JPH0222516A - フローセンサ - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、絶縁基板上に形成した抵抗体に、抵抗調整帯
を設けた熱式フローセンサに関する。

〈従来技術〉 従来より一般に使用されている熱式のフローセンサとし
ては、次のような種類のものがある。

その第一は、流路用主管にバイパス流路用の測路管な設
け、この測路管へヒーターを連結し、測路管を加熱した
際の流れにより測路管の流れ方向に生じる温度分布から
流量を検知する方式を用いた流量計である。この流量計
は精度が良く、半導体ガスの流量コントローラー等とし
て広く用いられているが、構造上小型化や量産に不向き
で高価であるため、用途が限定されてしまうという欠点
がある。

第二には、流体中に発熱素子を設け、その発熱素子を利
用して発熱素子から周囲の流体に伝達される熱量の変化
を検出し、検出値より流木を測定する方式を用いたフロ
ーセンサがある。この方式を用いたフローセンサには、
従来シリコンチップ上に形成されたトランシ゛スタを利
用して構成されたフローセンサがある。このフローセン
サは、シリコンプロセス技術を利用しているので量産性
に優れるが、その反面、素子間の温度特性のバラツキが
大きく、また高温下での使用が困難であるなどの欠、α
を有している。

さらに、上記方式で、発熱素子に白金やタングステンな
どの高融点金属製抵抗線を用いたものがあるが、これら
は抵抗値が小さく素子間のバラツキも大きいので発熱温
度の制御性や温度測定の精度が悪い。また、細線を用い
るため、加工が困難で量産性に欠けるなどの欠点がある
。

さらにまた、抵抗線の代わりに絶縁基板上に薄膜化され
た抵抗体を用いる熱膜式フローセンサは、小型化が可能
で、−枚の基板内に多数の素子を並べて製作することが
できるので、量産性にも優れている。また、この構造に
おいて薄膜製作時の膜厚のバラツキにより素子間の抵抗
値にバラツキが生じるが、抵抗調整帯を設け、レーザー
カッターなどにより抵抗値を調整して素子間の抵抗値の
バラツキを抑えていた。

上記抵抗体に抵抗調整帯を設ける方式で、抵抗調整帯を
抵抗体の発熱部の端部に配置した発熱素子（フローセン
サ素子）の例を第６図（ａ）（ｂ）に示す。

第６図（、）は抵抗調整帯に抵抗調整を行っていない場
合の横断平面図、第６図（ｂ）は同じく抵抗調整を最大
に行っている場合の横断平面図である。

また、抵抗体として発熱抵抗体と、発熱抵抗体の発熱温
度を検知しながら発熱抵抗体に電圧を加える発熱温度測
温抵抗体とが基板上に形成され、発熱抵抗体および発熱
温度測温抵抗体各々の発熱部の端部に抵抗体調整帯を配
置した発熱素子（フローセンサ素子）の例を第７図（、
）（ｂ）に示す。第７図（ａ）は抵抗調整帯に抵抗調整
を行っていない場合の横断平面図、第７図（ｂ）は同じ
く抵抗調整を最大に行っている場合の横断平面図である
。

図示の如く、発熱抵抗体２ａの発熱部５ａの端部に配置
された第一抵抗調整帯４ａと発熱温度測温抵抗体２ｂの
発熱部５ｂの端部に配置された第二抵抗調整帯４ｂとが
基板１の両端に互いに対向するよう設けられている。

く　発明が解決しようとする問題点　〉しかし、素子を
流路管内に設置し、一方向から流体を流し、流速と消費
電力を測定すると、第６図（ａ）（ｂ）に示す従来のフ
ローセンサ素子３では、抵抗調整帯４に抵抗調整を行う
と素子３内の温度分布が異なるため、第８図の如く、抵
抗調整を行つでいない場合の出力特性Ａと抵抗調整を最
大に行っている場合の出力特性Ｂとに誤差が見られる。

また同様に、第７図（ａ）（ｂ）に示す従来のフローセ
ンサ素子３でも、第８図の如き出力特性に誤差が見られ
る。

さらに、素子を流路管内に設置し、流体の流れ方向に対
する素子の出力特性を測定すると、第６図（ｂ）に示す
従来のフローセンサ素子３では、素子３内の温度分布が
変化するため、第９図の如く、流体が素子３に対して左
側（抵抗調整帯４側）から流れる場合の出力特性りと右
側（抵抗調整帯４と逆側）から流れる場合の出力特性Ｒ
とに誤差が見られる。

また同様に、第７図（ｂ）に示す従来のフローセンサ素
子３でも、第９図の如く、流体が素子３に対して左側（
第一抵抗調整帯４ａ側）から流れる場合の出力特性りと
右側（第二抵抗調整帯４ｂ側）から流れる場合の出力特
性Ｒとに誤差が見られる。

したがって、従来の抵抗線の代わりに絶縁基板上に薄膜
化された抵抗体を用いる熱膜式フローセンサでは、抵抗
調整帯の配置が悪いと抵抗調整を行ったときに素子内の
温度分布が異なるため、抵抗体から流体に伝わる熱量が
変化し出力特性にバラツキが生じていた。

また、素子に対して一側から流体が流れる場合と池側か
ら流体が流れる場合とでは、出力特性に著しい誤差が生
じるという欠点を有していた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、−枚の基板上に
多数のフローセンサ素子を並べて製作するとき、抵抗調
整帯に抵抗調整を行っても、素子内の温度分布が一定に
なり、素子間の出力特性にバラツキを抑えることができ
、しかも流路管内に配置した場合でも、素子の出力特性
に方向依存性を持たないで配管等への設置が簡単となる
フローセンサの提供を目的とするものである。

〈　問題点を解決するための手段　〉 本発明による問題点解決手段は、第１図（ａ）（ｂ）、
第２図（ａ）（ｂ）の如く、絶縁基板１と該絶縁基板１
上に形成され温度変化に対して抵抗値が変化する抵抗体
２とを有するフローセンサ素子３を備え、該フローセン
サ素子３内の抵抗体２を発熱させ、流体の通過によって
奪われる熱量の変化に基き前記流体の流速を求めるフロ
ーセンサにおいて、前記抵抗体２に抵抗調整帯４が設け
られ、該抵抗調整帯４が前記抵抗体２の発熱部５の中央
に配置されたものである。

〈作用〉 上記問題点解決手段において、フローセンサ素子３を流
路管内に配置し、流速検知部分が流体温度に対して一定
温度高くなるように抵抗体２に電圧を加える。そして、
流路管内の流体の通過によって奪われる熱量に基いて、
流体の流速が求められる。

このとき、フローセンサ素子３内の抵抗調整帯４を抵抗
体２の発熱部５の中央に配置しているので、抵抗調整の
有無によらず素子内の温度分布が一定となり、抵抗調整
による出力特性のバラツキをなくすことができる。また
、素子間でのバラツキがなくなり、しかも素子に対して
流体が左右どちら側から流れても左右対称に流速を検知
することができる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面により説明する。第
１図６）は本発明第一実施例においてフローセンサ素子
の抵抗調整帯に抵抗調整を行っていない場合の横断平面
図、第１図（ｂ）は同じく抵抗調整を最大に行った場合
の横断平面図である。

図示の如く、本発明は、絶縁基板１と該絶縁基板１上に
形成され温度変化に対して抵抗値が変化する抵抗体２と
を有するフローセンサ素子３を備え、該７１ニアーセン
サ素子３内の抵抗体２を発熱させ、流体の通過によって
奪われる熱量の変化に基き前記流体の流速を求める熱式
フローセンサにおいて、前記抵抗体２に抵抗調整帯４が
設けられ、該抵抗調整帯４が前記抵抗体２の発熱部５の
中央に配置されたものである。

前記絶縁基板１は、第１図（ａ）（ｂ）の如く、基板材
料としてガラス等の熱伝導率の小さい熱絶縁材料を用い
、長方形に形成されている。

前記抵抗体２は、前記絶縁基板１上に白金等の抵抗温度
係数の大きな金属薄膜を真空蒸着法、スパッタリング法
、あるいはプラズマＣＶＤ法等により堆積された後、エ
ツチング技術によりパターニングして形成されている。

該抵抗体２の抵抗パターンは、前記抵抗調整帯４を中心
に左右対称に設けられている。そして抵抗パターンの上
側には、流体の流れ方向に長方形パルス状にパターニン
グされた前記発熱部５が設けられている。さらに、抵抗
パターンの両端部には、抵抗パターンの体形補整のため
のパッド６が設けられている。

前記抵抗調整帯４では、素子３間の抵抗値のバラツキを
抑えるためレーザーカッター等により抵抗値が調整され
ている。

上記の如く構ｒ＆されるフローセンサ素子３は、抵抗体
２が絶縁基板１上に白金等の抵抗温度係数の大きな金属
薄膜を真空蒸着法、スパッタリング法、あるいはプラズ
マＣＶＤ法等により堆積された後、エツチング技術によ
りパターニングして形成される。このフローセンサ素子
３を第３図の如く、流路管８内に配置し、流速検知部分
が流体温度に対して一定温度高くなるように抵抗体２に
電圧を加える。そして、流路管８内の流体の通過によっ
て奪われる熱量に基いて、流体の流速が求められる。こ
のとき、フローセンサ素子３を抵抗体２に加えた電圧Ｖ
ｏｕｔより求められる抵抗体２の消費電圧Ｐと流速Ｖの
関係は、 Ｐ　＝　Ｖｏｕｔ”／　Ｒｈ＝（Ａ　＋Ｂｆ　）　’Δ
′Ｆとして表される。なお、Ｒｈは抵抗体２の抵抗値、
Ａ及びＢは定数、ΔＴはフローセンサ素子３の発熱温度
と流体温度との差である。ここで△Ｔが一定であれば、
抵抗体２の消′ｆｔ電力Ｐは流速の平方根６に比例する
ため電圧ＶｏｕＬあるいは消費電力Ｐにより流速を求め
ることができる。

そこで、第３図に示すように本発明のフローセンサ素子
を流路管８内に設置し、一方向から流体を流し、流速と
消費電力を測定した場合と従来のフローセンサ素子を同
様に設置して一方向から流体を流し流速と消費電力を測
定した場合とを比較すると次のようになる。

抵抗調整帯４を抵抗体２の発熱部５の端部に配置した第
６図（ａ）（ｂ）に示す従来のフローセンサ素子３では
、抵抗調整帯４に抵抗調整を行うと素子３内の温度分布
が異なる。このため、第８図の如く、抵抗調整を行って
いない場合の出力特性Ａと抵抗調整を最大に行っている
場合の出力特性Ｂとに誤差が見られる。

一方、抵抗調整帯４を抵抗体２の発熱部５の中央に配置
した第１図（ａ）（ｂ）に示される本発明のフローセン
サ素子３では、抵抗調整帯４に抵抗調整を行っても素子
３内の温度分布が一定になる。このため、第４図の如く
抵抗調整を行っている場合の出力特性Ａと抵抗調整を最
大に行っている場合の出力特性Ｂとに誤差が見られない
。

また、第３図に示すようにフローセンサ素子３を流路管
８内に配置したときの流体の流れ方向に対する本発明の
フローセンサ素子の出力特性と従来のフローセンサ素子
の出力特性とを比較すると次のようになる。

第６図（ｂ）に示す従来のフローセンサ素子３では、素
子３内の温度分布が変化するため、第９図の如く、流体
がフローセンサ素子３に対して左側（抵抗調整帯４側）
から流れる場合の出力特性りと右側（抵抗調整帯４と逆
側）から流れる場合の出力特性Ｒとに誤差が見られる。

一方、第１図（ｂ）に示す本発明のフローセンサ素子３
では、素子３内の温度分布が一定になるため、第５図の
如く、流体がフローセンサ素子３に対して左側から流れ
る場合の出力特性りと右側から流れる場合の出力特性Ｒ
とに誤差が見られない。

すなわち、本発明のフローセンサの如く、フローセンサ
素子３内の抵抗調整帯４を抵抗体２の発熱部５の中央に
配置すると、抵抗調整の有無によらず素子内の温度分布
が一定となり、抵抗調整による出力特性のバラツキをな
くすごとができる。

また、素子間でのバラツキがなくなり、しかも素子に対
して流体が左右どちら側から流れても左右対称に流速を
検知することができる。

したがって、−枚の基板内に多数のフローセンサ素子を
並べて製作するとき、抵抗調整帯に抵抗調整を行うでも
素子内の温度分布が変化しないため、素子間の出力特性
のバラツキを抑えることができる。しかも、流路管内に
配置した場合でも素子の出力特性に方向依存性を持たな
いため、配管等への設置が簡単になる。

次に、本発明の第二実施例について図面により説明する
。第２図（、）は本発明第二実施例においてフローセン
サ素子の抵抗調整帯に抵抗調整を行っていない場合の横
断平面図、第２図（ｂ）は同じく抵抗調整を最大に行っ
た場合の横断平面図である。

図示の如く、本発明第二実施例のフローセンサでは、抵
抗体２として発熱抵抗体２ａと該発熱抵抗体２ａの発熱
温度を検知しながら発熱抵抗体２ａに電圧を加える発熱
温度測温抵抗体２ｂとが前記絶縁基板１上に形成されて
いる。該発熱温度測温抵抗体２ｂは、発熱抵抗体２ａの
内側にパターニングされて設けられている。

そして、前記発熱抵抗体２ａの発熱部５ａの中央に配置
された第一抵抗調整帯４ａと、前記発熱温度測温抵抗体
２ｂの発熱部５ｂの中央に配置された第二抵抗調整帯４
ｂとを備えている。その池の構成は第一実施例と同様で
ある。

上記の如く構成されるフローセンサ素子３は、第一実施
例と同様発熱抵抗体２ａと発熱温度測温抵抗体２ｂとが
絶縁基板１上に白金等の抵抗温度係数の大トな金属薄膜
を真空蒸着法、スパッタリング法、あるいはプラズマＣ
ＶＤ法等により堆積された後、エツチングＩ支術により
パターニングして形成される。このフローセンサ素子３
を第３図に示すように流路管８内に配置し、流速検知部
分が流体温度に対して一定温度高くなるように発熱温度
測温抵抗体２ｂで発熱温度を検知しながら発熱抵抗体２
ａに電圧を加える。そして、流路管８内の流体の通過に
よって奪われる熱量に基いて、流体の流速が求められる
。

このとき、発熱抵抗体に加えた電圧Ｖｏｕｔより求めら
れる発熱抵抗体２ａの消費電力Ｐと流速Ｖの関係は、第
一実施例と同様 Ｐ：＝Ｖｏｕｔ２／Ｒｈ＝（Ａ＋ＢＣ）−△Ｔとして表
される。なお、Ｒｈは発熱抵抗体２ａの抵抗値、Ａ及び
Ｂは定数、ΔＴはフローセンサ素子３の発熱温度と流体
温度との差である。ここでΔＴが一定であれば、発熱抵
抗体２ａの消費電力Ｐは流速の平方根Ｆに比例するため
電圧Ｖｏｕｔ或は消費電力Ｐにより流速を求めることが
できる２そこで、第一実施例と同様に本発明のフローセ
ンサ素子と従来のフローセンサ素子とを第３図に示す流
路管８内に設置し、一方向から流体を流し流速と消費電
力を測定して比較すると次のようになる。

第一抵抗調整帯４ａと第二抵抗調整帯４ｂとを基板１の
両端に互いに対向するよう配置した第７図（ａ）（ｂ）
に示す従来のフローセンサ素子３では、抵抗調整を行う
と素子３素子内の温度分布が異なる。

このため、第８図の如く、抵抗調整を行っていない場合
の出力特性Ａと抵抗調整を最大に行っている場合の出力
特性Ｂとに誤差が見られる。

一方、第一抵抗調整帯４ａを発熱抵抗体２ａの発熱部５
ａの中央に配置し第二抵抗調整帯４ｂを発熱温度測温抵
抗体２ｂの発熱部５ｂの中央に配置した第２図（ａ）（
ｂ）に示す本発明のフローセンサ素子３では、抵抗調整
を行っても素子３内の温度分布が一定になる。このため
、第４図の如く、抵抗調整を行っている場合の出力特性
Ａと抵抗調整を最大に行っている場合の出力特性Ｂとに
誤差が見られない。

また、第一実施例と同様に第３図に示すようにフローセ
ンサ素子３を流路管８内に設置し、流体の流れ方向に対
する本発明のフローセンサ素子の出力特性と従来のフロ
ーセンサ素子３の出力特性とを比較すると次のようにな
る。

第７図（ｂ）に示す従来のフローセンサ素子３では、素
子３内の温度分布が変化するため、第９図の如く、流体
が素子３に対して左側（第一抵抗調整帯４ａ）から流れ
る場合の出力特性りと右側（第二抵抗調整帯４ｂ）から
流れる場合の出力特性Ｒとに誤差が見られる。

一方、第２図（ｂ）に示す本発明のフローセンサ素子３
では、素子３内の温度分布が一定になるため、第５図の
如く、流体がフローセンサ素子３に対して左側から流れ
る場合の出力特性りと右側から流れる場合の出力特性Ｒ
とに誤差が見られない。

したがって、第一抵抗調整帯４ａを発熱抵抗体２ａの発
熱部５ａの中央に配置し、第二抵抗調整帯４ｂを発熱温
度測温抵抗体２ｂの発熱部５ｂの中央に配置しても第一
実施例と同様の効果が得られる。

従来のフローセンサを示す第６図（ａ）（ｂ）および第
７図（ａ）（ｂ）は、実施例と同一の番号を付している
。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく
、本発明の範囲内で上記実施例に多くの修正および変更
を加え得ることは勿論である。

例えば、実施例において抵抗体の材料として白金を使用
しているが、白金以外にも抵抗係数の大きい白金合金、
ニッケル、ニッケル合金あるいはサーミスタ等を使用し
ても良い。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかな通り、本発明によると、絶縁基
板と該絶縁基板上に形成され温度変化に対して抵抗値が
変化する抵抗体とを有するフローセンサ素子を備え、該
フローセンサ素子内の抵抗体を発熱させ、流体の通過に
よって奪われる熱量の変化に基き前記流体の流速を求め
るフローセンサにおいて、前記抵抗体に抵抗調整帯が設
けられ、該抵抗調整帯が前記抵抗体の発熱部の中央に配
置されているので、抵抗調整の有無によらず素子内の温
度分布が一定となり、抵抗調整による出力特性のバラツ
キをなくすことができる。また、素子間でのバラツキが
なくなり、しかも素子に対して流体が左右どちら側から
流れでも左右対称に流速を検知することができる。

したがって、−枚の基板内に多数のフローセンサ素子を
並べて製作するとき、抵抗調整帯に抵抗調整を行っても
素子内の温度分布が変化しないため、素子間の出力特性
のバラツキを抑えることができるといった優れた効果が
ある。しかも、流路管内に配置した場合でも素子の出力
特性に方向依存性を持たないため、配管等への設置が簡
単になるといった優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）は本発明第一実施例のフローセンサ素子に
抵抗調整を行っていない場合の横断平面図、＠１図（ｂ
）は同じく抵抗調整を最大に行った場合の横断平面図、
第２図（ａ）は本発明第二実施例のフローセンサ素子に
抵抗調整を行っていない場合の横断平面図、第２図（ｂ
）は同じく抵抗調整を最大に行った場合の横断平面図、
第３図はフローセンサ素子を流路管内に配置した状態を
示す図、第４図は第１図（、）（ｂ）、第５図（ａ）（
ｂ）に示す本発明のフローセンサ素子の出力特性を示す
図、第５図は第１図（ｂ）、第２図（ｂ）に示す本発明
のフローセンサ素子の出力特性の方向依存性を示す図、
第６図（、）は従来の抵抗体を備えたフローセンサ素子
に抵抗調整を行っていない場合の横断平面図、第６図（
ｂ）は同じく抵抗調整帯を最大に行っている場合の横断
平面図、第７図（、）は従来の発熱抵抗体と発熱温度測
温抵抗体とを備えたフローセンサ素子に抵抗調整を行っ
ていない場合の横断平面図、＠７図（ｂ）は同じくその
抵抗調整を最大に行った場合の横断平面図、第８図は第
６図（ａ）（ｂ）、第７図（ａ）（ｂ）に示す従来のフ
ローセンサ素子の出力特性を示す図、第９図は第６図（
ｂ）、第７図（ｂ）に示す従来のフローセンサ素子の出
力特性の方向依存性を示す図である。 １：絶縁基板、２：抵抗体、２ａ：発熱抵抗体、２ｂ：
発熱温度測温抵抗体、３ニア０−センサ素子、４：抵抗
調整帯、４ａ：第一抵抗調整帯、４ｂ：第二抵抗調整帯
、５：発熱部。 出　願　人　　シャープ株式会社・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 絶縁基板と該絶縁基板上に形成され温度変化に対して抵
   抗値が変化する抵抗体とを有するフローセンサ素子を備
   え、該フローセンサ素子内の抵抗体を発熱させ、流体の
   通過によつて奪われる熱量の変化に基き前記流体の流速
   を求めるフローセンサにおいて、前記抵抗体に抵抗調整
   帯が設けられ、該抵抗調整帯が前記抵抗体の発熱部の中
   央に配置されたことを特徴とするフローセンサ。