JP3761769B2 - 熱式流量センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のエンジンや空調機器等の制御または性能試験等で使用され、空気等流体の流量測定を実施するための流量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は例えば特開平６−３１７４４３号公報に記載された従来の熱式流量センサを示す上平面図である。また、図１８は同じく特開平６−３１７４４３号公報に記載された従来の熱式流量センサを示す下平面図である。図１７および図１８において、１０１はプレート状の基板、１０２は発熱抵抗体、１０３は測定抵抗体、１０４は補償抵抗体、１０５は基準抵抗体、１０６は配線部である。発熱抵抗体１０２、測定抵抗体１０３および補償抵抗体１０４は、例えば厚膜抵抗または薄膜抵抗として形成され、その抵抗値は温度依存性を有する。また、基準抵抗体１０５は例えば厚膜抵抗として形成される。さらに、発熱抵抗体１０２は電気絶縁性の基板１０１を介して測定抵抗体１０３の裏側に形成されており、これら両抵抗は効率的に熱結合されている。
【０００３】
図１９は上記の熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す図である。図１９において、図１７および図１８と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。１１１，１１２は固定抵抗体、１１３は例えば差動増幅器として与えられる調整増幅器、Ｖｄは電源電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧である。
【０００４】
図１９に示されるＡ点とＢ点との間において、直列に接続された基準抵抗体１０５（抵抗値Ｒ１）、補償抵抗体１０４（抵抗値Ｒａ）および固定抵抗体１１１（抵抗値Ｒ２）と、直列に接続された測定抵抗体１０３（抵抗値Ｒｓ）および固定抵抗体１１２（抵抗値Ｒ３）とは互いに並列に接続される。そして、補償抵抗体１０４と固定抵抗体１１１との接続部位として与えられるＣ点が調整増幅器１１３の一方の入力端子に接続され、測定抵抗体１０３と固定抵抗体１１２との接続部位として与えられるＤ点が調整増幅器１１３の他方の入力端子に接続されることで、ホイートストンブリッジが構成される。
【０００５】
また、調整増幅器１１３の出力端子は発熱抵抗体１０２の一方の端部に接続され、発熱抵抗体１０２の他方の端部は基準抵抗体１０５と測定抵抗体１０３との接続部位として与えられるＡ点に接続されている。さらに、固定抵抗体１１１と固定抵抗体１１２との接続部位として与えられるＢ点には電源電圧Ｖｄを与える電圧源が接続され、発熱抵抗体１０２の両端部間における電位差が出力電圧Ｖｏｕｔとして得られる。
【０００６】
次に、流量測定回路の動作について説明する。
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓは以下の式（１）で表される。
Ｒｓ＝（Ｒ１＋Ｒａ）Ｒ３／Ｒ２ ・・・（１）
発熱抵抗体１０２には電流Ｉｈが供給されて、測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓが式（１）で表される値になるようにその温度が制御される。したがって、流体流量の変動により測定抵抗体１０３の温度が変化して、ホイートストンブリッジが不平衡状態になると、調整増幅器１１３が発熱抵抗体１０２に流れる加熱電流Ｉｈを制御して、元の平衡状態に復帰させるように作用する。この結果、測定抵抗体１０３と補償抵抗体１０４との温度差が常に一定に保持される。
【０００７】
発熱抵抗体１０２を上記のように温度制御した場合には、発熱抵抗体１０２から流体へ伝わる強制対流による熱伝達量Ｐｆは、熱伝達率をｈ、発熱抵抗体１０２と流体との温度差をΔＴｈ、発熱抵抗体１０２の表面積をＳとすると、以下の式（２）で表される。
Ｐｆ＝ｈ・Ｓ・ΔＴｈ ・・・（２）
また、発熱抵抗体１０２から発生するジュール熱Ｗは、発熱抵抗体１０２の抵抗値をＲｈ、発熱抵抗体１０２に供給される電流をＩｈとすると、以下の式（３）で表される。
Ｗ＝Ｒｈ・Ｉｈ2 ・・・（３）
【０００８】
熱平衡状態にあるときには、式（２）の熱伝達量Ｐｆと、式（３）のジュール熱Ｗとは等しくなるので次式が成立する。
ｈ・Ｓ・ΔＴｈ＝Ｒｈ・Ｉｈ2 ・・・（４）
したがって、式（４）をＩｈについて解くと式（５）が導かれる。
Ｉｈ＝（ｈ・Ｓ・ΔＴｈ／Ｒｈ）1/2 ・・・（５）
熱伝達率ｈは流体の流量Ｑに依存するために、加熱電流Ｉｈを検出することにより流体流量Ｑを知ることができる。発熱抵抗体１０２の抵抗値Ｒｈは流量によらず一定に制御されているから、発熱抵抗体１０２の両端部間における電位差を測定することにより流体流量Ｑを求めることができる。
【０００９】
次に、流体の温度が変化した場合の補正方法について説明する。図１９に示される流量測定回路において、例えば流体温度が高くなると、式（２）におけるΔＴｈが小さくなるのに応じて式（５）におけるＩｈも小さくなって、流量変動が無くても出力が小さくなるという望ましくない現象が生じる。しかし、補償抵抗体１０４の作用によりこの現象を補償することが可能となる。流体温度が高くなるのに応じて補償抵抗体１０４の温度も高くなるので、補償抵抗体１０４の抵抗値Ｒａが大きくなる。この際、ホイートストンブリッジの平衡状態が崩れて、調整増幅器１１３の作用により発熱抵抗体１０２に流れる電流Ｉｈが増加させられ、ΔＴｈの減少に基づく電流Ｉｈの減少を補償して、流体温度が変化しても電流Ｉｈが変化しないように制御することが可能である。
【００１０】
ところで、実際には式（５）における熱伝達率ｈも流体温度により変化するために、この影響も含めた形で補償する必要が生じる。図１９に示された流量測定回路においては、基準抵抗体１０５を調整することで流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化を補償することが可能となる。発熱抵抗体１０２と測定抵抗体１０３との間の熱的な結合が非常に良好な場合には、両者の温度はほぼ等しくなる。また、両者を同質の材料で同様に形成すれば、その抵抗温度特性もほぼ同一と考えてよい。したがって、発熱抵抗体１０２の温度Ｔｈと測定抵抗体１０３の温度Ｔｓとは等しく、それぞれの温度と流体温度の差として与えられるΔＴｈとΔＴｓとも等しい。また、発熱抵抗体１０２の抵抗温度計数αh と測定抵抗体１０３の抵抗温度計数αs とも等しい。この際、式（５）におけるΔＴｈ／Ｒｈは以下の式（６）に示すように変形することができる。
【数１】
ここで、Ｒｈ０は温度が摂氏０度の際の発熱抵抗体１０２の抵抗値、Ｒｓ０は温度が摂氏０度の際の測定抵抗体１０３の抵抗値である。
【００１１】
式（１）を利用してΔＴｓ／Ｒｓを変形すると、以下の式のようになる。
【数２】
ここで、Ｔａは流体の温度、Ｒａ０は温度が摂氏０度の際の補償抵抗体１０４の抵抗値である。したがって、ΔＴｈ／Ｒｈは以下の式（１０）で表される。
【数３】
式（１０）に基づいて、ΔＴｈ／Ｒｈの温度計数βは以下の式（１１）で表される。
【数４】
【００１２】
式（１１）から明らかなように、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βは負の値となり、Ｒ１を調整してγを変化させることでΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βを制御することが可能である。式（５）における熱伝達率ｈの温度係数は１５００〜１８００ｐｐｍ／℃程度であるので、式（１１）におけるβを調整することで、流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化を補償することが可能となる。図２０は、流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化に対する補償動作を示す図である。図２０に示されるように、温度が高くなると熱伝達率ｈは大きくなるとともにΔＴｈ／Ｒｈは小さくなる。したがって、基準抵抗体１０５の抵抗値Ｒ１を適切に選定することで、図２０において太線で示される温度により変化しない電流Ｉｈを得ることができる。以上のように、補償抵抗体１０４および基準抵抗体１０５を設けることで、流体温度が変化しても出力電流の変化しない流量センサを得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱式流量センサに係る上記の説明では、式（４）を導く際に発熱抵抗体１０２が発生するジュール熱Ｗがすべて強制対流熱伝達により流体に伝わることを前提としたが、実際には発熱抵抗体１０２から強制対流熱伝達により流体に伝達される熱量はジュール熱Ｗの一部であり、ジュール熱Ｗにより生じる他の熱量として熱伝導により基板１へ伝わる伝熱量（Ｐｄ）や熱放射による放熱量（Ｐｒ）が存在する。したがって、式（５）は正確には以下に示す式のように表される。
ここで、Ｈは対流、伝導および放射等すべての伝熱形態の総和としての熱伝達率であり、熱放散係数と称する。熱量Ｐｄおよび熱量Ｐｒは流量依存性をほとんど有さないために、Ｐｆに対するＰｄやＰｒの割合が大きいほど熱放散係数Ｈの流量依存性は小さくなり感度が低下するという課題があった。
【００１４】
また、熱量Ｐｆのみではなく、熱量Ｐｄおよび熱量Ｐｒも流体の温度により変化するので、流体温度が変化した際の補償はこの影響をも含めた形で実施する必要がある。すなわち、熱放散係数Ｈの温度による変化を補償しなければならない。特に、熱放射による放熱量Ｐｒの温度係数は大きいために、Ｐｒの割合が相対的に大きくなる小流量域では熱放散係数Ｈについての温度係数も大きくなる。しかし、Ｐｆが流体流量によっても変化するために、流体流量に応じて熱放散係数Ｈについての温度係数が変化することになる。具体的には、式（１１）で表されるΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βは流体流量によっては変化しないために、ある流量において熱放散係数Ｈの温度による変化を補償したとしても、別の流量においては誤差が生じるという課題があった。図２１は熱放散係数等についての温度係数の変化を示す図である。図２１に示されるように、流量が大きくなると熱放散係数Ｈについての温度係数は一般的には小さくなるが、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数は変化しないために、全流量域において温度補償を実施することは不可能である。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高感度で温度補償をより効果的に実施することができる熱式流量センサを得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱式流量センサは、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とを直列接続し、かつ発熱抵抗体、流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体とともにブリッジ回路を構成するように接続し、第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体との接続部位の電圧を用いてブリッジ回路の不平衡状態を検出してブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するようにしたものである。
【００１７】
この発明に係る熱式流量センサは、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第１の流体温度検出抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第２の流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、第１の流体温度検出抵抗体、第２の流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度検出抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するようにしたものである。
【００１８】
この発明に係る熱式流量センサは、加熱電流の測定について発熱抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるようにしたものである。
【００１９】
この発明に係る熱式流量センサは、直列に接続される第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とから成る抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの構成を示す平面図である。図２はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの薄肉部を示す拡大図である。図３は図１のＡ−Ａ’線矢視断面図である。ただし、図３に示される断面図は、図の垂直方向においてある程度拡大して示されている。これらの図において、１はシリコン等から形成される基板、２は基板１を裏側からエッチングして形成した空気スペース、３は空気スペース２上に設けられたダイヤフラム型の薄肉部、４は発熱抵抗体（抵抗値Ｒｈ）、５は温度検出抵抗体（抵抗値Ｒｓ）である。温度検出抵抗体５は、図１に示される流れ方向を基準にして上流部に配置される第１の温度検出抵抗体５ａ（抵抗値Ｒｓｕ）と、流れ方向を基準にして下流部に配置される第２の温度検出抵抗体５ｂ（抵抗値Ｒｓｄ）とに区画される。
【００２１】
また、６は流体の温度を測定する流体温度検出抵抗体（抵抗値Ｒａ）、７は配線部、８，９は発熱抵抗体４の両端部にそれぞれ配線部を介して接続された電極、１０は第１の温度検出抵抗体５ａの一方の端部に配線部を介して接続された電極、１１は第２の温度検出抵抗体５ｂの一方の端部に配線部を介して接続された電極、１２は第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとの接続部位に配線部を介して接続された共通電極、１３，１４は流体温度検出抵抗体６の両端部にそれぞれ配線部を介して接続された電極、１６，１７は絶縁層である。なお、薄肉部３は、絶縁層１６，１７、並びに絶縁層１６，１７に挟まれた発熱抵抗体４および温度検出抵抗体５から構成されている。また、基板１、絶縁層１６および絶縁層１７から、流体内に設置される熱式流量センサのプレート状の基体部が構成される。
【００２２】
発熱抵抗体４、温度検出抵抗体５および流体温度検出抵抗体６は、スパッタリングまたは蒸着等の成膜技術により薄膜形成した後に、エッチングにより所望の抵抗値になるようにパターニングしている。抵抗材料としては、信頼性の高い白金等を使用するのが好適である。また、この実施の形態１においては、発熱抵抗体４の消費電力低減および応答性向上を図って、発熱抵抗体４および温度検出抵抗体５を薄肉部３に形成しているが、特性上問題のない場合には必ずしも薄肉部３を形成する必要はない。なお、以降の実施の形態においても同様に、必ずしも薄肉部を形成する必要はない。
【００２３】
また、図４はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの取り付け形態を示す図である。図４に示されるように、流体の流通する管路等に付設されたホルダ等の取り付け部材に対して、基板１の基板面が流体の流れ方向に沿うように、すなわち流線に対して基板面が平行となるように熱式流量センサを取り付ける。この際、ダイヤフラム（薄肉部）３に形成された第１の温度検出抵抗体５ａが流れ方向について上流側に位置するとともに、第２の温度検出抵抗体５ｂが流れ方向について下流側に位置するように熱式流量センサの向きを決定する。
【００２４】
図５はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図５において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。２１，２２，２３は固定抵抗体、２４は出力抵抗体（抵抗値Ｒｏ）、２５は差動増幅器、２６はトランジスタ、２７は定電圧源（電源電圧Ｖｂ）、２８は定電圧源（電源電圧Ｖｃ）、２９は電圧フォロワ、３０は出力端子（電圧Ｖｏｕｔ）である。
【００２５】
図５に示される定電圧源２８と接地部との間において、直列に接続された固定抵抗体２１（抵抗値Ｒ１）、流体温度検出抵抗体６（抵抗値Ｒａ）および固定抵抗体２２（抵抗値Ｒ３）と、直列に接続された第１の温度検出抵抗体５ａ（抵抗値Ｒｓｕ）、第２の温度検出抵抗体５ｂ（抵抗値Ｒｓｄ）および固定抵抗体２３（抵抗値Ｒ２）とは互いに並列に接続される。そして、流体温度検出抵抗体６と固定抵抗体２２との接続部位が差動増幅器２５の一方の入力端子に接続され、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとの共通電極が差動増幅器２５の他方の入力端子に接続されている。このように、第１および第２の温度検出抵抗体５ａ，５ｂ、流体温度検出抵抗体６、固定抵抗体２１，２２，２３および差動増幅器２５によりホイートストンブリッジ（ブリッジ回路）が構成されている。また、差動増幅器２５の出力端子はトランジスタ２６を介して発熱抵抗体４の一方の端部に接続され、発熱抵抗体４の他方の端部は出力抵抗体２４（抵抗値Ｒｏ）に接続されている。トランジスタ２６のコレクタ端子は、定電圧源２７に接続されている。なお、出力抵抗体２４は固定抵抗であり、その両端部間における電圧は、以下の式（１５）で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｒｏ×Ｉｈ ・・・（１５）
したがって、出力端子３０の出力電圧Ｖｏｕｔを測定することにより、流体流量によって変化する加熱電流Ｉｈを算出することができる。
【００２６】
次に、流量測定回路の動作について説明する。
基本的には、図５に示される流量測定回路は、第１の温度検出抵抗体５ａの温度が流体温度検出抵抗体６により測定される流体の温度よりも常に一定温度だけ高くなるように、発熱抵抗体４の温度を制御する。
【００２７】
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは、以下の式（１６）で表される。
Ｒｓｕ＝（Ｒ１＋Ｒａ）(Ｒ２＋Ｒｓｄ)／Ｒ３ ・・・（１６）
発熱抵抗体４に電流Ｉｈを供給して、抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕが式（１６）で表される値になるようにその温度を制御する。したがって、流体流量の変動による第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化、あるいは流体の温度の変動による流体温度検出抵抗体６の温度変化等に起因してホイートストンブリッジが不平衡状態となると、差動増幅器２５およびトランジスタ２６が発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈを制御して平衡状態を保持するように機能する。
【００２８】
流体の流量が増加すると、発熱抵抗体４の上流部は温度が低下し、下流部は上流部からの熱が伝わって温度が上昇する。発熱抵抗体４の上流部に位置する第１の温度検出抵抗体５ａの温度が低下すると、ホイートストンブリッジが不平衡状態となって、発熱抵抗体４へ供給される加熱電流Ｉｈが増大して第１の温度検出抵抗体５ａの温度を上げるように回路が動作する。しかし、この際発熱抵抗体４の下流部に位置する第２の温度検出抵抗体５ｂの温度も上昇して抵抗値Ｒｓｄも上昇するので、式（１６）で表される第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕも上昇する。したがって、第１の温度検出抵抗体５ａに熱量を供給する発熱抵抗体４の温度も上昇させる必要がある。すなわち、流量が増加するのに応じて、式（５）中のΔＴｈが大きくなる。これにより、ΔＴｈが流量に依らず一定である場合よりも加熱電流Ｉｈの流量依存性が大きくなり流量感度が向上する。
【００２９】
図６は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流量が増大すると、式（１６）に基づいて第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは増大するが、従来例の測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓは流量に依らず一定である（図６（ａ））。したがって、第１の温度検出抵抗体５ａと流体との温度差ΔＴｓｕは流量とともに増大する。一方、従来例では測定抵抗体１０３と流体との温度差ΔＴｓは変化しない（図６（ｂ））。また、ΔＴｓｕを増大させるために、発熱抵抗体４と流体との温度差ΔＴｈも増大する。一方、従来例のΔＴｈは変化しない（図６（ｃ））。ΔＴｈが増大すると、発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈも増大する（図６（ｄ））。熱放散係数Ｈの流量依存性については、本願発明と従来例とで差異はない（図６（ｅ））。したがって、式（５）で表される加熱電流Ｉｈについては、本願発明のほうが大きな流量依存性を有する（図６（ｆ））。
【００３０】
以上のように、この実施の形態１によれば、第１の温度検出抵抗体５ａと、第２の温度検出抵抗体５ｂと、発熱抵抗体４と、流体温度検出抵抗体６と、複数の固定抵抗体２１，２２，２３とを備え、これらの抵抗体をホイートストンブリッジを構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化に基づいて生起する不平衡状態からホイートストンブリッジを平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体４に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流Ｉｈを検出するように構成したので、流体流量が増加するほど上流側に位置する第１の温度検出抵抗体５ａの温度が下流側に位置する第２の温度検出抵抗体５ｂの温度に対してより低くなるとともに、平衡状態に復帰するために発熱抵抗体４から供給される熱量が第１の温度検出抵抗体５ａおよび第２の温度検出抵抗体５ｂにともに供給されることに基づいて、流体流量が増加するのに応じて発熱抵抗体４の温度を上昇させるように回路を組むことが可能となり、加熱電流Ｉｈの流量依存性を高めることができるから、流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００３１】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図７において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図７に示される流量測定回路は、図５に示される流量測定回路と比較すると、電圧フォロワ２９が発熱抵抗体４の電位が高い側の端部に接続されるとともに、発熱抵抗体４の電位が低い側の端部が接地部に直接的に接続されて、出力電圧Ｖｏｕｔとして発熱抵抗体４の両端部間における電圧が与えられる点で相違する。すなわち、入力端子を発熱抵抗体４について電位の高い側に接続した電圧フォロワ２９により、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定する電圧測定手段が構成される。
【００３２】
上記のように電圧フォロワ２９および出力端子３０を接続することで、出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（１７）および式（１８）で表される。
流体流量が増大すると、実施の形態１において説明したように、加熱電流Ｉｈが従来例と比較して大きく変化するが、上式から明らかなように抵抗値Ｒｈの増加が出力電圧Ｖｏｕｔを増加させるように作用するので、出力電圧Ｖｏｕｔについての流量依存性をより向上することができる。
【００３３】
図８は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流量が増大すると、実施の形態１で説明したように、従来技術と比較して、発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈが増加する（図８（ａ））とともに、加熱電流Ｉｈの増加割合が大きくなる（図８（ｃ））。したがって、抵抗値Ｒｈの増加が出力電圧Ｖｏｕｔを増加させるように作用するので、流量の増加に応じて出力電圧Ｖｏｕｔの増加割合は大きくなり、出力電圧Ｖｏｕｔについての流量依存性はより大きくなる（図８（ｄ））。
【００３４】
また、図９は順流方向および逆流方向の流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流れの方向が逆になると、式（１６）においてＲｓｄの作用が逆に現れる。すなわち、流れ方向が逆の場合には、第２の温度検出抵抗体５ｂが流体の流れの上流側に位置することとなって流体によって冷却されるために、第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄが低下するので、ホイートストンブリッジの平衡を保持するために第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕも低下する。したがって、発熱抵抗体４が第１の温度検出抵抗体５ａに対して供給する必要のある熱量も減少するために、発熱抵抗体４の温度が低下してその抵抗値も低下する（図９（ａ））。また、発熱抵抗体４と流体との温度差として与えられるΔＴｈも減少する（図９（ｂ））。しかし、熱放散係数Ｈは流れの方向に依らずに流体流量の増加とともに大きくなる（図９（ｃ））。そして、これら物理量を乗じて得た数値の平方根として与えられる出力電圧Ｖｏｕｔは、結果的に順流域では流量の増加とともに増加し、逆流域では流量の増加とともに減少する（図９（ｄ））。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔを測定することにより、順流および逆流双方の流体流量を測定することができる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、加熱電流Ｉｈを測定するために、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定するように構成したので、発熱抵抗体４の抵抗値の増加が出力電圧を増加させるように作用して、出力電圧Ｖｏｕｔについての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００３６】
また、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定するように構成したので、順流域においては流量の増加とともに出力電圧を増加させ、逆流域においては流量の増加とともに出力電圧を減少させることが可能となり、順流および逆流を識別できて、順流および逆流双方の流体流量を測定することができるという効果を奏する。
【００３７】
実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサの構成を示す平面図である。図１１はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサの流体温度検出抵抗体を示す拡大図である。図１０および図１１において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図１１に示されるように、流体温度検出抵抗体６は、図１０に示される流れ方向を基準にして上流部に配置される第１の流体温度検出抵抗体６ａ（抵抗値Ｒａｕ）と、流れ方向を基準にして下流部に配置される第２の流体温度検出抵抗体６ｂ（抵抗値Ｒａｄ）とに区画される。また、１５は第１の流体温度検出抵抗体６ａと第２の流体温度検出抵抗体６ｂとの接続部位に配線部を介して接続された共通電極である。
【００３８】
図１２はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１２に示される流量測定回路は、図５に示される流量測定回路と比較すると、第１の流体温度検出抵抗体６ａと第２の流体温度検出抵抗体６ｂとの共通電極１５が差動増幅器２５の一方の入力端子に接続されている点で相違する。
【００３９】
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは、以下の式（１９）で表される。
流体流量が増加したときには、実施の形態１と同様に、発熱抵抗体４と流体との温度差ΔＴｈが大きくなるために、ΔＴｈが流体流量に依らず一定であった従来例と比較すると感度が向上する。
【００４０】
さらに、この実施の形態においては、式（１１）で示したΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βを求めてみると、以下の式のようになる。
【数５】
ここで、Ｒａｕ０は温度が摂氏０度の際の第１の流体温度検出抵抗体６ａの抵抗値である。式（２１）において、流体の温度が上昇した場合には、第２の流体温度検出抵抗体６ｂの抵抗値Ｒａｄと第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄとが同時に大きくなり、所定の流量ポイントではＫの変化をキャンセルするように作用する。しかし、流体流量が当該所定の流量ポイントよりも大きくなると、抵抗値Ｒａｄは変化しないが抵抗値Ｒｓｄは大きくなるために、Ｋは小さくなる。これにより、式（２０）で表されるΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βの絶対値も小さくなる。すなわち、温度係数βに流量依存性を持たせることができる。したがって、流量依存性を有する熱放散係数Ｈの温度特性を効果的に補償することができる。
【００４１】
図１３は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。図１３に示されるように、流体流量が大きくなると、第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄが大きくなり、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βの絶対値が小さくなる。熱放散係数Ｈについての温度係数は流体流量が大きいほど小さいので、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βにより効果的に温度補償がなされて、流体温度が変化しても加熱電流Ｉｈのドリフトが小さな流量センサを得ることができる。
【００４２】
以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態１と同等の効果が得られるとともに、第１の温度検出抵抗体５ａと、第２の温度検出抵抗体５ｂと、発熱抵抗体４と、第１の流体温度検出抵抗体６ａと、第２の流体温度検出抵抗体６ｂと、複数の固定抵抗体２１，２２，２３とを備え、これらの抵抗体をホイートストンブリッジを構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化に基づいて生起する不平衡状態からホイートストンブリッジを平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体４に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出するように構成したので、流体流量に対する第２の流体温度検出抵抗体６ｂの抵抗値Ｒａｄの変化の割合と第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄの変化の割合との差異に基づいてΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βに流量依存性を持たせるように回路を組むことができて流体温度に対する温度補償が可能となるので、流体温度が変化しても加熱電流Ｉｈのドリフトが小さい流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００４３】
また、図１４はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の変形例に係る構成を示す回路図である。図１４に示される流量測定回路は、図１２に示される流量測定回路と比較すると、第２の流体温度検出抵抗体６ｂに並列に抵抗値可変の可変抵抗体３１を設け、第２の温度検出抵抗体５ｂに並列に抵抗値可変の可変抵抗体３２を設けた点で相違する。これにより、式（２１）における抵抗値Ｒｓｄおよび抵抗値Ｒａｄを細かに調整することができて、より効率的に温度補償を実施することが可能となる。
【００４４】
実施の形態４．
図１５はこの発明の実施の形態４による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１５において、図１２と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図１５に示される流量測定回路は、図１２に示される流量測定回路と比較すると、電圧フォロワ２９が発熱抵抗体４の電位が高い側の端部に接続されるとともに、発熱抵抗体４の電位が低い側の端部が接地部に直接的に接続されて、出力電圧Ｖｏｕｔとして発熱抵抗体４の両端部間における電圧が与えられる点で相違する。すなわち、入力端子を発熱抵抗体４について電位の高い側に接続した電圧フォロワ２９により、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定する電圧測定手段が構成される。
【００４５】
この実施の形態４による流量測定回路は、実施の形態３による流量測定回路に対して実施の形態２による流量測定回路の特徴部を付加した回路として与えられるものである。したがって、実施の形態３と同等の効果が得られるとともに、出力電圧についての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。また、順流域においては流量の増加とともに出力電圧を増加させ、逆流域においては流量の増加とともに出力電圧を減少させることが可能となり、順流および逆流を識別できて、順流および逆流双方の流体流量を測定することができるという効果を奏する。
【００４６】
実施の形態５．
図１６はこの発明の実施の形態５による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１６において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。４１は第２の温度検出抵抗体５ｂと固定抵抗体２３との接続部位に入力端子が接続される電圧フォロワ、４２は出力端子（電圧Ｖｄ）である。
【００４７】
電圧フォロワ４１および出力端子４２を接続することで、出力電圧Ｖｄは以下の式（２３）により求められる。
Ｖｄ＝Ｒ２／（Ｒｓｕ＋Ｒｓｄ＋Ｒ２）・Ｖｃ ・・・（２３）
第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕおよび第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄは、順流の流体流量が増大すると大きくなり、逆流の流体流量が増大すると小さくなる。また、電圧Ｖｃは定電圧源の電圧であり一定である。したがって、電圧Ｖｄは、順流の流体流量が増大すると低下し、逆流の流体流量が増大すると上昇する。この電圧Ｖｄを検出することで、流れの方向を知ることが可能となる。なお、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとから成る温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値はＶｃ−Ｖｄとして求められるので、第２の温度検出抵抗体５ｂと固定抵抗体２３との接続部位に入力端子が接続される電圧フォロワ４１から温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段が構成される。
【００４８】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとから成る温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値を測定するように構成したので、順流と逆流とで流体流量の増大に対する電圧値の増減方向が反対となるため、流れの方向を知ることが可能になるという効果を奏する。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するように構成したので、流体流量が増加するほど上流側に位置する第１の温度検出抵抗体の温度が下流側に位置する第２の温度検出抵抗体の温度に対してより低くなるとともに、平衡状態に復帰するために発熱抵抗体から供給される熱量が第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体にともに供給されることに基づいて、流体流量が増加するのに応じて発熱抵抗体の温度を上昇させるように回路を組むことが可能となり、加熱電流の流量依存性を高めることができるので、流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５０】
この発明によれば、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第１の流体温度検出抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第２の流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、第１の流体温度検出抵抗体、第２の流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度検出抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するように構成したので、流体流量に対する第２の流体温度検出抵抗体の抵抗値の変化の割合と第２の温度検出抵抗体の抵抗値の変化の割合との差異に基づいて、発熱抵抗体と流体との温度差を発熱抵抗体の抵抗値で除することで得られる値に係る温度係数に流量依存性を持たせるように回路を組むことができて流体温度に対する温度補償が可能となるので、流体温度が変化しても加熱電流のドリフトが小さい流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５１】
この発明によれば、加熱電流の測定について発熱抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるように構成したので、発熱抵抗体の抵抗値の増加が出力電圧を増加させるように作用して、出力電圧についての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５２】
この発明によれば、直列に接続される第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とから成る抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるように構成したので、順流と逆流とで流体流量の増大に対する電圧値の増減方向が反対となるため、流れの方向を知ることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの構成を示す平面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの薄肉部を示す拡大図である。
【図３】 図１に示される熱式流量センサのＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの取り付け形態を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図６】 流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図７】 この発明の実施の形態２による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図８】 流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図９】 順流方向および逆流方向の流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサの構成を示す平面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサの流体温度検出抵抗体を示す拡大図である。
【図１２】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１３】 流量に対する各物理量の変化を示す図である。
【図１４】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の変形例に係る構成を示す回路図である。
【図１５】 この発明の実施の形態４による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１６】 この発明の実施の形態５による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１７】 従来の熱式流量センサを示す上平面図である。
【図１８】 従来の熱式流量センサを示す下平面図である。
【図１９】 従来の熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図２０】 流体温度に応じた熱伝達率の変化に対する補償動作を示す図である。
【図２１】 熱放散係数等についての温度係数の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 空気スペース、３ 薄肉部、４ 発熱抵抗体、５ 温度検出抵抗体、５ａ 第１の温度検出抵抗体、５ｂ 第２の温度検出抵抗体、６ 流体温度検出抵抗体、６ａ 第１の流体温度検出抵抗体、６ｂ 第２の流体温度検出抵抗体、７ 配線部、８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５ 電極、１６，１７ 絶縁層、２１，２２，２３ 固定抵抗体、２４ 出力抵抗体、２５ 差動増幅器、２６ トランジスタ、２７，２８ 定電圧源、２９，４１ 電圧フォロワ、３０，４２ 出力端子、３１，３２ 可変抵抗体。
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のエンジンや空調機器等の制御または性能試験等で使用され、空気等流体の流量測定を実施するための流量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は例えば特開平６−３１７４４３号公報に記載された従来の熱式流量センサを示す上平面図である。また、図１８は同じく特開平６−３１７４４３号公報に記載された従来の熱式流量センサを示す下平面図である。図１７および図１８において、１０１はプレート状の基板、１０２は発熱抵抗体、１０３は測定抵抗体、１０４は補償抵抗体、１０５は基準抵抗体、１０６は配線部である。発熱抵抗体１０２、測定抵抗体１０３および補償抵抗体１０４は、例えば厚膜抵抗または薄膜抵抗として形成され、その抵抗値は温度依存性を有する。また、基準抵抗体１０５は例えば厚膜抵抗として形成される。さらに、発熱抵抗体１０２は電気絶縁性の基板１０１を介して測定抵抗体１０３の裏側に形成されており、これら両抵抗は効率的に熱結合されている。
【０００３】
図１９は上記の熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す図である。図１９において、図１７および図１８と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。１１１，１１２は固定抵抗体、１１３は例えば差動増幅器として与えられる調整増幅器、Ｖｄは電源電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧である。
【０００４】
図１９に示されるＡ点とＢ点との間において、直列に接続された基準抵抗体１０５（抵抗値Ｒ１）、補償抵抗体１０４（抵抗値Ｒａ）および固定抵抗体１１１（抵抗値Ｒ２）と、直列に接続された測定抵抗体１０３（抵抗値Ｒｓ）および固定抵抗体１１２（抵抗値Ｒ３）とは互いに並列に接続される。そして、補償抵抗体１０４と固定抵抗体１１１との接続部位として与えられるＣ点が調整増幅器１１３の一方の入力端子に接続され、測定抵抗体１０３と固定抵抗体１１２との接続部位として与えられるＤ点が調整増幅器１１３の他方の入力端子に接続されることで、ホイートストンブリッジが構成される。
【０００５】
また、調整増幅器１１３の出力端子は発熱抵抗体１０２の一方の端部に接続され、発熱抵抗体１０２の他方の端部は基準抵抗体１０５と測定抵抗体１０３との接続部位として与えられるＡ点に接続されている。さらに、固定抵抗体１１１と固定抵抗体１１２との接続部位として与えられるＢ点には電源電圧Ｖｄを与える電圧源が接続され、発熱抵抗体１０２の両端部間における電位差が出力電圧Ｖｏｕｔとして得られる。
【０００６】
次に、流量測定回路の動作について説明する。
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓは以下の式（１）で表される。
Ｒｓ＝（Ｒ１＋Ｒａ）Ｒ３／Ｒ２ ・・・（１）
発熱抵抗体１０２には電流Ｉｈが供給されて、測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓが式（１）で表される値になるようにその温度が制御される。したがって、流体流量の変動により測定抵抗体１０３の温度が変化して、ホイートストンブリッジが不平衡状態になると、調整増幅器１１３が発熱抵抗体１０２に流れる加熱電流Ｉｈを制御して、元の平衡状態に復帰させるように作用する。この結果、測定抵抗体１０３と補償抵抗体１０４との温度差が常に一定に保持される。
【０００７】
発熱抵抗体１０２を上記のように温度制御した場合には、発熱抵抗体１０２から流体へ伝わる強制対流による熱伝達量Ｐｆは、熱伝達率をｈ、発熱抵抗体１０２と流体との温度差をΔＴｈ、発熱抵抗体１０２の表面積をＳとすると、以下の式（２）で表される。
Ｐｆ＝ｈ・Ｓ・ΔＴｈ ・・・（２）
また、発熱抵抗体１０２から発生するジュール熱Ｗは、発熱抵抗体１０２の抵抗値をＲｈ、発熱抵抗体１０２に供給される電流をＩｈとすると、以下の式（３）で表される。
Ｗ＝Ｒｈ・Ｉｈ2 ・・・（３）
【０００８】
熱平衡状態にあるときには、式（２）の熱伝達量Ｐｆと、式（３）のジュール熱Ｗとは等しくなるので次式が成立する。
ｈ・Ｓ・ΔＴｈ＝Ｒｈ・Ｉｈ2 ・・・（４）
したがって、式（４）をＩｈについて解くと式（５）が導かれる。
Ｉｈ＝（ｈ・Ｓ・ΔＴｈ／Ｒｈ）1/2 ・・・（５）
熱伝達率ｈは流体の流量Ｑに依存するために、加熱電流Ｉｈを検出することにより流体流量Ｑを知ることができる。発熱抵抗体１０２の抵抗値Ｒｈは流量によらず一定に制御されているから、発熱抵抗体１０２の両端部間における電位差を測定することにより流体流量Ｑを求めることができる。
【０００９】
次に、流体の温度が変化した場合の補正方法について説明する。図１９に示される流量測定回路において、例えば流体温度が高くなると、式（２）におけるΔＴｈが小さくなるのに応じて式（５）におけるＩｈも小さくなって、流量変動が無くても出力が小さくなるという望ましくない現象が生じる。しかし、補償抵抗体１０４の作用によりこの現象を補償することが可能となる。流体温度が高くなるのに応じて補償抵抗体１０４の温度も高くなるので、補償抵抗体１０４の抵抗値Ｒａが大きくなる。この際、ホイートストンブリッジの平衡状態が崩れて、調整増幅器１１３の作用により発熱抵抗体１０２に流れる電流Ｉｈが増加させられ、ΔＴｈの減少に基づく電流Ｉｈの減少を補償して、流体温度が変化しても電流Ｉｈが変化しないように制御することが可能である。
【００１０】
ところで、実際には式（５）における熱伝達率ｈも流体温度により変化するために、この影響も含めた形で補償する必要が生じる。図１９に示された流量測定回路においては、基準抵抗体１０５を調整することで流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化を補償することが可能となる。発熱抵抗体１０２と測定抵抗体１０３との間の熱的な結合が非常に良好な場合には、両者の温度はほぼ等しくなる。また、両者を同質の材料で同様に形成すれば、その抵抗温度特性もほぼ同一と考えてよい。したがって、発熱抵抗体１０２の温度Ｔｈと測定抵抗体１０３の温度Ｔｓとは等しく、それぞれの温度と流体温度の差として与えられるΔＴｈとΔＴｓとも等しい。また、発熱抵抗体１０２の抵抗温度計数αh と測定抵抗体１０３の抵抗温度計数αs とも等しい。この際、式（５）におけるΔＴｈ／Ｒｈは以下の式（６）に示すように変形することができる。
【数１】
【００１１】
式（１）を利用してΔＴｓ／Ｒｓを変形すると、以下の式のようになる。
【数２】
【数３】
【数４】
式（１１）から明らかなように、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βは負の値となり、Ｒ１を調整してγを変化させることでΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βを制御することが可能である。式（５）における熱伝達率ｈの温度係数は１５００〜１８００ｐｐｍ／℃程度であるので、式（１１）におけるβを調整することで、流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化を補償することが可能となる。図２０は、流体温度に応じた熱伝達率ｈの変化に対する補償動作を示す図である。図２０に示されるように、温度が高くなると熱伝達率ｈは大きくなるとともにΔＴｈ／Ｒｈは小さくなる。したがって、基準抵抗体１０５の抵抗値Ｒ１を適切に選定することで、図２０において太線で示される温度により変化しない電流Ｉｈを得ることができる。以上のように、補償抵抗体１０４および基準抵抗体１０５を設けることで、流体温度が変化しても出力電流の変化しない流量センサを得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱式流量センサに係る上記の説明では、式（４）を導く際に発熱抵抗体１０２が発生するジュール熱Ｗがすべて強制対流熱伝達により流体に伝わることを前提としたが、実際には発熱抵抗体１０２から強制対流熱伝達により流体に伝達される熱量はジュール熱Ｗの一部であり、ジュール熱Ｗにより生じる他の熱量として熱伝導により基板１へ伝わる伝熱量（Ｐｄ）や熱放射による放熱量（Ｐｒ）が存在する。したがって、式（５）は正確には以下に示す式のように表される。
【００１４】
また、熱量Ｐｆのみではなく、熱量Ｐｄおよび熱量Ｐｒも流体の温度により変化するので、流体温度が変化した際の補償はこの影響をも含めた形で実施する必要がある。すなわち、熱放散係数Ｈの温度による変化を補償しなければならない。特に、熱放射による放熱量Ｐｒの温度係数は大きいために、Ｐｒの割合が相対的に大きくなる小流量域では熱放散係数Ｈについての温度係数も大きくなる。しかし、Ｐｆが流体流量によっても変化するために、流体流量に応じて熱放散係数Ｈについての温度係数が変化することになる。具体的には、式（１１）で表されるΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βは流体流量によっては変化しないために、ある流量において熱放散係数Ｈの温度による変化を補償したとしても、別の流量においては誤差が生じるという課題があった。図２１は熱放散係数等についての温度係数の変化を示す図である。図２１に示されるように、流量が大きくなると熱放散係数Ｈについての温度係数は一般的には小さくなるが、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数は変化しないために、全流量域において温度補償を実施することは不可能である。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高感度で温度補償をより効果的に実施することができる熱式流量センサを得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱式流量センサは、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とを直列接続し、かつ発熱抵抗体、流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体とともにブリッジ回路を構成するように接続し、第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体との接続部位の電圧を用いてブリッジ回路の不平衡状態を検出してブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するようにしたものである。
【００１７】
この発明に係る熱式流量センサは、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第１の流体温度検出抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第２の流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、第１の流体温度検出抵抗体、第２の流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度検出抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するようにしたものである。
【００１８】
この発明に係る熱式流量センサは、加熱電流の測定について発熱抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるようにしたものである。
【００１９】
この発明に係る熱式流量センサは、直列に接続される第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とから成る抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの構成を示す平面図である。図２はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの薄肉部を示す拡大図である。図３は図１のＡ−Ａ’線矢視断面図である。ただし、図３に示される断面図は、図の垂直方向においてある程度拡大して示されている。これらの図において、１はシリコン等から形成される基板、２は基板１を裏側からエッチングして形成した空気スペース、３は空気スペース２上に設けられたダイヤフラム型の薄肉部、４は発熱抵抗体（抵抗値Ｒｈ）、５は温度検出抵抗体（抵抗値Ｒｓ）である。温度検出抵抗体５は、図１に示される流れ方向を基準にして上流部に配置される第１の温度検出抵抗体５ａ（抵抗値Ｒｓｕ）と、流れ方向を基準にして下流部に配置される第２の温度検出抵抗体５ｂ（抵抗値Ｒｓｄ）とに区画される。
【００２１】
また、６は流体の温度を測定する流体温度検出抵抗体（抵抗値Ｒａ）、７は配線部、８，９は発熱抵抗体４の両端部にそれぞれ配線部を介して接続された電極、１０は第１の温度検出抵抗体５ａの一方の端部に配線部を介して接続された電極、１１は第２の温度検出抵抗体５ｂの一方の端部に配線部を介して接続された電極、１２は第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとの接続部位に配線部を介して接続された共通電極、１３，１４は流体温度検出抵抗体６の両端部にそれぞれ配線部を介して接続された電極、１６，１７は絶縁層である。なお、薄肉部３は、絶縁層１６，１７、並びに絶縁層１６，１７に挟まれた発熱抵抗体４および温度検出抵抗体５から構成されている。また、基板１、絶縁層１６および絶縁層１７から、流体内に設置される熱式流量センサのプレート状の基体部が構成される。
【００２２】
発熱抵抗体４、温度検出抵抗体５および流体温度検出抵抗体６は、スパッタリングまたは蒸着等の成膜技術により薄膜形成した後に、エッチングにより所望の抵抗値になるようにパターニングしている。抵抗材料としては、信頼性の高い白金等を使用するのが好適である。また、この実施の形態１においては、発熱抵抗体４の消費電力低減および応答性向上を図って、発熱抵抗体４および温度検出抵抗体５を薄肉部３に形成しているが、特性上問題のない場合には必ずしも薄肉部３を形成する必要はない。なお、以降の実施の形態においても同様に、必ずしも薄肉部を形成する必要はない。
【００２３】
また、図４はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサの取り付け形態を示す図である。図４に示されるように、流体の流通する管路等に付設されたホルダ等の取り付け部材に対して、基板１の基板面が流体の流れ方向に沿うように、すなわち流線に対して基板面が平行となるように熱式流量センサを取り付ける。この際、ダイヤフラム（薄肉部）３に形成された第１の温度検出抵抗体５ａが流れ方向について上流側に位置するとともに、第２の温度検出抵抗体５ｂが流れ方向について下流側に位置するように熱式流量センサの向きを決定する。
【００２４】
図５はこの発明の実施の形態１による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図５において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。２１，２２，２３は固定抵抗体、２４は出力抵抗体（抵抗値Ｒｏ）、２５は差動増幅器、２６はトランジスタ、２７は定電圧源（電源電圧Ｖｂ）、２８は定電圧源（電源電圧Ｖｃ）、２９は電圧フォロワ、３０は出力端子（電圧Ｖｏｕｔ）である。
【００２５】
図５に示される定電圧源２８と接地部との間において、直列に接続された固定抵抗体２１（抵抗値Ｒ１）、流体温度検出抵抗体６（抵抗値Ｒａ）および固定抵抗体２２（抵抗値Ｒ３）と、直列に接続された第１の温度検出抵抗体５ａ（抵抗値Ｒｓｕ）、第２の温度検出抵抗体５ｂ（抵抗値Ｒｓｄ）および固定抵抗体２３（抵抗値Ｒ２）とは互いに並列に接続される。そして、流体温度検出抵抗体６と固定抵抗体２２との接続部位が差動増幅器２５の一方の入力端子に接続され、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとの共通電極が差動増幅器２５の他方の入力端子に接続されている。このように、第１および第２の温度検出抵抗体５ａ，５ｂ、流体温度検出抵抗体６、固定抵抗体２１，２２，２３および差動増幅器２５によりホイートストンブリッジ（ブリッジ回路）が構成されている。また、差動増幅器２５の出力端子はトランジスタ２６を介して発熱抵抗体４の一方の端部に接続され、発熱抵抗体４の他方の端部は出力抵抗体２４（抵抗値Ｒｏ）に接続されている。トランジスタ２６のコレクタ端子は、定電圧源２７に接続されている。なお、出力抵抗体２４は固定抵抗であり、その両端部間における電圧は、以下の式（１５）で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｒｏ×Ｉｈ ・・・（１５）
したがって、出力端子３０の出力電圧Ｖｏｕｔを測定することにより、流体流量によって変化する加熱電流Ｉｈを算出することができる。
【００２６】
次に、流量測定回路の動作について説明する。
基本的には、図５に示される流量測定回路は、第１の温度検出抵抗体５ａの温度が流体温度検出抵抗体６により測定される流体の温度よりも常に一定温度だけ高くなるように、発熱抵抗体４の温度を制御する。
【００２７】
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは、以下の式（１６）で表される。
Ｒｓｕ＝（Ｒ１＋Ｒａ）(Ｒ２＋Ｒｓｄ)／Ｒ３ ・・・（１６）
発熱抵抗体４に電流Ｉｈを供給して、抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕが式（１６）で表される値になるようにその温度を制御する。したがって、流体流量の変動による第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化、あるいは流体の温度の変動による流体温度検出抵抗体６の温度変化等に起因してホイートストンブリッジが不平衡状態となると、差動増幅器２５およびトランジスタ２６が発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈを制御して平衡状態を保持するように機能する。
【００２８】
流体の流量が増加すると、発熱抵抗体４の上流部は温度が低下し、下流部は上流部からの熱が伝わって温度が上昇する。発熱抵抗体４の上流部に位置する第１の温度検出抵抗体５ａの温度が低下すると、ホイートストンブリッジが不平衡状態となって、発熱抵抗体４へ供給される加熱電流Ｉｈが増大して第１の温度検出抵抗体５ａの温度を上げるように回路が動作する。しかし、この際発熱抵抗体４の下流部に位置する第２の温度検出抵抗体５ｂの温度も上昇して抵抗値Ｒｓｄも上昇するので、式（１６）で表される第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕも上昇する。したがって、第１の温度検出抵抗体５ａに熱量を供給する発熱抵抗体４の温度も上昇させる必要がある。すなわち、流量が増加するのに応じて、式（５）中のΔＴｈが大きくなる。これにより、ΔＴｈが流量に依らず一定である場合よりも加熱電流Ｉｈの流量依存性が大きくなり流量感度が向上する。
【００２９】
図６は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流量が増大すると、式（１６）に基づいて第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは増大するが、従来例の測定抵抗体１０３の抵抗値Ｒｓは流量に依らず一定である（図６（ａ））。したがって、第１の温度検出抵抗体５ａと流体との温度差ΔＴｓｕは流量とともに増大する。一方、従来例では測定抵抗体１０３と流体との温度差ΔＴｓは変化しない（図６（ｂ））。また、ΔＴｓｕを増大させるために、発熱抵抗体４と流体との温度差ΔＴｈも増大する。一方、従来例のΔＴｈは変化しない（図６（ｃ））。ΔＴｈが増大すると、発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈも増大する（図６（ｄ））。熱放散係数Ｈの流量依存性については、本願発明と従来例とで差異はない（図６（ｅ））。したがって、式（５）で表される加熱電流Ｉｈについては、本願発明のほうが大きな流量依存性を有する（図６（ｆ））。
【００３０】
以上のように、この実施の形態１によれば、第１の温度検出抵抗体５ａと、第２の温度検出抵抗体５ｂと、発熱抵抗体４と、流体温度検出抵抗体６と、複数の固定抵抗体２１，２２，２３とを備え、これらの抵抗体をホイートストンブリッジを構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化に基づいて生起する不平衡状態からホイートストンブリッジを平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体４に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流Ｉｈを検出するように構成したので、流体流量が増加するほど上流側に位置する第１の温度検出抵抗体５ａの温度が下流側に位置する第２の温度検出抵抗体５ｂの温度に対してより低くなるとともに、平衡状態に復帰するために発熱抵抗体４から供給される熱量が第１の温度検出抵抗体５ａおよび第２の温度検出抵抗体５ｂにともに供給されることに基づいて、流体流量が増加するのに応じて発熱抵抗体４の温度を上昇させるように回路を組むことが可能となり、加熱電流Ｉｈの流量依存性を高めることができるから、流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００３１】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図７において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図７に示される流量測定回路は、図５に示される流量測定回路と比較すると、電圧フォロワ２９が発熱抵抗体４の電位が高い側の端部に接続されるとともに、発熱抵抗体４の電位が低い側の端部が接地部に直接的に接続されて、出力電圧Ｖｏｕｔとして発熱抵抗体４の両端部間における電圧が与えられる点で相違する。すなわち、入力端子を発熱抵抗体４について電位の高い側に接続した電圧フォロワ２９により、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定する電圧測定手段が構成される。
【００３２】
上記のように電圧フォロワ２９および出力端子３０を接続することで、出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（１７）および式（１８）で表される。
【００３３】
図８は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流量が増大すると、実施の形態１で説明したように、従来技術と比較して、発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈが増加する（図８（ａ））とともに、加熱電流Ｉｈの増加割合が大きくなる（図８（ｃ））。したがって、抵抗値Ｒｈの増加が出力電圧Ｖｏｕｔを増加させるように作用するので、流量の増加に応じて出力電圧Ｖｏｕｔの増加割合は大きくなり、出力電圧Ｖｏｕｔについての流量依存性はより大きくなる（図８（ｄ））。
【００３４】
また、図９は順流方向および逆流方向の流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。流れの方向が逆になると、式（１６）においてＲｓｄの作用が逆に現れる。すなわち、流れ方向が逆の場合には、第２の温度検出抵抗体５ｂが流体の流れの上流側に位置することとなって流体によって冷却されるために、第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄが低下するので、ホイートストンブリッジの平衡を保持するために第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕも低下する。したがって、発熱抵抗体４が第１の温度検出抵抗体５ａに対して供給する必要のある熱量も減少するために、発熱抵抗体４の温度が低下してその抵抗値も低下する（図９（ａ））。また、発熱抵抗体４と流体との温度差として与えられるΔＴｈも減少する（図９（ｂ））。しかし、熱放散係数Ｈは流れの方向に依らずに流体流量の増加とともに大きくなる（図９（ｃ））。そして、これら物理量を乗じて得た数値の平方根として与えられる出力電圧Ｖｏｕｔは、結果的に順流域では流量の増加とともに増加し、逆流域では流量の増加とともに減少する（図９（ｄ））。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔを測定することにより、順流および逆流双方の流体流量を測定することができる。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、加熱電流Ｉｈを測定するために、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定するように構成したので、発熱抵抗体４の抵抗値の増加が出力電圧を増加させるように作用して、出力電圧Ｖｏｕｔについての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００３６】
また、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定するように構成したので、順流域においては流量の増加とともに出力電圧を増加させ、逆流域においては流量の増加とともに出力電圧を減少させることが可能となり、順流および逆流を識別できて、順流および逆流双方の流体流量を測定することができるという効果を奏する。
【００３７】
実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサの構成を示す平面図である。図１１はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサの流体温度検出抵抗体を示す拡大図である。図１０および図１１において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図１１に示されるように、流体温度検出抵抗体６は、図１０に示される流れ方向を基準にして上流部に配置される第１の流体温度検出抵抗体６ａ（抵抗値Ｒａｕ）と、流れ方向を基準にして下流部に配置される第２の流体温度検出抵抗体６ｂ（抵抗値Ｒａｄ）とに区画される。また、１５は第１の流体温度検出抵抗体６ａと第２の流体温度検出抵抗体６ｂとの接続部位に配線部を介して接続された共通電極である。
【００３８】
図１２はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１２に示される流量測定回路は、図５に示される流量測定回路と比較すると、第１の流体温度検出抵抗体６ａと第２の流体温度検出抵抗体６ｂとの共通電極１５が差動増幅器２５の一方の入力端子に接続されている点で相違する。
【００３９】
ホイートストンブリッジが平衡状態にある際には、第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕは、以下の式（１９）で表される。
【００４０】
さらに、この実施の形態においては、式（１１）で示したΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βを求めてみると、以下の式のようになる。
【数５】
【００４１】
図１３は流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。図１３に示されるように、流体流量が大きくなると、第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄが大きくなり、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βの絶対値が小さくなる。熱放散係数Ｈについての温度係数は流体流量が大きいほど小さいので、ΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βにより効果的に温度補償がなされて、流体温度が変化しても加熱電流Ｉｈのドリフトが小さな流量センサを得ることができる。
【００４２】
以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態１と同等の効果が得られるとともに、第１の温度検出抵抗体５ａと、第２の温度検出抵抗体５ｂと、発熱抵抗体４と、第１の流体温度検出抵抗体６ａと、第２の流体温度検出抵抗体６ｂと、複数の固定抵抗体２１，２２，２３とを備え、これらの抵抗体をホイートストンブリッジを構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体５ａの温度変化に基づいて生起する不平衡状態からホイートストンブリッジを平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体４に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出するように構成したので、流体流量に対する第２の流体温度検出抵抗体６ｂの抵抗値Ｒａｄの変化の割合と第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄの変化の割合との差異に基づいてΔＴｈ／Ｒｈについての温度係数βに流量依存性を持たせるように回路を組むことができて流体温度に対する温度補償が可能となるので、流体温度が変化しても加熱電流Ｉｈのドリフトが小さい流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００４３】
また、図１４はこの発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の変形例に係る構成を示す回路図である。図１４に示される流量測定回路は、図１２に示される流量測定回路と比較すると、第２の流体温度検出抵抗体６ｂに並列に抵抗値可変の可変抵抗体３１を設け、第２の温度検出抵抗体５ｂに並列に抵抗値可変の可変抵抗体３２を設けた点で相違する。これにより、式（２１）における抵抗値Ｒｓｄおよび抵抗値Ｒａｄを細かに調整することができて、より効率的に温度補償を実施することが可能となる。
【００４４】
実施の形態４．
図１５はこの発明の実施の形態４による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１５において、図１２と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。図１５に示される流量測定回路は、図１２に示される流量測定回路と比較すると、電圧フォロワ２９が発熱抵抗体４の電位が高い側の端部に接続されるとともに、発熱抵抗体４の電位が低い側の端部が接地部に直接的に接続されて、出力電圧Ｖｏｕｔとして発熱抵抗体４の両端部間における電圧が与えられる点で相違する。すなわち、入力端子を発熱抵抗体４について電位の高い側に接続した電圧フォロワ２９により、発熱抵抗体４の両端部間における電圧を測定する電圧測定手段が構成される。
【００４５】
この実施の形態４による流量測定回路は、実施の形態３による流量測定回路に対して実施の形態２による流量測定回路の特徴部を付加した回路として与えられるものである。したがって、実施の形態３と同等の効果が得られるとともに、出力電圧についての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。また、順流域においては流量の増加とともに出力電圧を増加させ、逆流域においては流量の増加とともに出力電圧を減少させることが可能となり、順流および逆流を識別できて、順流および逆流双方の流体流量を測定することができるという効果を奏する。
【００４６】
実施の形態５．
図１６はこの発明の実施の形態５による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。図１６において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。４１は第２の温度検出抵抗体５ｂと固定抵抗体２３との接続部位に入力端子が接続される電圧フォロワ、４２は出力端子（電圧Ｖｄ）である。
【００４７】
電圧フォロワ４１および出力端子４２を接続することで、出力電圧Ｖｄは以下の式（２３）により求められる。
Ｖｄ＝Ｒ２／（Ｒｓｕ＋Ｒｓｄ＋Ｒ２）・Ｖｃ ・・・（２３）
第１の温度検出抵抗体５ａの抵抗値Ｒｓｕおよび第２の温度検出抵抗体５ｂの抵抗値Ｒｓｄは、順流の流体流量が増大すると大きくなり、逆流の流体流量が増大すると小さくなる。また、電圧Ｖｃは定電圧源の電圧であり一定である。したがって、電圧Ｖｄは、順流の流体流量が増大すると低下し、逆流の流体流量が増大すると上昇する。この電圧Ｖｄを検出することで、流れの方向を知ることが可能となる。なお、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとから成る温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値はＶｃ−Ｖｄとして求められるので、第２の温度検出抵抗体５ｂと固定抵抗体２３との接続部位に入力端子が接続される電圧フォロワ４１から温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段が構成される。
【００４８】
以上のように、この実施の形態５によれば、第１の温度検出抵抗体５ａと第２の温度検出抵抗体５ｂとから成る温度検出抵抗体５の両端部間における電圧値を測定するように構成したので、順流と逆流とで流体流量の増大に対する電圧値の増減方向が反対となるため、流れの方向を知ることが可能になるという効果を奏する。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するように構成したので、流体流量が増加するほど上流側に位置する第１の温度検出抵抗体の温度が下流側に位置する第２の温度検出抵抗体の温度に対してより低くなるとともに、平衡状態に復帰するために発熱抵抗体から供給される熱量が第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体にともに供給されることに基づいて、流体流量が増加するのに応じて発熱抵抗体の温度を上昇させるように回路を組むことが可能となり、加熱電流の流量依存性を高めることができるので、流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５０】
この発明によれば、流体の流れ方向に沿って配置され、基板および当該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、基体部において第１の温度検出抵抗体および第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第１の流体温度検出抵抗体と、基体部において発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第２の流体温度検出抵抗体とを備え、第１の温度検出抵抗体、第２の温度検出抵抗体、発熱抵抗体、第１の流体温度検出抵抗体、第２の流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度検出抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定するように構成したので、流体流量に対する第２の流体温度検出抵抗体の抵抗値の変化の割合と第２の温度検出抵抗体の抵抗値の変化の割合との差異に基づいて、発熱抵抗体と流体との温度差を発熱抵抗体の抵抗値で除することで得られる値に係る温度係数に流量依存性を持たせるように回路を組むことができて流体温度に対する温度補償が可能となるので、流体温度が変化しても加熱電流のドリフトが小さい流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５１】
この発明によれば、加熱電流の測定について発熱抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるように構成したので、発熱抵抗体の抵抗値の増加が出力電圧を増加させるように作用して、出力電圧についての流量依存性を高めることができるので、より流量感度が向上した熱式流量センサを得ることができるという効果を奏する。
【００５２】
この発明によれば、直列に接続される第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とから成る抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えるように構成したので、順流と逆流とで流体流量の増大に対する電圧値の増減方向が反対となるため、流れの方向を知ることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの構成を示す平面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの薄肉部を示す拡大図である。
【図３】 図１に示される熱式流量センサのＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサの取り付け形態を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態１による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図６】 流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図７】 この発明の実施の形態２による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図８】 流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図９】 順流方向および逆流方向の流量に対する各物理量の変化を本願発明と従来技術との間で比較した図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサの構成を示す平面図である。
【図１１】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサの流体温度検出抵抗体を示す拡大図である。
【図１２】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１３】 流量に対する各物理量の変化を示す図である。
【図１４】 この発明の実施の形態３による熱式流量センサを用いた流量測定回路の変形例に係る構成を示す回路図である。
【図１５】 この発明の実施の形態４による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１６】 この発明の実施の形態５による熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図１７】 従来の熱式流量センサを示す上平面図である。
【図１８】 従来の熱式流量センサを示す下平面図である。
【図１９】 従来の熱式流量センサを用いた流量測定回路の構成を示す回路図である。
【図２０】 流体温度に応じた熱伝達率の変化に対する補償動作を示す図である。
【図２１】 熱放散係数等についての温度係数の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 空気スペース、３ 薄肉部、４ 発熱抵抗体、５ 温度検出抵抗体、５ａ 第１の温度検出抵抗体、５ｂ 第２の温度検出抵抗体、６ 流体温度検出抵抗体、６ａ 第１の流体温度検出抵抗体、６ｂ 第２の流体温度検出抵抗体、７ 配線部、８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５ 電極、１６，１７ 絶縁層、２１，２２，２３ 固定抵抗体、２４ 出力抵抗体、２５ 差動増幅器、２６ トランジスタ、２７，２８ 定電圧源、２９，４１ 電圧フォロワ、３０，４２ 出力端子、３１，３２ 可変抵抗体。
Claims (4)
- 流体の流れ方向に沿って配置され、基板および該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、
該基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、
前記基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、
前記基体部において前記第１の温度検出抵抗体および前記第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、
前記基体部において前記発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された流体温度検出抵抗体とを備え、
前記第１の温度検出抵抗体と前記第２の温度検出抵抗体とを直列接続し、かつ前記発熱抵抗体、前記流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体とともにブリッジ回路を構成するように接続し、前記第１の温度検出抵抗体と前記第２の温度検出抵抗体との接続部位の電圧を用いてブリッジ回路の不平衡状態を検出してブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように前記発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定することを特徴とする熱式流量センサ。 - 流体の流れ方向に沿って配置され、基板および該基板の一方の面に形成された１または複数の絶縁膜層からなるプレート状の基体部と、
該基体部において流体の流れ方向について上流側に形成された第１の温度検出抵抗体と、
前記基体部において流体の流れ方向について下流側に形成された第２の温度検出抵抗体と、
前記基体部において前記第１の温度検出抵抗体および前記第２の温度検出抵抗体を加熱するように形成され、しかも流れ方向について第１、第２の温度検出抵抗体の間に形成された発熱抵抗体と、
前記基体部において前記発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第１の流体温度検出抵抗体と、
前記基体部において前記発熱抵抗体の影響を受けない位置に形成された第２の流体温度検出抵抗体とを備え、
前記第１の温度検出抵抗体、前記第２の温度検出抵抗体、前記発熱抵抗体、前記第１の流体温度検出抵抗体、前記第２の流体温度検出抵抗体および１または複数の固定抵抗体をブリッジ回路を構成するように接続して、流体流量に応じた前記第１の温度検出抵抗体、及び、第２の温度検出抵抗体の温度変化に基づいて生起する不平衡状態からブリッジ回路を平衡状態へ復帰させるように前記発熱抵抗体に流される流体流量と相関関係を有する加熱電流を検出することで流体流量を測定することを特徴とする熱式流量センサ。 - 加熱電流の測定について発熱抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱式流量センサ。
- 直列に接続される第１の温度検出抵抗体と第２の温度検出抵抗体とから成る抵抗体の両端部間における電圧値を測定する電圧測定手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱式流量センサ。
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