WO2000077478A1

WO2000077478A1 - Detecteur de vitesse d'ecoulement

Info

Publication number: WO2000077478A1
Application number: PCT/JP2000/003845
Authority: WO
Inventors: Nobuhiko Zushi; Shoji Kamiunten
Original assignee: Yamatake Corporation
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2000-12-21
Also published as: EP1124114A4; AU5246800A; US6536274B1; CN1209603C; KR20010103568A; KR100524021B1; CN1318147A; EP1124114A1; JP4271888B2

Description

明細書流速検出器技術分野

本発明は、被検出流体（例えば、空気）の流速を検出する流速検出器に関するものである。景技術

従来より、この種の流速検出器として、 2個のセンサとヒー夕素子からなるダィァフラム型流速検出器が用いられている。図 13に、従来よりあるダイアフラム型流速検出器の概略断面構造を示す。また、図 12に、このダイアフラム部の平面図を示す。図 12と図 13において、 1はシリコンチップ（基台）、 1— 1 は基台 1の上面に空間 1一 2を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部、 2 (2 - 1) はダイアフラム部 1— 1上に形成された金属薄膜の発熱体（ヒータ）、 3 U (3U0) および 3D (3 D 0) はヒー夕 2の両側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体（温度センサ）、 4はダイアフラムを貫通するスリットである。

ヒー夕 2や温度センサ 3 U， 3Dは、例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層 5により覆われている。ヒー夕 2および温度センサ 3U， 3Dは、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向 Aとほ垂直にして配置されている。

この流速検出器を用いた流速計測方法の原理を述べる。ヒ一夕 2は、周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ 3 U, 3Dは、定電流または定電圧で駆動される。このように駆動された状態において、被検出流体の流速が零の時には、温度センサ 3 U， 3Dの温度は同一になり、温度センサ 3 U, 3 Dの抵抗値に差は生じない。被検出流体の流れがある時には、上流に位置する温度センサ（上流側温度センサ） 3Uは、ヒ一夕 2方向へ向かう被検出流体の流れにより熱が運び去れるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ（下流側温度センサ） 3 Dは、ヒー夕 2で加熱された被検出流体の流れによって熱せられる。この上流側と下流側の温度差の発生によって、上流側温度センサ 3 Uと下流側温度センサ 3 Dの抵抗値に差が生じる。この抵抗値の差を電圧値の差として検出することにより、上記流速検出器では、被検出流体の流速を求めるようにしている。

ところが上述した従来の流速検出器では、例えば被検出流体の流速が 2 O mZ s以上になると、温度センサ 3 U, 3 Dの温度が飽和してしまい、流速を検出することができなくなるという問題があった。図 1 1に、流速とセンサ出力との関係を示す。同図に示す特性 I力従来の流速検出器の流速一センサ出力特性であり、 2 O mZ s付近からセンサ出力が飽和しており、高流速の検出ができなくなる。これは、ヒ一夕 2と温度センサ 3 U， 3 Dとの熱結合が低いことに起因している。

ヒー夕 2と温度センサ 3 U, 3 Dとの熱結合を高める構成として、本出願人は、特公平 4一 7 4 6 7 2号公報（先願 1 ) ゃ特公平 6— 6 8 4 5 1号公報（先願 2 ) に示されているような流速センサを提案している。先願 1では、ダイアフラム上にヒー夕と温度センサとを重ねて形成することによって熱結合を高め、高流速の検出を可能としている。先願 2では、ダイアフラム上に並置されたヒータと温度センサとの上面を金属層で覆うことによって熱結合を高め、高流速の検出を可能としている。

しかしながら、先願 1や先願 2では、ヒー夕と温度センサとの熱結合を高めることによって高流速の検出が可能とはなるが、製造が難しく量産が困難であるという問題があった。

例えば先願 1では、先ず第 1工程で、ダイァフラムの表面にヒー夕のパターンを形成する。つぎに、形成したヒータの上に絶縁膜を形成し（第 2工程）、さらに絶縁膜の上に温度センサのパターンを形成する（第 3工程）。この場合、第 1 工程が終了した時点で、ミクロの視点で見れば、ダイアフラム平面にヒー夕のパターンが突出した形となっている。一般には、このような凹凸の面の上に、後ェ程でパターンを形成することは困難であり、このため量産を難しくする。また、上記第 2工程で、ヒー夕と温度センサとの電気的絶縁の信頼性を確実に得ることが困難であり、量産化を難しくする。

また、先願 1のようにヒータの上に温度センサを形成した場合や、先願 2のようにヒータと温度センサの上面を金属層で覆った場合には、各々の膜の熱膨張の差異によって機械的歪みは生じる状態となっている。この機械的歪みは、温度センサの抵抗値に影響を及ぼすので（温度センサが歪みゲージのように働く）、流速検出値の誤差が大きくなつてしまい、特に量産時には製品の特性ばらつきが大きくなり、量産化を難しくする。発明の開示

上記の問題点を解消するため、本発明の流速検出器は、櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほ '平行にして感熱抵抗体を配置するようにしたものである。

この発明によれば、ヒー夕からの熱が、まず櫛歯形状とされた感熱抵抗体のクランク形状の連結部を加熱し、さらに感熱抵抗体のクランク形状に沿って直線部を被検出流体の流れ方向とほ ^平行な方向へと伝わって行く。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る流速検出器の一実施例を示す斜視図である。

図 2は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部の中央部を被検出流体の流れ方向に沿って横方向から見た拡大断面図である。

図 3は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部の平面図である。

図 4は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 5は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 6は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 7は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒ一夕のパターン配置の変形例を示す図である。図 8は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 9は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 1 0は、本発明に係る流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒー夕のパターン配置の変形例を示す図である。

図 1 1は、従来および本発明に係る流速検出器の流速一センサ出力特性を比較して示す図である。

図 1 2は、従来の流速検出器のダイアフラム部の平面図である。

図 1 3は、従来の流速検出器の概略断面構造を示す側断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下本発明の実施例を図を参照して説明する。

図 1は、本発明に係る流速検出器の一実施例を示す斜視図である。また、図 2 は、図 1の流速検出器のダイアフラム部の中央部を被検出流体の流れ方向に沿つて横方向から見た拡大断面図である。図 1，図 2において、図 1 2，図 1 3と同一符号は、同一構成要素を示し、この説明は省略する。

本実施例では、上流側温度センサ 3 U 1および下流側温度センサ 3 D 1を、ヒ —夕 2— 1の両側に配置し、かつ各温度センサ 3 U 1， 3 D 1の櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向 Aとほ平行にして配置している。各温度センサ 3 U 1 , 3 D 1は、櫛歯の輪郭をなぞったように、行きと帰りが平行なクランクを複数連ねてジグザグの状態にした形状となっている。以降では、このような形状を櫛歯形状と称する。したがって、各温度センサ 3 U 1， 3 D 1は、クランク形状の対向配置された長い方の平行部分、すなわち櫛歯の延在方向が、被検出流体の流れの方向と平行となるように配置されている。また、クランク形状の互いに平行な長い部分は、各々が実質的に等長で、長い部分の端部に直交して隣り合う長い部分を連結する短い部分は、同一直線上にそろうように配置されている。言い換えると、各温度センサ 3 U 1， 3 D 1は、櫛歯の連なり方向をピッチ方向とし、このピッチ方向が被検出流体の流れ方向と直交するように配置されている。なお、図 1における符号 6は、基台 1の端部に形成された周囲温度センサ（感熱抵抗体）である。また、ダイアフラム部 1一 1の下側には、図 13に示した従来の流速検出器と同様にして空間 1一 2が形成されている。上記各温度センサ 3 U1, 3D 1のパターン配置以外の構成（構造、材質、製造方法、信号処理方法）については、前述した特公平 4一 74672号公報ゃ特公平 6— 6845 1 号公報、特開昭 6 1 - 88532号公報などに開示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。

本実施の形態の流速検出器では、金属からなる各温度センサ 3 U, 3Dの熱伝導率が、絶縁体からなるダイアフラム部 1一 1の熱伝導率よりも遙かに大きいので、伝熱状態は、各温度センサ 3 U, 3Dのパターン形状によって大きく支配されることになる。したがって、ヒータ 2— 1からの熱は、櫛歯形状とされた各温度センサ 3U 1， 3D 1のクランク形状の連結部 J (図 3参照）を加熱し、さらに連結部 Jのクランク形状に沿って直線部 Sを被検出流体の流れ方向とほ ^平行な方向へと伝わって行く。このため、ヒ一夕 2— 1からの熱は、各温度センサ 3 U 1 , 3 D 1のヒ一夕 2 _ 1から遠い部分へも、効率的に熱が伝わるものとなる。このように、本実施例の流速検出器では、ヒー夕 2 _ 1と各温度センサ 3U1， 3D 1との熱結合が高くなり、高流速を検出することが可能となる。ここで、ヒ一夕 2 _ 1と、各温度センサ 3U1， 3D 1のクランク形状の連結部 Jとは、できるだけ近接して配置することが好ましい。

以上説明したように、本実施例によれば、ヒー夕 2— 1から各温度センサ 3U 1， 3D 1への熱供給量が増大し、両者の熱的結合が増大するので、被検出流体の流速が速くなつても、各温度センサ 3U 1， 3 D 1の温度が飽和しにくく、高流速を検出することが可能となる。なおこれは、特に上流側の温度センサ 3 U 1 の温度飽和対策に効果的である。また、各温度センサ 3U1， 3D 1への熱供給量が増大するので、この増大の分ヒータ 2— 1の消費電力は増加する。図 1 1に、特性 IIとしてこの場合の流速一センサ出力特性を示す。従来の特性 Iでは、 20 mZs付近からセンサ出力が飽和していたのに対し、本実施例による特性 IIでは、 2 OmZsを越えても流速に応じてセンサ出力が変化しており、高流速の検出ができる様子が分かる。なお、図 12に示した従来の各温度センサ 3 U 0， 3 D 0のパターン配置では、ヒー夕 2— 1からの熱が、櫛歯形状とされた各温度センサ 3 U0, 3 DOのクランク形状の連結部 Jからではなく、ヒー夕 2— 1に近接した側の直線部 Sを被検出流体の流れ方向とほ垂直な方向へと伝わって行き、ダイアフラム部 1一 1の流れと垂直方向端部に向かって熱が逃げて行き、各温度センサ 3U0， 3D0のヒー夕 2— 1から遠い部分へ効率的に熱が伝わらない。これに対し、本実施例では、ヒー夕 2— 1からの熱が、各温度センサ 3 U 1， 3D 1のヒー夕 2— 1から遠い部分へも効率的に伝わるので、ヒータ 2— 1と各温度センサ 3 U 1， 3 D 1 との熱結合が高くなり、高流速を検出することが可能となる。

図 4〜図 10にパターン配置の変形例を示す。図 5では、ヒー夕 2— 2を、ヒ一夕 2— 2の櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向 Aとほ ^平行にして、配置している。図 6では、ヒータ 2— 3および各温度センサ 3U3， 3D 3を、これらの櫛歯形状の凹凸の一部同士をグループ化し、互いに食い込み合わせるようにして配置している。

図 7では、ヒー夕 2 _ 4および各温度センサ 3 U 3， 3D 3を、これらの櫛歯形状の凹凸の一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置する一方、ヒ一夕 2— 4の櫛歯形状の各温度センサ 3 U 3， 3D 3へ食い込んだ凸部 2— 4 aを、被検出流体の流れ方向へ幅広とし、ヒー夕 2— 4の抵抗値があまり大きくならないようにしている。ヒー夕抵抗が大きくなりすぎると、駆動電圧を高くしないと必要な電流が流れなくなるので、図 7では、上述した構成としている。

図 8では、各温度センサ 3U4， 3 D4の 3方を囲むように、ヒ一夕 2— 5の一部を延長して設けている。図 9では、各温度センサ 3 U 4， 3D 4の 4方を囲むように、ヒー夕 2— 6の一部を延長して設けている。図 10では、各温度センサ 3U5， 3D 5の 3方を囲むようにヒータ 2— 5の一部を延長して設けると共に、各温度センサ 3U5， 3D5からの信号の導出部をヒ一夕 2— 5から最も遠い位置に設けている（L 1=L 2) 。

なお、図 4〜図 6においても、各温度センサ 3 U， 3Dからの信号導出部をヒ一夕 2から最も遠い位置に設けている。このように、各温度センサ 3 U， 3Dからの信号導出部をヒー夕 2から最も遠い位置に設けることで、各温度センサ 3 U, 3Dの信号導出部を通してダイアフラム部 1一 1の外側の基台 1へ逃げて行く熱の量を極力減らすようにしている。熱伝導率により移動する熱量は温度差に比例するため、各温度センサ 3 U， 3Dの信号導出部は、ヒー夕 2に近い高温部とほ周囲温度である基台 1をつなぐよりも、ヒ一夕 2から離れたより温度の低い部分と基台 1をつないだ方が、温度差が小さく熱の逃げを少なくすることができる。図 5のようなパターン配置とすることにより、先に説明した各温度センサ 3 U 1， 3D 1と同じ原理で、ヒー夕 2— 2からの伝熱効率が高まり、ヒー夕 2_2 と各温度センサ 3 U 2, 3 D 2との熱結合が高められる。

図 6〜図 10のようなパターン配置とすることにより、ヒ一夕 2と各温度センサ 3U， 3Dとが近接する面積が増大し、ヒー夕 2から各温度センサ 3 U, 3D への伝熱効率が高まり、ヒー夕 2と各温度センサ 3U， 3Dとの熱結合が高められる。

参考として、図 6のパターン配置とした場合の流速一センサ出力特性を図 1 1 に特性 III として、図 9のパターン配置とした場合の流速一センサ出力特性を図 1 1に特性 IVとして示す。図 1 1のように、特性 IIよりも特性 I II が、特性 III よりも特性 IVが高流速での感度（グラフの傾き）が大きくなつている。

なお、図 3〜図 10では、各温度センサ 3U， 3 Dのパターン幅をヒ一夕 2のパターン幅よりも狭くしているが、両者のパターン幅を同じとしたり、また、ヒ —夕 2のパターン幅を各温度センサ 3 U, 3 Dのパターン幅よりも狭くする構成としてもよい。前述した実施例においては、ヒー夕 2のパターン幅は、各温度センサ 3U， 3Dよりも多くの電流が流れるため信頼性上広くし、各温度センサ 3 U, 3Dのパターン幅は、感度アップのためできるだけ抵抗値を大きくするため狭くしている。また、図 1〜図 10のすベての実施例において、ヒー夕 2と各温度センサ 3U， 3Dは、できるだけ近接して配置することが好ましい。

高流速の検出のためには、各温度センサ 3U， 3Dの厚みを厚くし、伝熱効率を上げるとともに熱容量を大きくした方が良いと考えられるが、厚みを厚くすることで消費電力が大きくなり、応答速度も遅くなつてしまう。これに対し、本実施例によれば、各温度センサ 3 U, 3Dの厚みを厚くすることなく伝熱効率を上げることができるので、消費電力が必要以上に大きくならず、応答速度も遅くなつてしまうことがない。また、本実施例によれば、各温度センサ 3 U， 3 Dあるいは各温度センサ 3 U, 3 Dおよびヒー夕 2のパターン配置を変えるだけなので、量産化に困難をきたすことがない。産業上の利用可能性

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、ヒータからの熱が櫛歯形状とされた感熱抵抗体のクランク形状の連結部を加熱し、さらに感熱抵抗体のクランク形状に沿って直線部を被検出流体の流れ方向とほ '平行な方向へと伝わって行くものとなり、量産に困難をきたすことなく、発熱体と感熱抵抗体との熱的結合を高くし、高流速を検出することが可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 基台の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部に形成された発熱体と、この発熱体の両側に形成された感熱抵抗体とを備えた流速検出器において、

前記感熱抵抗体は、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、

この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほ平行にして前記感熱抵抗体が配置されている

ことを特徴とする流速検出器。

2 . 請求の範囲第 1項において、

前記発熱体が、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、

この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほ平行にして前記発熱体が配置されている

ことを特徴とする流速検出器。

3 . 請求の範囲第 2項において、

前記感熱抵抗体および前記発熱体が、これらの櫛歯形状の凹凸の少なくとも一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置されている

ことを特徴とする流速検出器。

4 . 請求の範囲第 3項において、

前記発熱体の櫛歯形状の前記感熱抵抗体側へ食い込んだ凸部が、前記被検出流体の流れ方向へ幅広とされていることを特徴とする流速検出器。

5 . 請求の範囲第 1項において、

前記発熱体は、前記感熱抵抗体の周囲の少なくとも一部を囲むように、延長して設けられていることを特徴とする流速検出器。

6 . 請求の範囲第 2項において、前記発熱体は、前記感熱抵抗体の周囲の少なくとも一部を囲むように、延長して設けられていることを特徴とする流速検出器。

7 . 請求の範囲第 3項において、

8 . 請求の範囲第 4項において、

9 . 請求の範囲第 1項において、

前記感熱抵抗体からの信号導出部は、前記発熱体から最も遠い位置に設けられていることを特徴とする流速検出器。

1 0 . 請求の範囲第 1項において、

前記感熱抵抗体のクランク形状の互いに平行な長い部分は、各々が実質的に等長で、前記長い部分の端部に直交して隣り合う長い部分を連結する短い部分は、同一直線上にそろうように配置されていることを特徴とする流速検出器。