JP4648662B2 - フローセンサの駆動方法および駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、フローセンサの駆動方法および駆動回路に関する。

本発明で対象となるフローセンサは、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical-Systems)フローセンサである。ＭＥＭＳフローセンサは、中央のマイクロヒータに電流を印加して流体を温め、流体の流れによりマイクロヒータの上流と下流との間に発生した温度差により、流速を計測するものである。

このようなフローセンサは、たとえば、特開２００１−０１２９８８号公報（特許文献１）で提案されているように、流体の種類の違いや、同じ流体でも圧力や温度の違いにより、熱拡散係数が異なることで、精度の良い計測ができないという課題があった。また、同じ流体で同じ温度かつ同じ圧力でも、流速が早くなるにつれて熱拡散係数が大きくなり、ヒータ温度が低くなり、流速が大きい時は精度の良い計測ができないという課題もあった。

このような課題に対する提案として、特開平４−３４３１５号公報（特許文献２）や特開２００１−１４１５３９号公報（特許文献３）では、周囲温度を計測する温度センサをフローセンサ内に設け、この温度センサの制御によりマイクロヒータ電流を制御する方法とその回路が開示されている。

また、特開２００１−０１２９８８号公報では、マイクロヒータへの印加は、一定電圧などの単純な制御として、横側サーモパイル出力が温度分布状態をモニターすることで出力を補正する方法を提案している。
特開２００１−０１２９８８号公報 特開平４−３４３１５号公報 特開２００１−１４１５３９号公報

しかしながら、特開平４−３４３１５号公報や特開２００１−１４１５３９号公報に開示されている技術のうちのヒータ温度を一定にする方法では、流体の違いによる温度分布の違いまでは補正できないという欠点があった。

また、特開２００１−０１２９８８号公報では、流体の違いによる温度分布の違いまで補正はできるものの、補正する出力と補正される出力の両方とも、計測分解能が悪くなっているために、精度の良い流速計測ができないという欠点があった。

特開２００１−１２９８８号公報に記載の技術について、もう少し詳細に説明する。

図９は、特開２００１−１２９８８号公報に記載のフローセンサを用いた流量計測装置の構成ブロック図である。この流量計測装置は、フローセンサのセンサ出力に基づいて流量演算を行う流量演算部５０を備えている。

流量演算部５０は、フローセンサ内の下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号とフローセンサ１内の上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号との差信号を増幅する差動増幅器３３と、フローセンサ１内の右側サーモパイル１１からの右側温度検出信号を増幅する増幅器３５ａと、フローセンサ１内の左側サーモパイル１３からの左側温度検出信号を増幅する増幅器３５ｂと、差動増幅器３３、増幅器３５ａおよび増幅器３５ｂからの各出力が入力されるマイクロコンピュータ４０とを備えて構成される。

マイクロコンピュータ４０は、増幅器３５ａからの右側温度検出信号と増幅器３５ｂからの左側温度検出信号とを加算する加算部４５と、差動増幅器３３で得られた第２の温度検出信号と第１の温度検出信号との差信号を加算部４５から出力される加算信号により除する除算部４７と、この除算部４７から出力される除算信号に基づき、ガスの流量を算出する流量算出部４１と、加算部４５から出力される加算信号に基づき、ガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等の物性値を算出する流体物性値算出部４３とを備えて構成される。

図９の流量計測装置では、流速を計測するフローセンサの出力を（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）／Ｖ_TP3 としている。ここで、Ｖ_DTP は、下流側サーモパイル５の温度検出信号電圧、Ｖ_UTP は、上流側サーモパイル８の温度検出信号電圧、Ｖ_TP3 は、横側サーモパイルの温度検出信号電圧（すなわち、加算部４５から出力される加算信号に相当）である。

上述のように、流速を計測するフローセンサの出力を（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）／Ｖ_TP3 とすると、まず、第１の欠点として、分解能が悪化する点がある。流速が速くなると、（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）は、小さな変化、場合によっては飽和するような出力になってしまう。これをＶ_TP3 の変化により補正するのであるが、Ｖ_TP3 の値が小さくなっているので、その変化率は大きいが、計測するＡＤコンバータは、小さな電圧変化としてとらえるので、流速分解能そのものは悪くなってしまう。

第２の欠点として、（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）もＶ_TP3 も共に、回路上などの計測誤差を含んでいる。（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）は差を取っていることと、その誤差は、定数としてオフセット補正することで補正することも可能となるが、Ｖ_TP3 の場合、その誤差は、流速出力に換算するときには、流速や流体種類・圧力・温度の違いの誤差と相乗して大きな計測誤差となってしまう。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、特に大流量領域での計測分解能の向上および流速計測精度の向上を図ることができるフローセンサ駆動方法および駆動回路を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明のフローセンサの駆動方法は、基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側温度センサとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、前記横側温度センサから出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動することを特徴とする。

請求項２記載の発明のフローセンサの駆動回路は、基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側温度センサとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、定電圧電源と、前記定電圧電源に、順次、直列接続された第１、第２および第３の固定抵抗と、前記第２の固定抵抗の両端に発生する電位差と前記第３の温度検出信号との差分が入力される差動増幅器と、前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタとを備え、前記横側温度センサから出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動することを特徴とする。

請求項３記載の発明のフローセンサの駆動回路は、基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側サーモパイルと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側サーモパイルと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に左右に等間隔に配置され、第３の温度検出信号を出力する右側および左側サーモパイルとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、定電圧電源と、前記定電圧電源に、順次、直列接続された第１、第２および第３の固定抵抗と、前記第１および第２の固定抵抗の第１の接続点に接続された第１の入力端子と、前記第２および第３の固定抵抗の第２の接続点に接続された第２の入力端子とを有する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタとを備え、前記右側サーモパイルは、前記第１の接続点と前記第１の入力端子の間に接続され、前記左側サーモパイルは、前記第２の接続点と前記第２の入力端子の間に接続され、前記差動増幅器は、前記第１および第２の接続点間の電位差と、前記右側および左側サーモパイルの熱起電力の和との差分を増幅し、前記右側及び左側サーモパイルから出力される熱起電力の和によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記熱起電力の和が一定になるように前記ヒータを駆動することを特徴とする。

請求項４記載の発明のフローセンサの駆動回路は、基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側測温抵抗と、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側測温抵抗と、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側測温抵抗とを有すると共に、前記ヒータの発熱の影響を受けず、ダイヤフラム上ではない位置に配置され、環境温度検出信号を出力する環境温度測温抵抗を有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、定電流源と、前記横側測温抵抗および前記環境温度測温抵抗の直列接続体と、第１および第２の固定抵抗の直列接続体とで構成され、前記定電流源に接続されたブリッジ回路と、前記横側測温抵抗および前記環境温度測温抵抗の接続点に接続された第１の入力端子と、前記第１および第２の固定抵抗の接続点に接続された第２の入力端子とを有する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタとを備え、前記横側測温抵抗から出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動することを特徴とする。

請求項１および２記載の発明によれば、従来方法に比して、特に大流量領域での流速計測分解能が向上すると共に、流速計測精度が向上する。

請求項３、４および５記載の発明によれば、従来回路に比して、特に大流量領域での流速での流速計測分解能が向上すると共に、流速計測精度が向上する。また、従来回路に比して、より簡単な構成で実現できる。

以下、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の最良の形態に係るフローセンサの駆動方法で使用されるＭＥＭＳフローセンサの概略構成を説明する略図である。

ＭＥＭＳフローセンサ１は、図中断面で示すガス流路５３の内壁に配設される。ＭＥＭＳフローセンサ１は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４と、マイクロヒータ４の下流側に形成された下流側温度センサとしての下流側サーモパイル５と、マイクロヒータ４の上流側に形成された上流側温度センサとしての上流側サーモパイル８と、マイクロヒータ４の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）とほぼ直交方向に等間隔で配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する横側温度センサとしての右側および左側サーモパイル１１，１３とを備えている。

そして、下文で詳述するように、下流側サーモパイル５および上流側サーモパイル８は、流量の検知に役立ち、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３は、ガス種の検知に役立つ。

図２および図３は、図１のＭＥＭＳフローセンサの構成図および断面図である。図２において、ＭＥＭＳフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８、上流側サーモパイル８から出力される第１の温度検出信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から出力される第２の温度検出信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂ、を備えている。

また、ＭＥＭＳフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（図２における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３の温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル１１と、この右側サーモパイル１１から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２Ａ，１２Ｂと、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル１３と、この左側サーモパイル１３から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４Ａ，１４Ｂと、ガス温度（言い換えると、環境温度または周囲温度）を得るための測温抵抗１５，１６と、この測温抵抗１５，１６からの温度検出信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備えている。

上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−ＳｉおよびＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。

また、図３に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３のそれぞれの温接点が形成されている。

このように構成されたＭＥＭＳフローセンサ１によれば、マイクロヒータ４が、定電圧電源または定電流源から供給されるヒータ電流により駆動されると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスを媒体として、下流側サーモパイル５と上流側サーモパイル８のそれぞれの温接点に伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接点の温度差より熱起電力を発生し、温度検出信号を出力する。

ガスを媒体として伝達される熱は、ガスの熱拡散効果とＰからＱに向かって流れるガスの流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５に均等に伝達され、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号と下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の差信号は、零になる。

一方、ガスに流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイル８の温接点に伝達される熱量が少なくなり、下流側サーモパイル５の温接点に伝達される熱量が多くなるため、第２の温度検出信号と第１の温度検出信号との差信号は、流速に応じた正値になる。

一方、マイクロヒータ４がヒータ電流により駆動されると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスの流速の影響を受けずにガスの熱拡散効果のみによって、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置された右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３に伝達される。このため、右側サーモパイル１１の起電力により第３出力端子１２Ａ，１２Ｂから出力される右側温度検出信号、および／または左側サーモパイル１３の起電力により第４出力端子１４Ａ，１４Ｂから出力される左側温度検出信号に基づき、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等に影響されるガスの特有の物性値を算出することができるようになる。

さらに、ＭＥＭＳフローセンサ１によれば、ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３を形成したので、これらの熱容量を小さくして、消費電力を低減することができる。また、ＭＥＭＳフローセンサ１の構成が簡単であるので、安価に作製することができるという効果がある。

次に、図４は、本発明の最良の形態に係るフローセンサの駆動方法を実施するフローセンサの駆動回路の構成を示す回路図である。

図４において、それぞれ固定抵抗器である、第１の抵抗としての抵抗Ｒ１、第２の抵抗としての抵抗Ｒ２、および第３の抵抗としての抵抗Ｒ３が直列接続され、定電圧電源５６から一定の正電圧が印加される。この定電圧電源５６として、たとえばアナログデバイス社のＲＥＦ１９１など、一般的に市販されている定電圧電源が使用されるが、温度特性も含めて再現性の良いものが用いられる。

抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続点（第１の接続点）ａには、右側サーモパイル１１を介して差動増幅器を構成するオペアンプＯＰ１の非反転入力端子（第１の入力端子）が接続されている。なお、右側サーモパイル１１は、熱検出時に熱起電力を発生するので電圧源として表され、接続点ａ側がプラスかつ非反転入力端子側がマイナスとなるように接続されている。

また、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ３の接続点（第２の接続点）ｂには、左側サーモパイル１３を介してオペアンプＯＰ１の反転入力端子（第２の入力端子）が接続されている。 なお、左側サーモパイル１３は、熱検出時に熱起電力を発生するので電圧源として表され、接続点ｂ側がマイナスかつ反転入力端子側がプラスとなるように接続されている。

オペアンプＯＰ１の出力端子は、固定抵抗器である抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のエミッタには、＋Ｖｃｃ電源が接続され、コレクタにはフローセンサ１のマイクロヒータ４が接続されている。

次に、上述の構成を有する駆動回路の動作について説明する。定電圧電源５６、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３が、図４に示すように接続されているので、オペアンプＯＰ１の各入力端子間に入力される、横側サーモパイルからの第３の温度検出信号、すなわち右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３の熱起電力の和と、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）とは、互いに逆極性になっている。それにより、オペアンプＯＰ１の出力は、第３の温度検出信号、すなわち右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３の熱起電力の和と、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）との比較結果により制御される。

この制御されたオペアンプＯＰ１の出力は、トランジスタＱ１により、安定化した電源電圧＋Ｖｃｃと比較され、トランジスタＱ１のエミッタに接続されたマイクロヒータ４に供給される電流量を制御する。

たとえば、横側サーモパイルの和出力が、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）と等しい時は、和出力と電位差（基準電圧）の差分がゼロとなり、オペアンプＯＰ１の各入力端子に入力される電圧がゼロとなるため、オペアンプＯＰ１の出力端子から、オフセット出力電圧値（＋Ｖｃｃより低いプラス電圧）が出力され、それにより、トランジスタＱ１がオンとなり、所定値のヒータ電流がマイクロヒータ４に流れる。

一方、横側サーモパイルの和出力が、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）より小さくなるにつれて、和出力と電位差（基準電圧）の差分が発生してオペアンプＯＰ１の各入力端子に入力されるため、オペアンプＯＰ１の出力はオフセット出力電圧値より小さくなり、＋Ｖｃｃ電源電圧との差が大きくなって、エミッタ電流が大きくなり、マイクロヒータ４に所定値より大きなヒータ電流が流れる。こうなると、マイクロヒータ４の温度が上がり、横側サーモパイルに伝達される熱が増加する。その結果、横側サーモパイルの和出力は大きくなり、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）との差分はゼロになる。

他方、横側サーモパイルの和出力が、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）より大きくなった場合は、和出力と電位差（基準電圧）の差分が発生してオペアンプＯＰ１の各入力端子に入力されるため、オペアンプＯＰ１の出力はオフセット出力電圧値より大きくなり、＋Ｖｃｃ電源電圧との差が小さくなって、エミッタ電流が小さくなり、マイクロヒータ４に流れるヒータ電流は、所定値より小さくなる。こうなると、マイクロヒータ４の温度が下がり、横側サーモパイルに伝達される熱が減少する。その結果、横側サーモパイルの和出力は小さくなり、接続点ａおよびｂ間の電位差（基準電圧）との差分はゼロになる。

以上の動作の繰り返しにより、横側サーモパイルからの和出力（第３の温度検出信号）が変化した時、その変化を補正するように、すなわち、横側サーモパイルの和出力が一定になるように、ヒータ電流が増減されてマイクロヒータ４を駆動するようになる。

上述のようにフローセンサ１が駆動されると、ガスの流量を検出するためのフローセンサ１の出力は、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差、すなわち、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号と下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の差として出力される。

以上説明した本発明によるフローセンサの駆動方法および駆動回路の改善点は、以下の通りである。

まず、計測精度の向上に寄与する本発明の作用について説明する。上流側温度センサと下流側温度センサの温度差、すなわち、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号と下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の差として出力を横側温度センサ出力、すなわち第３の温度検出信号で補正する考え方は、特開２００１−１２９８８号公報と同じであり、本発明においても、（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）／Ｖ_TP3 が出力になる。ここで、Ｖ_DTP は、下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の電圧、Ｖ_UTP は、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号の電圧、Ｖ_TP3 は、横側サーモパイルの第３の温度検出信号の電圧（つまり、右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３の和出力）である。

特開２００１−１２９８８号公報では、実際にＶ_TP3 を同時（または、時間をずらして）計測し、後処理（マイコンによる計算など）により、センサ出力を得ていた。その場合、各計測で発生するオフセット出力を補正することには充分ではない。オフセット出力をδとすると、正確な計測出力は、｛（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）＋δ_DU｝／（Ｖ_TP3 ＋δ_TP3 ）となる。

特開２００１−１２９８８号公報の場合、流速や温度・圧力、流体種類などでＶ_TP3 も変化するため、δがこのような条件で変化しなくても、計測出力の誤差には、流速や温度・圧力、流体種類に対して依存性が出てくる。

これに対して、本発明では、図４に示す駆動回路でＶ_TP3 を一定に保つため、δ_TP3 の影響は受けない。また、δ_DUの影響は、簡単なキャリブレーションをすれば除去可能となる。除去する方法として、たとえば、Ｖ_DTP とＶ_UTP のプラス、マイナス入力端子をスイッチにより反転させてその差出力をとる、等の方法が知られている。したがって、特開２００１−１２９８８号公報に記載の発明よりも計測精度の良い流速計測が可能となる。なお、Ｖ_TP3 を一定にしているため、（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）だけの計測でも割り算をした結果と同じになるため、本発明ではＶ_TP3 を計測してもしなくてもどちらでも計測出力を取り出すことができる。Ｖ_TP3 を計測しない場合は、Ｖ_TP3 計測用の回路を省略することができ、この場合の出力回路の構成例を以下に説明する。

図５は、図４の駆動回路で駆動されるＭＥＭＳフローセンサ１の出力回路の構成例を示す回路図である。出力回路は、差動増幅器を構成するオペアンプＯＰを有する。オペアンプＯＰは、＋Ｖｃｃ電源に接続されると共に、ゲイン調整用可変抵抗ＶＲと出力端子ＯＵＴを備えている。オペアンプＯＰの非反転入力端子には、下流側サーモパイル５が接続され、反転入力端子には、上流側サーモパイル８が接続される。なお、下流側サーモパイル５は、熱検出時に熱起電力を発生するので電圧源として表され、非反転入力端子側がプラスかつ接地側がマイナスとなるように接続されている。同様に、上流側サーモパイル８は、電圧源として表され、反転入力端子側がプラスかつ接地側がマイナスとなるように接続されている。

次に、図５の出力回路の動作を説明する。すなわち、図４に示す駆動回路でＭＥＭＳフローセンサ１が駆動されると、ガスの流量を検出するためのフローセンサ１の出力は、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差、すなわち、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号と下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の差（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）としてオペアンプＯＰの出力端子ＯＵＴから出力される。なお、オペアンプＯＰの出力端子ＯＵＴからの（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）出力は、（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）／Ｖ_TP3 における１／Ｖ_TP3 に相当する一定の係数が乗算されたものとなるが、この係数は、ゲイン調整用可変抵抗ＶＲによるゲイン調整により決定される。

したがって、図５の出力回路を使用すれば、図９における増幅器３５ａおよび３５ｂと、加算部４５と除算部４７の構成は省略することができ、流量算出部４１は、オペアンプＯＰの出力端子ＯＵＴからの（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）出力のみを使用して流量を算出することができる。

次に、もう１つの改善点として、計測分解能の向上について説明する。マイクロヒータ４から奪われる熱量Ｑとガスの流速ｖとの間には、次のような関係があることが分かっている。
Ｑ＝（Ａ＋Ｂ√ｖ）／（Ｔ_h −Ｔ_f ）
ここで、Ｔ_h はマイクロヒータ４のヒータ温度、Ｔ_f はガス温度、ＡおよびＢは係数である。

特開２００１−１２９８８号公報では、回路を簡略化するために、定電圧や定電流などの簡潔なヒータ駆動回路を提案しているが、この場合、流速ｖが大きくなっても、熱量Ｑが大きくならず、（Ｔ_h −Ｔ_f ）が小さくなるように作用する。それにより、Ｖ_DTP 、Ｖ_UTP 、Ｖ_TP3 が小さくなり、流速に対する変化量も小さくなって、測定分解能は小さくなってしまう。

この様子を図６のグラフに示す。図６において、曲線Ａは、上流側サーモパイル８からの第１の温度検出信号と下流側サーモパイル５からの第２の温度検出信号の差出力（Ｖ_DTP −Ｖ_UTP ）を示し、曲線Ｂは、横側サーモパイル（右側サーモパイル１１および左側サーモパイル１３）の和出力（Ｖ_TP3 ）を示す。

特開平４−３４３１５号公報や特開２００１−１４１５３９号公報では、（Ｔ_h −Ｔ_f ）を一定にして上式の関係を簡略化し、温度補正を簡単にすることを提案したものである。しかし、大きな流速での計測もできるようになるという利点の一方では、特開２００１−１２９８８号公報の発明にあるように、これらの方法では、係数ＡあるいはＢの温度特性・圧力特性または流体種類依存性により、精度の良い計測は不十分であるという欠点があった。特開２００１−１２９８８号公報の発明と、特開平４−３４３１５号公報や特開２００１−１４１５３９号公報の発明を組み合わせることも考えられるが、センサ回路が複雑になるという欠点を生じる。

本発明では、上述の作用によりＶ_TP3 を一定に保つため、（Ｔ_h −Ｔ_f ）も小さくならず、流速に対する出力変化量も大きくなるため、計測分解能も十分に得られる。また、そのために、駆動回路が複雑化することもなく、むしろ簡単な構成で実現することができる。

図７は、本発明の駆動方法および駆動回路で駆動されたフローセンサに基づく流量対出力の特性を示す。図７に示すように、大流量領域においても、流量に対する出力変化量が大きく、計測分解能が良くなっている。

以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施の形態では、温度センサとしてサーモパイルを用いているが、本発明は、これに限らず、サーモパイル以外のもの、たとえば測温抵抗体を使用しても良い。

図８は、本発明のフローセンサの駆動回路の他の実施例を示し、温度センサが測温抵抗体である場合の回路図である。この場合のフローセンサは、図示しないが、ガスを加熱するヒータと、ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側測温抵抗と、ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側測温抵抗と、ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側測温抵抗と、ヒータの発熱の影響を受けない位置に配置され、環境温度検出信号を出力する環境温度測温抵抗とを有する。

駆動回路は、定電流源５８と、前記横側測温抵抗６０および前記環境温度測温抵抗６２の直列接続体と、第１の固定抵抗としての抵抗Ｒ５および第２の固定抵抗としての抵抗Ｒ６の直列接続体とで構成され、定電流源５８に接続されたブリッジ回路と、横側測温抵抗６０および環境温度測温抵抗６２の接続点ｃに接続された第１の入力端子としての反転入力端子と、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ６の接続点ｄに接続された第２の入力端子としての非反転入力端子とを有し、差動増幅器として作用するオペアンプＯＰ１と、オペアンプ１の出力で駆動され、マイクロヒータ４にヒータ電流を供給するトランジスタＱ１とを備えている。

上述の構成において、ブリッジ回路が平衡状態にある時、マイクロヒータ４に所定値のヒータ電流が供給されている。しかし、横側測温抵抗６０の抵抗値が変化して平衡状態がくずれると、マイクロヒータ４に所定値から増減するヒータ電流が供給され、その結果、横側測温抵抗６０の抵抗値の変化が補正されて、ブリッジ回路は再びバランスする。したがって、横側測温抵抗６０の抵抗値は一定に保たれる。

上述のようにフローセンサ１が駆動されると、ガスの流量を検出するためのフローセンサの出力は、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差、すなわち、上流側測温抵抗からの第１の温度検出信号と下流側測温抵抗からの第２の温度検出信号の差を、横側測温抵抗６０からの第３の温度検出信号で除したものとして出力される。

また、本発明のフローセンサの駆動回路では、回路に動作安定化のための抵抗・コンデンサを入れることなどに制限はない。たとえば、トランジスタのコレクタ・エミッタ間に比較的大きな抵抗値を有する抵抗を接続しても良い。また、トランジスタＱ１はＰＮＰ型またはＮＰＮ型のどちらでも使用可能である。また、トランジスタＱ１のベースにベース電流制限抵抗を入れても良い。さらに、トランジスタＱ１は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用することもできる。

本発明の最良の形態に係るフローセンサの駆動方法で使用されるＭＥＭＳフローセンサの概略構成を説明する略図である。 図１のＭＥＭＳフローセンサの構成図である。 図１のＭＥＭＳフローセンサの断面図である。 本発明の最良の形態に係るフローセンサの駆動方法を実施するフローセンサの駆動回路の構成を示す回路図である。 図４の駆動回路で駆動されるＭＥＭＳフローセンサの出力回路の構成例を示す回路図である。 従来の駆動回路による流量対フローセンサ出力の特性を示すグラフである。 本発明の駆動回路による流量対フローセンサ出力の特性を示すグラフである。 本発明のフローセンサの駆動回路の他の実施例を示し、温度センサが測温抵抗体である場合の回路図である。 従来のフローセンサを用いた流量計測装置の構成ブロック図である。

符号の説明

１ ＭＥＭＳフローセンサ
４ マイクロヒータ（ヒータ）
５ 下流側サーモパイル（下流側温度センサ）
８ 上流側サーモパイル（上流側温度センサ）
１１ 右側サーモパイル（横側温度センサ）
１３ 左側サーモパイル（横側温度センサ）
５６ 定電圧電源
Ｒ１ 抵抗（第１の抵抗）
Ｒ２ 抵抗（第２の抵抗）
Ｒ３ 抵抗（第３の抵抗）
ＯＰ１ オペアンプ（差動増幅器）
Ｑ１ トランジスタ
５８ 定電流源
６０ 横側測温抵抗
６２ 環境温度測温抵抗
Ｒ５ 抵抗（第１の固定抵抗）
Ｒ６ 抵抗（第２の固定抵抗）

Claims (4)

1. 基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側温度センサとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、
   前記横側温度センサから出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動する
   ことを特徴とするフローセンサの駆動方法。
2. 基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側温度センサと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側温度センサとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、
   定電圧電源と、
   前記定電圧電源に、順次、直列接続された第１、第２および第３の固定抵抗と、
   前記第２の固定抵抗の両端に発生する電位差と前記第３の温度検出信号との差分が入力される差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタとを備え、
   前記横側温度センサから出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動する
   ことを特徴とするフローセンサの駆動回路。
3. 基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側サーモパイルと、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側サーモパイルと、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に左右に等間隔に配置され、第３の温度検出信号を出力する右側および左側サーモパイルとを有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、
   定電圧電源と、
   前記定電圧電源に、順次、直列接続された第１、第２および第３の固定抵抗と、
   前記第１および第２の固定抵抗の第１の接続点に接続された第１の入力端子と、前記第２および第３の固定抵抗の第２の接続点に接続された第２の入力端子とを有する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタとを備え、
   前記右側サーモパイルは、前記第１の接続点と前記第１の入力端子の間に接続され、
   前記左側サーモパイルは、前記第２の接続点と前記第２の入力端子の間に接続され、
   前記差動増幅器は、前記第１および第２の接続点間の電位差と、前記右側および左側サーモパイルの熱起電力の和との差分を増幅し、
   前記右側及び左側サーモパイルから出力される熱起電力の和によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記熱起電力の和が一定になるように前記ヒータを駆動する
   ことを特徴とするフローセンサの駆動回路。
4. 基板に形成されたダイヤフラム上に、ガスを加熱するヒータと、前記ヒータに対してガスの上流側に配置され、第１の温度検出信号を出力する上流側測温抵抗と、前記ヒータに対してガスの下流側に配置され、第２の温度検出信号を出力する下流側測温抵抗と、前記ヒータに対してガスの流れ方向とほぼ直交方向に配置され、第３の温度検出信号を出力する横側測温抵抗とを有すると共に、前記ヒータの発熱の影響を受けず、ダイヤフラム上ではない位置に配置され、環境温度検出信号を出力する環境温度測温抵抗を有し、前記第１、第２および第３の温度検出信号に基づいてガスの流量を測定するフローセンサにおいて、
   定電流源と、
   前記横側測温抵抗および前記環境温度測温抵抗の直列接続体と、第１および第２の固定抵抗の直列接続体とで構成され、前記定電流源に接続されたブリッジ回路と、
   前記横側測温抵抗および前記環境温度測温抵抗の接続点に接続された第１の入力端子と、前記第１および第２の固定抵抗の接続点に接続された第２の入力端子とを有する差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力で駆動され、前記ヒータにヒータ電流を供給するトランジスタと
   を備え、
   前記横側測温抵抗から出力される前記第３の温度検出信号によって前記ヒータ電流の電流量を制御し、前記第３の温度検出信号が一定になるように前記ヒータを駆動する
   ことを特徴とするフローセンサの駆動回路。

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