JPS6275319A

JPS6275319A - 流れ測定方法

Info

Publication number: JPS6275319A
Application number: JP60216490A
Authority: JP
Inventors: Shunji Shiromizu; 白水　俊次; Masayuki Sekimura; 関村　雅之
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、流体の２次元的な流れの流速を測定するため
の半導体流速検出素子を用いて、３次元的な流れの方向
さらには流速を測定する流れ検出方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

流体の流れに関する測定といえば、一般的には１次元的
な流れの流速（流量）の測定がほとんどである。流れが
２次元的な広がりをもってくると、流速のほかに流れの
方向を測定することも必要となる。このような２次元的
な流れの方向や流速を測定するものとしては、気象用で
ある風向、風速計が例として挙げられる。

ところが、流れが３次元的な変化を持つようになると、
その流れの方向や流速を測定する有効な手段はないのが
実状である。このような３次元的な流れについての測定
は、例えば半導体製造設備におけるクリーンルーム等で
の空気の流れをモニターする場合に有効と考えられる。

〔発明の目的〕

本発明は流れの方向が３次元的に変化するような流体の
流れ方向や、さらにはその流速を測定することが可能な
流れ測定方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明においては、同一の半導体基板上に少なくとも２
個の温度測定用素子と１個の発熱用素子とを形成して構
成され、少なくとも２個の温度測定用素子の測定温度差
に対応した温度差信号および発熱素子の発熱量に対応し
た発熱量信号が得られるようにした２次元的な流れの流
速を検出するための半導体流速検出素子を用い、これに
半導体基板の面に垂直な支持軸を軸回りに回転させ、か
つ任意の平面内で回転させることが可能な機械的駆動手
段を組合せ、この支持軸を温度差信号が最小となるよう
に軸回りに回転させた後、発熱量信号が最小となるよう
に平面内で回転させ、支持軸の軸回りの回転角度および
平面内の回転角度から？ＬＩｌｌ定流体の流れの方向を
測定する。

また、本発明では被測定流体の流れの方向を測定した後
、さらに半導体基板の面が被測定流体の流れ方向と平行
となるように平面内で回転させ、そのときの温度差信号
および発熱量信号に基づいて被測定流体の流速を測定す
る。

〔発明の効果］本発明によれば、本来２次元的な流れを測定するための
手段である半導体流速検出素子によって（ｑられる温度
差信号および発熱量信号の、半導体流速検出素子の傾き
角依存性を利用して、機械的駆動手段としての駆動應構
と、適当な信号処理演算手段を組合わせることにより、
従来不可能もしくは困難であった３次元的な流れの変化
を持つ流体の流れ方向や、その方向での流速を求めるこ
とができ、各種環境下での各種流体の流れをモニターし
たり解析するのに極めて有用である。

（発明の実施例）第１図は本発明の一実施例に係る流れ測定方法に使用す
る測定装置の概略構成図である。この測定装置は半導体
流速検出素子１と、この流速検出素子１を電気的に駆動
し、かつこの流速検出素子１からの信号を取出す駆動回
路２と、流速検出素子１を機械的に駆動する駆動様構３
と、駆動回路２で検出された信号を処理し演算し、さら
に駆動礪構３の制御を行なう信号処理演算回路４とによ
り構成されている。

半導体流速検出素子１は第２図に示すように円形パッケ
ージ１１の中央部に半導体基板１２を実装した構造であ
り、半導体基板１２には第３図に示すように対向する２
辺近傍に位置して２個の温度測定用素子２１．２２が形
成され、さらに中央部に位置して１個の発熱用素子２３
が形成されている。これら温度測定用素子２１．２２お
よび発熱用水子２３は、例えばトランジスタにより構成
される。

第４図に半導体流速検出素子１および駆動回路２の回路
構成を示す。温度測定用素子２１．２２としてのトラン
ジスタはベースが接地され、コレフタが抵抗Ｒ＋　、Ｒ
２を介して正の電源Ｖ＋に接続され、エミッタが共通の
抵抗Ｒ３および電流源２５を介して負の電源Ｖ−に接続
されており、両コレクタ電圧の差が温度差信号ＶＯとし
て出力される。発熱用素子２３としてのトランジスタの
コレクタ、エミッタは、それぞれ抵抗Ｒ４、Ｒｓを介し
て電源ｖ”、ｖ−に接続されている。もう一つのトラン
ジスタ２４は被測定流体の温度測定用素子であり、その
ベースは接地され、コレクタは電源Ｖ＋に接続され、エ
ミッタは電流ｉＴ！２６に接続されている。演算増幅器
２７は温度測定用素子２１．２２のベース・エミッタお
よび抵抗Ｒ３の電圧降下と、被測定流体の温度測定用素
子２４の電圧降下を差動増幅する。この演算増幅器２７
の出力電圧が発熱用トランジスタ２３のベースに帰還さ
れることにより、発熱用素子２３の温度ＴＯが被測定流
体の温度Ｔｆより一定値だけ高い温度となるように発熱
用素子２３の電流が制御される。

温度測定用素子２１．２２のコレクタ間からは、画素子
２１．２２の測定温度差に対応した電圧の温度差信号Ｖ
Ｏが出力され、また発熱用素子２３のコレクタからは該
素子２３の発熱量に対応した電圧の発熱量信号ＶＣが出
力され、これらの信号Ｖｏ　、Ｖｃが信号処理演算回路
４に供給される。

一方、駆動機構３は第２図に示すように半導体流速検出
素子１のパッケージ１１の中央部に一端が固定された支
持軸１３を含んで構成され、この支持軸１３をその軸回
りに回転させ、かつ任意の平面内で回転させることが可
能な機構となっている。このような駆動機構３は例えば
ユニバーサルジヨイント等を用いて容易に構成すること
ができる。

今、半導体流速検出素子１を第２図に示したように、矢
印で示す流れに対して半導体基板１１が平行となるよう
に置いた場合に、流れ方向θを第５図に示すように定め
ると、温度差信号ＶＯ。

ＶＣと流速ｖｆおよび流れ方向θの間には、次の関係が
成立つ。

ＶＯ＝ａＪ　ｖ（ｍｓｉｎＯ・−一（１ＬＶｃ　＝ｌ）
ｙ（ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　−・−（
２）但しａ、ｂ、γは定数である。

これらの関係から流速ｖｆ、流れ方向θは次のように求
められる。

ｖｒ−＝（籐）ｒ　　　　　　　　　　・・・（３１信
号処理演算回路４においては、駆動回路２を通して入力
される温度差信号０１発熱量信号ＶＣから流速Ｖｆおよ
び流れの方向θを求めるが、これは基本的には半導体流
速検出素子１のパッケージ１１．半導体基板１２が流れ
に対し平行である場合にのみ可能であり、流れに対し傾
いている場合には単純にｖｆ、θを求めることはできな
い。

ここで、半導体流速検出素子１における半導体基板１２
の流れに対する傾き角を第６図に示すΦで定義すると、
温度差信号ＶＯおよび発熱量信号Ｖｃはこの傾き角ψに
対しそれぞれ第７図および第８図に示す特性を示し、ψ
＝９０°のとき温度差信号ＶＯはＶＯ−Ｏとなり、また
発熱量信号Ｖｃは最小値をとる。

本発明はこのような温度差信号■ｏおよび発熱量信号Ｖ
ｃの傾き角ψに対する依存性を利用し、以下に示す手順
により第６図に示すような３次元的な流れの流れ方向お
よび流速を測定する。

第９図を参照して説明すると、まず半導体流速検出素子
１の中央部を支持している支持軸１３を軸回りに回転さ
せ、第９図（ａ）に示す状態、すなわちＶｏ＝Ｏとなる
状態に設定する。このときの基準方向（この基準方向は
予め任意に選ぶことができる）からの支持軸１３の回転
角をαとする。

この状態では、発熱用素子２３を長さ方向に横切る線Ａ
−Ａ’　を含々、かつ半導体基板１２の面に垂直な面は
、流れ方向に平行となっている。

次に、線Ａ−Ａ’　を通り、かつ半導体基板１２の面に
垂直な平面内で支持軸１３を回転させ、第９図（ｂ）に
示すように発熱量信号Ｖｃが最小値となるようにする。

このときの支持軸１３の回転角をβとする。この状態で
は、半導体基板１２の面は流れの方向に対して垂直とな
る。従って、この状態で流れの方向はα、（９０°−β
）として求めることができる。

以上により流れの方向が求まるが、流速を求める必要が
ある場合は、さらに第９図（ｂ）の状態から支持軸１３
を同じ平面内で９０°回転させ、第９図（Ｃ）に示すよ
うに半導体基板１２の面を流れの方向に対して平行にす
る。この状態は第２図の場合と同じであり、従って前述
したように（２）。

（３式から流速■「を計算により求めることができる。

また、流れの方向が第９図（Ｃ）の状態から半導体基板
１２の面内で２次元的に変化する場合は、引続き支持軸
１３を回転させることなく、流れの方向および流速を求
めることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、例えば流れの方向のみを測定する目的の場合には、
第９図（ｂ）までのステップがあればよく、第９図（Ｃ
）のごとく半導体基板１２の面を流れの方向に対して平
行にするステップは不要である。また、上記実施例では
半導体流速検出素子１の下部に駆動機構３が取付けられ
ていたが、半導体流速検出素子のパッケージ内に一体に
駆動渫構を組込んでもよい。その他、本発明は要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例に係る流れ測定方法に使用す
る装置の概略構成を示すブロック図、第２図および第３
図は本発明で使用する半導体流速検出素子の構成を示す
図、第４図は半導体検出素子およびその駆動回路の回路
図、第５図は２次元的な流れの流れ方向を測定する原理
を説明するための図、第６図は３次元的な流れに対する
半導体流速検出素子の傾き角の説明図、第７図は温度差
信号の傾き角依存性を示す特性図、第８図は発熱量信号
の傾き角依存性を示す特性図、第９図（ａ）〜（Ｃ）は
本発明に係る流体の流れ方向および流速測定の手順を説
明するための図である。１・・・半導体流速検出素子、２・・・駆動回路、３・
・・駆動機構、４・・・信号処理演算回路、１１・・・
半導体流速検出素子のパッケージ、１２・・・半導体基
板、１３・・・支持軸、２１，２．２・・・温度測定用
素子、２３・・・発熱用素子、２４・・・被測定流体の
温度測定用素子、２５．２６・・・電流源、２７・・・
演算増幅器。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第７図碌う１１１／（’）第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）同一の半導体基板上に少なくとも２個の温度測定
用素子と１個の発熱用素子とを形成してなる半導体流速
検出素子と、前記少なくとも２個の温度測定用素子の測
定温度差に対応した温度差信号を出力する手段と、前記
発熱用素子を被測定流体の温度より一定値だけ高い温度
を保つように通電する手段と、この手段により前記発熱
素子に流れる電流を検出して該発熱素子の発熱量に対応
した発熱量信号を出力する手段と、前記半導体流速検出
素子を支持する前記半導体基板の面に垂直な支持軸を軸
回りに回転させ、かつ任意の平面内で回転させる駆動機
構とを用い、前記支持軸を前記温度差信号が最小となる
ように軸回りに回転させた後、前記発熱量信号が最小と
なるように平面内で回転させ、前記支持軸の軸回りの回
転角度および平面内の回転角度から被測定流体の流れの
方向を測定することを特徴とする流れ測定方法。
（２）同一の半導体基板上に少なくとも２個の温度測定
用素子と１個の発熱用素子とを形成してなる半導体流速
検出素子と、前記少なくとも２個の温度測定用素子の測
定温度差に対応した温度差信号を出力する手段と、前記
発熱用素子を被測定流体の温度より一定値だけ高い温度
を保つように通電する手段と、この手段により前記発熱
素子に流れる電流を検出して該発熱素子の発熱量に対応
した発熱量信号を出力する手段と、前記半導体流速検出
素子を支持する前記半導体基板の面に垂直な支持軸を軸
回りに回転させ、かつ任意の平面内で回転させる駆動機
構とを用い、前記支持軸を前記温度差信号が最小となる
ように軸回りに回転させた後、前記発熱量信号が最小と
なるように平面内で回転させ、前記支持軸の軸回りの回
転角度および平面内の回転角度から被測定流体の流れの
方向を測定し、さらに半導体基板の面が被測定流体の流
れ方向と平行となるように平面内で回転させ、そのとき
の前記温度差信号および前記発熱量信号に基づいて前記
被測定流体の流速を測定することを特徴とする流れ測定
方法。