JPH0336167B2

JPH0336167B2 -

Info

Publication number: JPH0336167B2
Application number: JP57186319A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sato; Mikio Betsusho
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1991-05-30
Also published as: JPS5975115A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は流動流体の流動量をダイヤフラムの
受圧変形量によつて計測する流量検出装置に関す
るものである。

従来この種の装置として第１図に示すものがあ
つた。図に於て１はシリコン半導体より成るバル
ク状発熱体、２はこの発熱体１に給電し支持をも
兼ねる電極リード、３は電極リード２を固持する
トランジスタ・パツケージに相当する支持体、４
は取出しリード、５はステンレススチール製の配
管パイプ、６はパイプ５の内部を通過する流体で
ある鉱物油の流れる方向を示す。７は差動ブリツ
ジや増巾器を含む検出回路、８は検出出力信号で
ある。

次に動作について説明する。発熱体１への給電
電力をPin発熱体１と鉱物油の間の熱伝達量を
Poutとすると熱平衡状態に於てはPin＝Pout＝
ｈ・As・△Ｔが成立する。ここでｈは発熱体１
と鉱物油の間の熱伝達率、Asは発熱体１の表面
積、△Ｔは発熱体１と鉱物油の間の温度差であ
る。一般にレイノルズ数Reが１＜Re＜2000の層
流条件下に於ては熱伝達率ｈはａ、ｂを定数とす
ると実験公式ｈ＝ａ＋ｂ・V^0.5で近似できる。こ
こでＶは流体の平均流速を意味している。発熱体
１への給電電力Pinは発熱体１の抵抗をRs、電流
をIs、電圧をVsとすればPin＝Is²・Rs＝Vs²／Rs
で表わされる故、発熱体１の電気的インピーダン
スを検出回路７で計測することにより、流速Ｖ或
いは流量Ｑが検出出力信号８として得られる。発
熱体１は0.7×0.7×0.15mm³のシリコンチツプであ
りＰを10¹⁵mm³ドープしたＮ形の均質材料から成つ
ている。支持体３はTO−46トランジスタ・パツ
ケージを流用しており、ステンレス・スチール製
のパイプ５は0.767cm径×30cm長あり、発熱体１
は後方25.3cmのところに設置されている。

従来の感熱形流量検出装置は以上のように構成
されているので、レイノルズ数が2000〜3000の、
流れが不安定となる層流から乱流への遷移領域を
避けて、レイノルズ数が2000以下の条件下に設定
するようになつており、熱伝達率としては低い値
を、流れとしては層流状態を使わざるを得ない。
更に発熱体１となるシリコンチツプが均質なバル
ク状発熱体であるため、熱容量が大きく熱的平衡
状態に達するための熱的時定数も比較的大きなも
のになつてしまう。又、発熱体１がある程度の大
きさを有し、電極リード２と共に流れに撹乱を与
える外的要素となつてしまうなど流量検出装置と
して応答性が低くなるばかりか微少流量乃至は大
流量に於て不安定な特性を有するものになつてい
た。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、流体の流速を増大
させるための流速増大手段と、一方の面がこの手
段によつて流速を増大された流体の総圧を、他方
の面が上記流体の静圧を受けるように構成され上
記流体の動圧によつて受圧変形するシリンコン製
ダイヤフラムと、このダイアフラム上に配置され
ダイヤフラムの歪を検出する手段と、上記ダイヤ
フラムの周縁を支持しかつ上記流体の静圧を導入
する導入孔を有した上記ダイヤフラムと同一シリ
コン製支持体とを上記流体が通過する配管中に備
えることにより、瞬時に流量計測の可能な流量検
出装置を提供することを目的としている。

以下この発明の一実施例を図について説明す
る。第２図において、９は埋設されたＰ形シリコ
ンの不純物拡散層より成り歪検出手段である歪検
出素子、１０は熱酸化等により形成せしめた
SiO₂酸化膜より成る絶縁層、１１は歪検出素子
９が配置された中央部がエツチングにより削られ
薄くなつたＮ形シリコン基板より成る受圧ダイヤ
フラム、１１ｂはこのダイヤフラム１１の周縁
部、１２はアルミ電極層、１３はボンデイング・
ワイヤー、１４はボンデイングポスト、１５はガ
ラス半田より成る接着剤層である。１６ａは流体
の静圧を導入する手段である導入孔２１を有した
シリコン基板より成る支持体、１６ａはほうけい
酸ガラスより成る支持台である。１７はセラミツ
ク、合成樹脂等の電気的絶縁材より成りボンデイ
ングポスト１４を絶縁支持する絶縁体、１８はコ
バールより成るパツケージ、１９はハウジング、
２０は鉱物油などの流体の流速を増大せしめるた
めの流速増大手段であるノズルである。絶縁層１
０としてはSiO₂の他Si₃N₄、Al₂O₃など電気的に
絶縁性を有する材質であれば構わない。接着剤層
１７には比較的低温で気密封着させるためシリコ
ンと熱膨張係数の近いZnO−B₂O₃−V₂O₅系のガ
ラス半田を採用しているがこの他Au−Siなどの
合金やエポキシ系、シリコン系等の合成樹脂接着
剤であつても良い。流量検出装置としての使用温
度範囲や適用させる流体に応じて選択されるべき
もので、不溶性を有するなど適用される流体に対
して化学的且つ物理的に安定であることと広い使
用温度範囲に対しては少なくとも受圧ダイヤフラ
ム１１と熱膨張率の近い耐熱性接着剤である方が
望ましい。支持台１６ｂは残留熱応力とその温度
依存性から受圧ダイヤフラム１１と熱膨張係数を
そろえる必要があるが、熱膨張係数の近いもので
あればシリコン材やほうけい酸ガラスに限られる
ものではなく、その他のガラス材、或いはコーデ
イライト、ジルコン、リチアなどの磁器セラミツ
ク材であつても良い。流動流体として鉱物油を用
いているが特にこれに限定される訳ではなくガソ
リン、灯油等の燃料油をはじめ水、空気、都市ガ
ス、N₂等殆んどの流体に適用可能であり、特に
絶縁性流体に向いている。

非絶縁性流体にも電極層１２やボンデイング・
ワイヤー１３、ボンデイングポスト１４に絶縁膜
を被覆処理することによつて充分適用可能であ
る。

次に動作について説明する。鉱物油はノズル２
０で増速され、噴流となつて受圧ダイヤフラム１
１に衝突する。受圧ダイヤフラム１１の噴流と衝
突せる面には鉱物油の動圧と静圧の和である総圧
が印加される。一方、受圧ダイヤフラム１１の反
対側の面には導入孔２１を介して静圧が印加され
る。受圧ダイヤフラム１１はρを密度、Ｕを流速
とすれば動圧量1/2ρU²に順じた変形をすること
になる。この変形はフルブリツジ構成の歪検出素
子９のインピーダンスに変換されて差動増巾器を
通して増巾され検出出力信号となる。このような
検出方法は公知の半導体拡散形圧力検出器に多く
採用されているものであり線形な変換特性を有し
ているので動圧量1/2ρU²を直接に計測すること
になる。従つて、流体の密度ρが既知の場合はア
ナログ補正回路で平方処理を施こすかＡ／Ｄ変換
器を通してマイクロプロセツサで平方演算するこ
とにより流速Ｕから流量Ｑを求めることができ
る。流体の密度ρが未知の場合には別に密度検出
器を設け演算処理をしたのち平方をとることによ
つて流量を割り出すことができる。支持体１６ａ
と支持台１６ｂ間で熱膨張係数が多少異なつてい
るのでその分熱応力を発生することになるが支持
体１６ａで熱応力の相当分が吸収されて受圧ダイ
ヤフラム１１には殆んど影響を及ぼさないように
なつている。このように支持体１６ａは静圧の導
入という役割だけでなく熱応力に基づく温度依存
性を改善する役割も果たしておりこの実施例のよ
うに受圧ダイヤフラム１１と同一材料にて構成す
る意味は大きい。支持体１６ａと支持台１６ｂ間
の接合面積を小さくすることで熱応力の全エネル
ギー量を押さえるようにもなつている。

受圧ダイヤフラム１１付近の流れはノズル２０
によつてレイノルズ数3000以上の乱流域に設定さ
れており測定流量範囲で常に乱流状態が保持され
層流と乱流の遷移領域に入ることはなく安定した
出力が得られる。鉱物油６の流れは受圧ダイヤフ
ラム１１に衝突した後90度曲げられ排出されるよ
うになつており従来のものと比べはるかに小形、
軽量という利点を有している。加えて、噴流の衝
突エネルギーや受圧ダイヤフラム１１近傍で発生
する渦によつてゴミその他の付着物がつき難く特
性に経時変化が少なく耐久性に優れている。又、
第２図に示したように本検出器の取りつけ、交換
は簡単である。半導体材料を応用しているので量
産性に優れており安価で以上のように高性能なも
のが得られる。さらに、受圧ダイヤフラム１１上
に歪検出素子９を配置したので、より小形化でき
る。なお、ここではＮ形シリコン基板について説
明したがＰ形についても同様に実現できる。

第３図はこの発明の他の実施例で、支持台１６
ｂがシリコン材よりなり、第２図における支持体
１６ａを兼ねる場合を示しており、支持台１６ｂ
に導入孔２１が穿孔されている。

第２図と比べて熱応力の影響が大きいが製作工
程が減る分だけ安価でありより小形なものを実現
することができる。このように導入孔２１は受圧
ダイヤフラム１１の裏面に静圧を導入する構造で
あればよく受圧ダイヤフラム１１の一部に設けて
も良い。

第５図はこの発明の他の実施例で、流体の静圧
の導入孔２１を受圧ダイヤフラム１１の中央部に
比べ厚くなつた周縁部１１ｂに直接設けると共に
温度補償のための温度検出素子２２を受圧ダイヤ
フラム１１に設置した場合を示している。この場
合、ダイヤフラムの周縁部１１ｂも支持体の一部
と考えてよい。この温度検出素子２２はシリコン
基板より成る受圧ダイヤフラム１１内に構成され
た不純物拡散層であり、受圧ダイヤフラム１１の
変形応力を受けない様この受圧ダイヤフラム１１
の周縁部に配置されている。

一般に電気抵抗率は電荷を運ぶキヤリア濃度と
モビリテイの積によつて決定されるが、シリコン
などの半導体材料では常温付近に於ても両者の温
度による値の変化は大きく、歪検出素子９の温度
依存性が問題になることが多い。例えば自動車用
途のように広い温度範囲に於て流量計測をしよう
という場合には、この実施例のように別に温度補
償用の素子を設けてやる必要がある。つまり、歪
検出素子９の電気的インピーダンス変化分のうち
温度による項だけ取り除いてピエゾ効果に因づく
変形応力項だけを取り出すようにしなければなら
ない。この実施例のように変形応力の印加されな
い部分に例えば感温抵抗材料で構成された温度検
出素子２２を配し、差動増巾器等を含む検出回路
で増巾することにより、広い温度範囲でも正確な
測定ができる。また、このような温度検出素子２
２を形成するには、単にマスクパターンが異なる
ぐらいで価格への影響も少なく容易に実現でき
る。なお、温度検出素子２２はシリコン材の不純
物拡散層、サーミスタなどの感温半導体等を用い
て構成してもよい。また、静圧の導入孔２１を受
圧ダイヤフラム１１の周縁部に直接設けたことに
より製作工程が減り、製作しやすくなる。

第５図はこの発明の他の実施例で、ノズル２０
ａ，２０ｂ、受圧ダイヤフラム１１ａ，１１ｂ、
歪検出素子（図示せず）、支持体１６ａ等によつ
て構成される流量検出装置が２個直列に配設され
た場合を示している。また図示していないが、温
度補償のための温度検出手段も設けると望まし
い。図において、２３はシール用のＯリング、２
４は検出回路を構成する電子部品を載せるための
回路基板、２５はノズル２０ａ，２０ｂより注入
された鉱物油６を排出するための排出孔、２６は
ボンデイングポスト１４を回路基板２４に固定
し、電気的結線を施す為の半田剤である。図示し
たようにノズル２０ａ，２０ｂはパツケージ１８
と一体となつた構造となつており、絞り径が違つ
ている。排出孔２５も同様にパツケージ１８に穿
孔されたものであり、配管上は直列に配設され類
似の構成を採つた。２つの流量検出装置によつて
１つの流量検出装置を構成している。この実施例
に於ては、ノズル２０ａとノズル２０ｂの絞り径
が異なつているので、両ノズル２０ａ，２０ｂに
よつて発生する動圧量が異なり、両ダイヤフラム
１１の変形量が異なるように構成されているの
で、例えば気泡の混入等の相状態の変化がある場
合の流量についても、上記２つの流量検出装置の
出力を比較してやることで求めることができる。
即ち、同一の動圧量計測原理には基づくものの同
一流速条件下において各流速増大手段すなわちノ
ズル２０ａ，２０ｂによつて発生する動圧量を違
えることによつて各ダイヤフラム１１の変形量が
異なるように構成した複数個の流量検出装置を一
体乃至はそれに近い状態で直列或いは並列に配設
することによつて例えば気液２相流などの真の質
量流量計測を実現することができる。また一方の
流量検出部が破損せるような場合に於ても一応温
度補正された流量計測は可能であり、本発明の流
量検出器がセンサとしてのキーパーツとなるよう
なシステムに於てもシステムの動作を停止させる
ことなく運用することが出来る。なお、この実施
例ではノズル２０ａ，２０ｂの絞り径を違えるこ
とによつて、複数個の流量増大手段によつて発生
する動圧量を違えるようにしたが、例えば流速増
大手段２０と受圧ダイヤフラム１１との間隔が
各々異なるようにする等他の方法によつて動圧量
を違えてもよい。

なお、上記実施例では流量増大手段としてノズ
ル２０を用いた場合を示したが、オリフイス、ベ
ンチユリ等でもよい。

また、上記実施例では支持体１６ａをシリコン
基板により構成したが、多孔質材で構成しても同
様の効果を得ることができる。

また、上記実施例では支持体１６ａを一体構造
としたが、複数個の支持体を幾何学的対称となる
ように例えば同一円周上に配置してダイヤフラム
１１をそれらの上に支持するようにしてもよい。

以上のように、この発明によれば流体の流速を
増大させるための流速増大手段と、一方の面がこ
の手段によつて流速を増大された流体の総圧を、
他方の面が上記流体の静圧を受けるように構成さ
れ上記流体の動圧によつて受圧変形するシリコン
製ダイヤフラムと、このダイアフラム上に配置さ
れダイヤフラムの歪を検出する手段と、上記ダイ
ヤフラムの周縁を支持しかつ上記流体の静圧を導
入する導入孔を有した上記ダイヤフラムと同一シ
リコン製支持体とを上記流体が通過する配管中に
備えたので、極めて小形、軽量でしかも応答性の
優れた高性能な流量検出装置が安価にて得らえる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の流量検出装置を一部切欠いて内
部を示す斜視図、第２図はこの発明の一実施例に
よる流量検出装置を示す断面図、第３図ないし第
５図はこの発明の他の実施例による流量検出装置
を示す断面図である。図において、９は歪検出導入孔、１１はダイヤ
フラム、１１ｂはダイヤフラムの周縁部、１６ａ
は支持体、１９は配管、２０ａ，２０ｂは流速増
大手段、２１は流体の静圧を導入する導入孔、２
２は温度検出手段である。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示
すものとする。

Claims

【特許請求の範囲】１流体の流速を増大させるための流速増大手段
と、一方の面がこの手段によつて流速を増大され
た流体の総圧を、他方の面が上記流体の静圧を受
けるように構成され上記流体の動圧によつて受圧
変形するシリコン製ダイヤフラムと、このダイヤ
フラム上に配置されダイヤフラムの歪を検出する
手段と、上記ダイヤフラムの周縁を支持しかつ上
記流体の静圧を導入する導入孔を有した上記ダイ
ヤフラムと同一シリコン製支持体とを上記流体が
通過する配管中に備えた流量検出装置。２受圧変形するダイヤフラムをその中央部分が
周縁部分に比べ薄くなつた構造としたことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の流量検出装
置。３受圧変形するダイヤフラムをその中央部分が
周縁部分に比べ薄くなつた構造とし、かつ上記ダ
イヤフラムの周縁部分に静圧の導入孔を設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の流量
検出装置。４支持体として多孔質材料を用いたことを特徴
とする特許請求の範囲第１項ないし第３項の何れ
かに記載の流量検出装置。５ダイヤフラムの周縁を支持する支持体が、同
一面上で幾何学的対称になるように配設された複
数個の支持体より構成されることを特徴とする特
許請求の範囲第１項ないし第４項の何れかに記載
の流量検出装置。６温度補償のための温度を検出する手段を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
第５項の何れかに記載の流量検出装置。７流体の流速を増大させるための流速増大手段
と、一方の面がこの手段によつて流速を増大され
た流体の総圧を、他方の面が上記流体の静圧を受
けるように構成され上記流体の動圧によつて受圧
変形するシリコン製ダイヤフラムと、このダイヤ
フラム上に配置されダイヤフラムの歪を検出する
手段と、上記ダイヤフラムの周縁を支持しかつ上
記流体の静圧を導入する導入孔を有した上記ダイ
ヤフラムと同一シリコン製支持体とを備えた流量
検出装置を複数個、上記流体が通過する配管中に
流線方向に対して直列あるいは並列に配置し、か
つ同一流速条件下において複数個の上記流速増大
手段によつて発生する動圧量を違えることによつ
て複数個の上記ダイヤフラムの変形量が異なるよ
うに構成したことを特徴とする流量検出装置。８温度補償のために温度を検出する手段を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の
流量検出装置。