、この発明によれば、発熱抵抗の加熱
電流に比例した電圧をさらにゲインが発熱抵抗温度に依
存した増幅回路で増幅する構成としたため発熱抵抗の抵
抗温度特性の変動による発熱温度変動と発熱抵抗の変動
が相殺する方向に働き、従来のセンサよりも流量換算変
動が小さくなる。したがって抵抗値変動に起因したセン
サの経時変化が低減したり、発熱抵抗の信頼性を考慮し
た抵抗値公差が緩和される。

【００５４】また、この発明によれば、発熱抵抗の抵抗
値を制御するブリッジ回路に抵抗値が発熱温度に応じて
変化する温度依存性抵抗による構成としたため、発熱抵
抗の抵抗温度特性の変動による発熱温度変動と発熱抵抗
の変動が相殺する方向に働き、従来のセンサよりも流量
換算変動が小さくなる。したがって抵抗値変動に起因し
たセンサの経時変化が低減したり、発熱抵抗の信頼性を
考慮した抵抗値公差が緩和される。

【００５５】また、この発明の熱式流量センサは感温抵
抗体、発熱抵抗体のいずれもが同一の感温素材によって
構成されているにも関わらず、その検出精度が高く、セ
ンサの製作が容易であるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による熱式流量検出
回路である。

【図２】 この発明の実施の形態２による熱式流量検出
回路である。

【図３】 図２の回路のセンサエレメントの構造を示す
図である。

【図４】 この発明の実施の形態３の熱式流量検出回路
である。

【図５】 図４の回路のセンサエレメントの構造図であ
る。

【図６】 この発明の実施の形態４の熱式流量検出回路
である。

【図７】 この発明の実施の形態５の熱式流量検出回路
である。

【図８】 従来の傍熱型熱式流量検出回路の図である。

【図９】 図８の回路のセンサエレメントの構造図であ
る。

【図１０】 温度特性の説明図である。

【図１１】 従来の直熱式流量検出回路図である。

【図１２】 従来の他の直熱式流量検出回路図である。

【符号の説明】

Ｒ１、ｒ１ 発熱温度検出用抵抗、 Ｒ２〜Ｒ５
固定抵抗、Ｒ６、ｒ６ 流体温度検出用抵抗、 Ｒ
７、ｒ７ 発熱抵抗体、Ｖ１０ 流量信号、
Ｒ１１ 下流側発熱温度検出抵抗、Ｒ１１〜Ｒ１５
固定抵抗、 Ｒ１７ 下流側発熱抵抗、４１ オペア
ンプ、 ４２ 差動増幅回路、５０ 薄肉ダ
イアフラム部、

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流量又は流速を測定する対象である流体
   中に設けられ、供給される電流により発熱する発熱抵抗
   体、この発熱抵抗体に近接して設けた第１の感温抵抗
   体、前記流体の温度を検出する第２の感温抵抗体、前記
   第１の感温抵抗体と前記第２の感温抵抗体の温度差があ
   らかじめ定めた一定値になるように前記発熱抵抗体への
   電流を制御、供給する定温度制御回路、前記発熱抵抗体
   への電流値をもとに前記流体の流量又は流速を算出する
   演算回路とを有する熱式流量検出回路において、 前記発熱抵抗体に直列接続した固定抵抗器を有し、前記
   演算回路は前記固定抵抗器の両端電圧を用いて前記流体
   の流量又は速度を演算する事を特徴とした熱式流量検出
   回路。
2. 【請求項２】 流量又は流速を測定する対象である流体
   中に設けられ、供給される電流により発熱する第１の発
   熱抵抗体、この第１の発熱抵抗体に近接して設けた第１
   の感温抵抗体、前記流体の温度を検出する第２の感温抵
   抗体、前記第１の感温抵抗体と前記第２の感温抵抗体の
   温度差があらかじめ定めた一定値になるように前記第１
   の発熱抵抗体への電流を制御、供給する第１の定温度制
   御回路を有する熱式流量検出回路において、 前記第１の発熱抵抗体より下流側に設置され、供給され
   る電流により発熱する第２の発熱抵抗体、この第２の発
   熱抵抗体に近接して設けた第３の感温抵抗体、前記第２
   の感温抵抗体と前記第３の感温抵抗体の温度差があらか
   じめ定めた一定値になるように前記第２の発熱抵抗体へ
   の電流を制御、供給する第２の定温度制御回路、 前記第１の発熱抵抗体の電流と前記第３の発熱抵抗体の
   電流との差をもとに前記流体の流量又は流速を算出する
   演算回路とを有する熱式流量検出回路。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の熱式流量検出回路の第
   ２の感温抵抗体、第１の発熱抵抗体、第１の感温抵抗
   体、第２の発熱抵抗体、第３の感温抵抗体を、１枚の絶
   縁基板上に、かつ、前記第２の感温抵抗体は前記第１、
   第２の発熱抵抗体の熱の影響を受けない上流側に配置し
   たことを特徴とする熱式流量センサ。
4. 【請求項４】 流量又は流速を測定する対象である流体
   中に上流側から下流側に向って順次設けられ、供給され
   る電流により発熱する第１、第２、第３の発熱抵抗体、
   前記第１、第２、第３の発熱抵抗体より上流に設置され
   前記流体の温度を検出する感温抵抗体、前記感温抵抗体
   と前記第１、第２、第３の発熱抵抗体の温度差が、それ
   ぞれあらかじめ定めた一定値になるように前記第１、第
   ２、第３の発熱抵抗体への電流をそれぞれに制御、供給
   する第１、第２、第３の定温度制御回路、 前記第１の発熱抵抗体の電流と前記第３の発熱抵抗体の
   電流との差をもとに前記流体の流量又は流速を算出する
   演算回路とを有する熱式流量検出回路。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の感温抵抗体、第１、第
   ２、第３の発熱抵抗体を１枚の基板上に、上流側から下
   流側へと前記の順序で配置したことを特徴とする熱式流
   量センサ。
6. 【請求項６】 流量又は流速を測定する対象である流体
   中に設けられ、供給される電流により発熱する発熱抵抗
   体、この発熱抵抗体に近接して設けた第１の感温抵抗
   体、前記流体の温度を検出する第２の感温抵抗体、 前記発熱抵抗体と前記第２の感温抵抗体の温度差があら
   かじめ定めた一定値になるように前記発熱抵抗体への電
   流を制御、供給する定温度制御回路とを有する熱式流量
   検出回路において、 前記発熱抵抗体の電流値が入力信号として入力され、且
   つ、第１の感温抵抗体の抵抗値の変化により増幅率が制
   御される可変増幅率増幅器を有することを特徴とする熱
   式流量検出回路。
7. 【請求項７】 流量又は流速を測定する対象である流体
   中に設けられ、供給される電流により発熱する発熱抵抗
   体、この発熱抵抗体に近接して設けた第１の感温抵抗
   体、前記流体の温度を検出する第２の感温抵抗体、 前記発熱抵抗体と前記第２の感温抵抗体の温度差があら
   かじめ定めた一定値になるように前記発熱抵抗体への電
   流を制御、供給する定温度制御回路とを有する熱式流量
   検出回路において、 前記定温度制御回路は前記第１の感温抵抗体の抵抗値の
   変化による第１の感温抵抗体の電流の変動を減少させる
   ように、前記発熱抵抗体の電流を制御するものであるこ
   とを特徴とする熱式流量検出回路。
8. 【請求項８】感温抵抗体、発熱抵抗体はいずれもＮｉ、
   ＰｔもしくはＰｏｌｙーＳｉの同一感温素材で構成され
   ていることを特徴とする請求項３又は５のいずれかに記
   載の熱式流量センサ。