JPH0470519A - 半導体式流量計 - 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］ 本発明は半導体式流量計、特に流路中に設置された発熱
源から流体への熱伝達量に基づき流体流量を測定する半
導体式流量計に関する。

［従来の技術］ 現在、自動車のエンジンの多くは排気ガスの浄化および
燃費の向上のために、エレクトロニクスを用いた燃焼制
御が行われている。このシステムでは、燃焼に関する複
数の物理量（吸入空気量。

排気ガス中の酸素濃度、吸入空気濃度、エンジン温度等
）をセンサを用いて検出し、この測定値をマイクロコン
ピュータを用いて演算処理し、この処理結果に基づいて
燃料の噴射時期および噴射量を制御している。

この種の目的に用いられるセンサの中で、吸入空気量を
検出するセンサとして各方式のセンサが現在使用されて
いる。例えば、可動ベーン方式流量計、カルマン渦方式
流量計、熱線式流量計および負圧センサを用いて圧力損
失により空気流量を求める方式の流量計等が現在使用さ
れている。

これらの各流量計は、現在の要求仕様に対しては十分で
ある。しかし、さらに高度な燃焼制御を行うためには、
精度、応答性等の一層の改善か必要である。上記各方式
の流量計は、いずれも一長一短かあるが、精度、応答性
の面からは熱線式流量計か最も期待される。

第１３図には、前記熱線式流量計のように発熱源を用い
て流体流量を測定する熱式流量計の原理図が示されてい
る。温度Ｔｆの流体１０の流路に、流体温度より高い温
度Ｔｈに加熱された発熱体２０を設置すると、発熱体２
０から流体１０へ奪われる熱量ＱＬは、一般に流体１０
の質量流量（ρ・Ｖ）と、各温度Ｔｈ、Ｔｆの関数とし
て次式で表される。

ＱＩＤＣｆＬ　　ｆ　（ρ・ｖ）、Ｔｈ、Ｔｆ）このよ
うな熱伝達系において、温度Ｔｆ、Ｔｈを流体１０の物
性値の変化が小さい範囲に選ぶと（多くの場合には、こ
の条件下での測定になる）、前記熱量Ｑ１は温度差（Ｔ
ｈ−Ｔｆ）に比例するため、次式で表されるようになる
。

Ｑ１χｆ２　　＋ρ　・　ｖ　ｌ　　Ｘ　　（Ｔ　ｈ　
−Ｔ　ｆ　）・・・　（２） 従って、温度差（Ｔｈ−Ｔｆ）を一定に保った場合には
、前記熱量Ｑ１は、単に流体１０の質量流量（ρ・Ｖ）
の関数となる。

また、発熱体２０の温度Ｔｈのみを一定に保った場合に
は、流体温度Ｔｆを測定して補正を行うことにより、熱
量Ｑ１と流体流量（ρ・Ｖ）との関係を求めることかで
きる。

従って、発熱体２０から流体１０へ奪われる熱量Ｑ１を
正確に測定することができれば、この熱量Ｑ１に基づき
流体流量を検出することができる。

第１４図には、このような測定原理に基づき作成された
従来の熱線式流量計の一例が示されている。この熱線式
流量計は、発熱体として機能するヒータ２０Ｈの両端に
金属細線２２を取付け、両金属細線２２を流路側壁に設
けられた取付部２４゜２４に固定している。そして、金
属細線２２を介しヒータ２０ａを通電加熱し、その発熱
量Ｑに基づき流体流量を測定している。

しかし、ヒータ２０ａの発熱ＩＱは、厳密にいうと次式
で表される。

Ｑ＝Ｑｌ　＋Ｑ２　＋Ｑ３　　　　　・・　（３）これ
において、前記Ｑｌはヒータ２０ａから流体１０へ直接
奪われる熱量であり、Ｑ２は金属細線２２を介し流体１
０へ奪われる熱量てあり、Ｑ３はヒータ２０ａから金属
細線２２を介し取付部２４へ伝達される熱量である。従
って、前記Ｑ２゜Ｑ３が大きければ、発熱量Ｑと流体１
０へ奪われる熱量Ｑｌとか一致せず、流体流量の測定精
度が低下してしまう。二のため、この熱線式流量計ては
、ヒータ２０ａを支持する部材として前述したように十
分細い金属細線２２を用いその熱容量を小さくすること
で前記Ｑ２．Ｑ３を少なくし、測定精度を高めている。

［発明が解決しようとする課題］ このように、従来の熱線式流量計は、精度、応答性の面
では優れているが、ヒータ２０ａの支持に金属細線２２
を用いているため強度的に弱いという致命的な問題があ
った。すなわち、エンジンの吸入空気量を計測するため
の流量計は、吸気管内に設けられる。このため前記流量
計にはエンジンの振動が直接伝わり、しかもバツクファ
イア時の衝撃があるため、十分な強度がないときには、
使用中に細線２２が破損してしまうという問題があった
。従って、現在の熱線式流量計をエンジン制御に使用す
る場合には、吸気管にバイパスを設け、バイパス内に流
量計を設置したり、流量計の後方にプロテクタ等を設置
する等の対策をとる必要があり、熱線式流量計自体が有
する本来の高精度、高速応答性が著しく損なわれてしま
うという問題があった。

また、このような問題を解決するために、ヒータ２０ａ
を、例えばセラミックス等で形成された支持体上に設け
ることも考えられるが、このようにすると支持体の熱容
量が大きくなり、これにより前記Ｑ２．Ｑ３の値も大き
くなってしまい、精度、応答性が著しく低下してしまう
という問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、熱線式流量計と同様に精度、応答
性かよく、しかも十分な機械的強度を有する半導体式流
量計を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］前記目的を達
成するため、本発明は、流体の流路に設置され、前記流
体の流量を測定する半導体式流量計において、 発熱源として形成された半導体素子と、この半導体素子
か取付固定された第１の支持部と、この第１の支持部を
半導体素子が前記流路に位置するよう支持する第２の支
持部とを有する支持体と、 前記第２の支持部に熱流を検出するよう取付られた少な
くとも一対の熱流検出用の温度センサと、前記流体の温
度に対する支持体温度が一定温度差となるよう前記半導
体素子の発熱量を制御する第１の演算制御手段と、 前記半導体素子を駆動し、その消費電力に対応した検出
信号を出力する第２の演算制御手段と、前記温度センサ
対を用いて検出された第２の支持部内の熱流に比例した
検出信号を出力する第３の演算制御手段と、 前記第２および第３の演算制御手段の出力に基づき、前
記半導体素子の発熱量から、支持体を介して放熱される
熱量を減算補正し、前記流体の流量を演算する第４の演
算制御手段と、 を含み、前記温度センサ対の取付けられた第２の支持部
の断面積を８１支持体材料の熱伝導率をＫ、第２の支持
部から流体への最大流量時における単位長さ辺りの平均
熱伝達率をＨとした場合、前記温度センサ対は、半導体
素子から（Ｋ−５／Ｈ）ｌ／２の距離内となるよう第２
の支持部上に配置されたことを特徴とする。

これにおいて、前記半導体式流量計は、流体温度を検出
する流体温度センサを含み、 前記第１の演算制御手段は、検出された流体温度に対し
前記支持体温度が一定温度差となるよう前記半導体素子
の発熱量を制御することが好ましい。

さらに、前記温度センサ対に、流体への熱伝導を妨げる
ための温度遮蔽部材を設けることが好ましい。

次に、本発明の半導体式流量計をより具体的に説明する
。

第１図には、本発明の半導体式流量計の素子部の構成か
示されている。

この半導体式流量計は、半導体素子として発熱用トラン
ジスタ３ｏを用いており、この発熱用トランジスタ３０
を、支持体４ｏ上に取付固定している。この支持体４ｏ
は、棒状または板状またはそれらの組合せとして構成さ
れるものであり、図においては、発熱用トランジスタ３
ｏを支持する板状の第１の支持部４２と、この第１の支
持部４２から延設され取付部４６上に固定される棒状の
第２の支持部４４とから構成されている。

また、前記第２の支持部４４には、発熱トランシタ３０
から取付部４６へ向けた熱流を検出するために少なくと
も１組の温度センサ対３２が設けられ、図においてこの
温度センサ対３２は、発熱用トランジスタ３０側に設け
られた温度センサ３２ａと、取付部４６側に設けられた
温度センサ３２ｂとから構成されている。

このように構成された素子部１００を、流体１０の流路
上に配置し、発熱用トランジスタ３０を通電加熱すると
、発熱用トランジスタ３０から直接流体１０へ奪われる
熱量Ｑ１以外に、発熱用トランジスタ３０から支持体４
０への熱伝導により支持体４０から流体１０へ奪われる
熱量Ｑ２と、支持体４０を介し取付部４６への熱伝達に
より奪われる熱量Ｑ３とがある。支持体４０の熱容量が
大きいと、前記Ｑ２．Ｑ３の値も大きくなる。

支持体４０から流体１０へ奪われる熱量Ｑ２のうち、第
１の支持部４２から流体１０へ奪われる熱量は、この部
分を発熱用トランジスタ３０の形状に合せることにより
十分小さくできるが、第２の支持部４４から流体１０へ
奪われる熱量Ｑ２は、この部分に十分な機械的強度が要
求されることから小さくすることは難しい。

従って、発熱用トランジスタ３０の発熱量をＱとすると
、Ｑｌ、Ｑｌ、Ｑ３の間には次式で表される関係か成立
し、Ｑｌ、Ｑ３の値はＱｌに対し無視てきない値となる
。

Ｑ−Ｑｌ　＋Ｑ２　＋Ｑ３　　　　　、＝　（３）前述
したように、流体１０の流量は、発熱用トランジスタ３
０から直接流体１０へ奪われる熱量Ｑ１から求まるもの
であるため、流体流量を検出するためには次式で示すよ
う発熱用トランジスタ３０の発熱量Ｑから、前記Ｑ２．
Ｑ３の値を引いてやることが必要となる。

Ｑｌ　＝Ｑ−０２−Ｑ３　　　　　・・・（４）ここに
おいて、前記（Ｑｌ　＋Ｑ３　）は、第２の支持部４４
の熱伝導率をＫ、断面積を８１第２の支持部４４の発熱
用トランジスタ近傍での温度勾配をｄ　Ｔ／ｄ　Ｌとす
ると、次式で表される。

（Ｑｌ　＋Ｑ３　）−−に−３−ｄＴ／ｄＬＱ３につい
ての検討 ここで、ます前記Ｑ３について検討する。

例えば、流体１０が流れる管１２内に、第１の支持部４
２のみか露出するよう素子部１００を取付けると、支持
体４０から流体１０へ奪われる熱量Ｑ２はほとんど無視
てき、Ｑｌ−０と考えることかできる。

この条件の下で、第２の支持部４４の温度分布は、第１
２図の特性曲線Ａで示すようになり、その温度勾配ｄＴ
／ｄＬは第２の支持部４４内で定の値となる。

従って、支持体４０を介し取付部４６に熱伝導で奪われ
る熱量Ｑ３は、一対の温度センサ３２ａ。

３２ｂが第２の支持部４４上に配置されている位置によ
ることなく、一対の温度センサ３２ａ３２ｂ間の距離を
ｄＬ、温度差をｄＴ、温度センサ対３２が設けられた領
域４４ａにおける第２の支持部４４の熱伝導率をＫ、断
面積をＳとすると、次式で求められる。

Ｑ３−−に−５−ｄＴ／ｄＬ　　　・・・（６）これに
おいて、前記熱伝導率に１断面積Ｓは定数であり、また
温度センサ対３２の距離ｄＬも一定であるため、前記温
度センサ対３２の温度差ｄＴから、Ｑ３は簡単に求める
ことができる。

従って、このように求めたＱ３を、前記（４）式に代入
してやることにより、発熱用トランジスタ３０の発熱量
ＱからＱｌを正確に演算することかでき、これにより素
子部１００全体の構造や、取付部４６の温度の影響等を
受けることなく、広い流量範囲にわたって精度よくかつ
簡単に流体流量を計測することが可能となる。

Ｑｌ、Ｑ３についての検討 しかし、前述したように熱伝導Ｑ２が無いという条件の
下での流量測定は、液体流量の計測を行う場合等の一部
の場合であり、一般の計測においては、この第２の支持
部４４が被測定流体中にさらされＱｌか無視てきない場
合が多い。

第３図は、流体１０が流れる管路１２内に、支持体４０
全体が露出するよう素子部１００が配置される場合の一
例である。

前述したように、発熱用トランジスタ３０の発熱量Ｑと
、前述したＱｌ、Ｑ３との間には次式で示す関係か成立
する。

Ｑ−Ｑｌ　　＋Ｑ２　　＋０３ 従って、発熱用トランジスタ３０から流体１０への奪わ
れる熱量Ｑ１は、 Ｑｌ　−Ｑ−（Ｑ２　＋０３　） で表されることは前述した。

ここにおいて、（Ｑ２　＋０３　）の値は第２の支持部
４４の熱伝導率Ｋ、断面積Ｓと、その発熱用トランジス
タ近傍における温度勾配ｄＴ／ｄＬを用いて次式で表さ
れる。

（Ｑ２　＋Ｑ３　）−−に−５・　（ｄ　Ｔ／ｄ　Ｌ）
・・・（５） ここにおいて、Ｑ２が存在しない前記第２図に示す使用
例の場合には、温度勾配が一定となり、前述したように
簡単にＱ３を求めることができる。

これに対し、第２の支持部４４から流体１０への熱伝達
Ｑ２がある場合には、第１２図における特性曲線Ｂに示
すよう、第２の支持部４０上における温度勾配は一定で
はなく複雑に変化する。

従って、式（５）において、（Ｑ２　＋０３　）を求め
るために必要となる発熱用トランジスタ近傍における第
２の支持部４４の温度勾配ｄＴ／ｄＬは、一般には求め
ることができない。

ここにおいて、温度センサ３２ｂから発熱用トランシタ
３０間の領域４４ｂにおける支持体４０の形状かその長
さ方向に一様とみなせ、しかも長さ方向の温度分布に対
し横方向の温度分布が小さい場合を想定する。

この場合、発熱用トランジスタ３０から第２の支持部４
４へかけての温度分布Ｔ　（Ｘ）は、発熱用トランジス
タ３０の加熱温度Ｔｈ、温度センサ３２ｂの検出温度Ｔ
ｔ（ただしＴ　（Ｘ２　）　）　、流体１０の温度Ｔｆ
を用いて次式で表わされることが知られている。ここで
、Ｘは発熱用トランジスタ３０からの距離を表す。

（以下余白） Ｔ（Ｘ）　　−Ａ　−ｅ””　　＋Ｂ　−ｅ−””＋Ｔ
　ｆ但し、Ａ、Ｂ、　αは次式で表すものとする。

α−ｆＨ／　　（Ｋ　−Ｓ　）ｌ　　”’ここにおいて
、前記Ｈは、単位長さ辺りの第２の支持部４４から流体
１０への温度差１℃辺りの平均熱伝達率を表し、Ｋは第
２の支持部４４の熱伝導率を表し、Ｓは第２の支持部４
４の断面積を表し、ＸＩ、Ｘ２は、発熱用トランジスタ
からの温度センサ３２ａ、３２ｂの位置を表す。

温度センサ３２ａ、３２ｂ間の温度差［Ｔ（ＸＩ　）　
　Ｔ　（Ｘ２　）コは、第７式の指数項をティラー展開
することにより次式で表される。

Ｔ　　（ＸＩ　　）　　−Ｔ　　（Ｘ２　）−（ＸＩ　
　−ｘ２　）　　・　Ｔ’　　（０）　　＋　　（ｒｈ
−Ｔ　　（）（（α　・　ＸＩ）２　　　（α　・　Ｘ
２　）２　）＋　　　　　　（α２　・　Ｘｌ　３　　
　２　・　Ｘｌ　３　）−α ・・・　（８） ここで、α・Ｘｌ、α・Ｘ２〈１となるように、温度セ
ンサ３２ａ、３２ｂの位置Ｘ、、Ｘ２を設定すると、前
式中に含まれる高次の項は無視できる程度の値となる。

従って、発熱用トランジスタ３０から第２の支持部４０
への熱流（Ｑ２　＋Ｑ３　）−−に−５−Ｔ−（０）は
近似的に次式で表されることになる。

（Ｑ２　　＋Ｑ３　　）　　− Ｈ ＋　（Ｔｈ−”ｒｆ）　　　　　　　（Ｘ、　十Ｘ２　
）・・・　（９） 開式において、第２項は、Ｔ（ＸＩ　）　。

Ｔ（Ｘ２）から求まらない量のため、２点間の温度差か
ら（Ｑ２　＋０３　）を求めることはこの場合でもでき
ない。しかし、当初求めようとしたＱｌの代りに Ｘ２．Ｘｌは全て定数であるため、この第２項の値は、
温度センサ３２ａ、３２ｂの検出温度差（Ｔ　（Ｘ２　
）　　Ｔ　（ＸＩ　）ｌから簡単に求めることができる
。このように、第１０式に示すＱｌ’の値は、温度セン
サ対３２と取付部４６間の支持体形状および取付部４６
の温度の影響を受けることなく求めることができる。

また、前記第３式と、第９式を第１０式に代入すること
により、前記第１０式は、次式のように書き替えること
ができる。

・・・　（１０） いう値を用いることによりこの問題を解決することがで
きる。

すなわち、この第１０式の第１項は、発熱用トランジス
タ３０の発熱量であり、発熱用トランジスタ３０の消費
電力から簡単に求めることかできる。また、第１０式の
第２項において、Ｋ、Ｓ。

ここにおいて、前記Ｑ１は、加熱部（発熱用トランジス
タ３０）から流体１０への、単位長さ辺り、１℃辺りの
平均熱伝達率をＨ”とし、加熱部（トランジスタ３０）
の長さをＬｈとすると、Ｑｌ　−（Ｔｈ−Ｔｆ）ｘＬｈ
ｘＨ” ・・・　（１２） で表すことができる。このため、前記（１１）式に示す
Ｑｌ”は次式で表されることになる。

Ｑｌ　”　＝ ｘＬｈｘＨ”　　−Ｃ−Ｑｌ ・・・　（１３） 但し、Ｃは次式で表すものとする。

この式において、Ｘ、、Ｘ２は、温度センサ３２ａ、３
２ｂの位置に関する値であり、ＨｌＨ”は流体１０およ
びトランジスタ３０の支持体４２、温度センサ対３２．
設置部支持体４４ａの形状に関する値であり、Ｌｈはト
ランジスタ３０の長さである。このため、前記第１４式
で示すＣは定数となる。

従って、予め測定等によりＣの値を求めておき、前記第
１０式で求めたＱｌ’の値を、次式に代入することによ
り、温度センサ３２ｂと取付部４６間の支持体の構造や
取付部４６の温度等の影響を受けることなくＱｌの値を
求めることが可能となる。

Ｑｌ　　−Ｑｌ　　’　　／Ｃ・・・　（Ｉ５）このよ
うに本発明によれば、温度センサ３２ａ。

３２ｂか流体１０中にさらされる場合においても、発熱
用トランジスタ３０と取付部４６間に位置した温度セン
サ３２ａ、３２ｂの位ｆＷＸ＋　、Ｘ２が、発熱用トラ
ンジスタ３０から（Ｋ　−Ｓ　／Ｈ）　”’の範囲内と
なるように配置することにより、十分精度よ＜Ｑｌの値
を求めることができるため、温度センサ３２ｂと取付部
４６間の支持体の構造や取付部４６の温度等の影響を受
けることなく、つまり十分な強度の支持体を用いて広い
流量範囲にわたって精度よく流量測定を行うことが可能
となる。

演算制御回路 第４図には、本発明の流量計に用いられる演算制御回路
が示されている。

第１の演算制御回路５０は、支持体４０の第１の支持部
４２の温度が一定、または流体１０の温度Ｔｆに対し一
定温度差となるよう発熱用トランジスタ３０の発熱量を
制御している。

従って、第３図に示すようにして本発明の流量計を使用
する場合には、流体］０の温度を測定する流体温度セン
サを支持体４０に近接して設けることか好ましい。

そして、第２の演算制御回路６０は、発熱用トランジス
タ３０を定電圧または定電流駆動することにより、発熱
用トランジスタ３０で消費された電力Ｗに比例した検出
信号Ｓ１を第４の演算制御回路８０へ向は制御する。こ
の信号Ｓｌは、前記第１０式におけるＱに対応した値と
なる。

これにおいて、本発明では発熱源として、半導体素子、
特に発熱用トランジスタ３０を用い、これを定電流また
は定電圧駆動しているため、発熱量に比例した信号Ｓ１
を簡単に出力することができる。これに対１７、従来よ
り発熱源として抵抗白金等の抵抗発熱体を用いた場合に
は、発熱量は抵抗体に印加された電圧の二乗に比例する
ため、発熱量に比例した電気出力を得ることは極めて困
難であった。

また、第３の演算制御回路７ｏは、温度センサ対３２を
用いて検出された第２の支持＃４４内の熱流に比例した
検出信号Ｓ２を演算し、第４の演算制御回路８０へ向は
出力する。この検出信号Ｓ２は、ｆＴ　（Ｘ２　）　　
Ｔ　（ＸＩ　）　ｌ　に比例した値となる。

そして、第４の演算制御回路８ｏは、前記第２および第
３の演算制御回路６０から入力される信号Ｓｌ、Ｓ２を
用い前記第１０式の演算を行いＱｌ”を求めると共に、
このＱｌ”を前記第１５式に代入しＱｌを演算出力する
。

すなわち、まず第２の演算制御回路６ｏがら入力される
信号Ｓｔに基づき、発熱用トランジスタ３０の発熱量Ｑ
を演算すると共に、第３の演算制御回路７０から出力さ
れる信号ｓ２に基づき前記第１０式の第２項を演算し、
これを前記第１０式に代入しＱｌ”を求める。

そして、求めたＱｌ”を前記第１５式に代入しＱｌを演
算出力する。なお、前記第１５式における定数Ｃは、流
体の種類と素子の構造によるものであるか、被測定流体
か空気と決っている場合には、単に素子の構造によるも
のであって、空気流量の影響を受けない定数であるため
、予め測定等によりその値を設定しておけばよい。

このようにして本発明によれば、第４の演算制御回路８
０を用いて、発熱用トランジスタ３０の発熱量ＱからＱ
２．Ｑ３を減算し、発熱用トランジスタ３０から流体１
０へ直接奪われる熱量Ｑ１を求め、このようにして求め
た熱量Ｑ１に基づき流体流量を表す信号Ｓ３を出力する
ことができる。

なお、温度センサ対３２問および温度センサ対３２と発
熱用トランジスタ３０間の支持体３６が、長さ方向に一
様ではないが、長さ方向の温度分布に対して横方向の温
度分布が小さい場合には、単位長さ辺りの支持体４０か
ら流体１０への１℃辺の平均熱伝達率Ｈとして、温度セ
ンサ対３２問および温度センサ対３２と発熱用トランジ
スタ３０間の支持体３６ついての平均値Ｈ８を用い、支
持体の熱伝導率にとその断面積Ｓの積（Ｋ−５）として
、温度センサ対３２問および温度センサ対３２と発熱用
トラン／スタ３ｏ間の支持体３６についての平均値（Ｋ
−８）”を用いればよい。この場合には、同しような議
論により、発熱用トランジスタ３０と取付部４６の間に
配置した温度センサの位ＷＸ＋　、Ｘ２が、発熱用トラ
ンジスタ３゜から距Ｍ　［（Ｋ　−Ｓ）　’　／Ｈ”　
］　”’　ノ範囲内ニなるように配置すれば、十分精度
良く熱伝導項の補正を行うことかでき、素子部全体の構
造や取付部の温度の影響等を受けることなく、広い流量
範囲にわたって精度良く流体流量を計測することが可能
となる。

さらに、温度センサ対３２が設けられた支持体領域に流
れ方向の温度分布がある場合や、第１１図に示すよう発
熱用トランジスタ３ｏが複数の第２の支持部４４−１．
４４−２・・・により取付部４６に取付けられている場
合には、複数の温度センサ対３１２−１．３２−２・・
・を各節２の支持部４４−１．４’４−２・・に取付け
、これら各温度センサ対３２−１．３２−２・・・の出
力の平均を用いることにより上記と同し方法を用いてた
対応が可能である。

一方温度センサ対３２が直接流体中にさらされ、上記条
件が満されなくなる場合には、温度センサ対３２の周り
、または直接温度センサ対３２上に、流体への熱伝導を
妨げるための囲いまたは熱絶縁物のコートを行えばよい
。この場合には、温度センサ対３２が設けられた支持体
４０の断面積をＳ、熱伝導率をＫ、最大流量時において
温度センサ対３２が設けられた支持体４０から流体１０
への単位長さ辺りの平均熱伝達率をＨとすると、温度セ
ンサ対３２の位置が発熱用トランジスタ３０から結果と
して距離（Ｋ　−Ｓ　／Ｈ）　”２内になるようにすれ
ばよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、流体流量を精度
よく、しかも応答性よく検出することができ、しかも十
分な機械的強度を有する半導体式流量計を得ることがで
きるという効果がある。

特に、本発明によれば熱源として用いられる半導体素子
の支持体として、充分な機械的強度を有する構造のもの
を用いることができるため、この支持体を例えば半導体
基板等を用いて形成する二とも可能であり、これにより
支持体上にＩＣ等の信号処理回路を同時に組込むことが
でき、ノイスの低減、生産コストの低減、信頼性の向上
を図ることができる。

［実施例コ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第５図〜第８図には、本発明の好適な一例が示され、実
施例の半導体式流量計は、自動車用エンジンの吸入空気
流量の計測を目的として形成されている。このような目
的の下で計測すべき吸入吸気流量の範囲は、通常約０．
０４ｔｚ　／５−ｃｄ〜約８．０ｇ１Ｓ−ｃ−である。

まず、本実施例にかかる半導体式流量計の素子部１００
の構成を第５図および第６図に基づき説明する。

実施例の流量計は、支持体４０として幅１市。

長さ５龍、厚さ０１鰭の矩形形状をしたシリコン基板を
用い、その先端から０．５＋ｎ＋＋の領域（第１の支持
部）に、０．４　ｍｍ　Ｘ　Ｏ，９ｍｉｌのバイポーラ
型トランジスタ３０を発熱用の半導体素子として配置し
、さらにその先端から０．５顎の位置と、１．５龍の位
置（第２の支持部）に温度センサ対３２として半導体の
ｐ／ｎジャンクンヨンを用いたダイオードＤ２．Ｄ３を
配置した構成となっている。

このように構成された素子部１００は、支持体４０の第
２の支持部４４を、取付部４６に対し第６図（Ａ）、（
Ｂ）に示すよう接合部２６を介して取付ける構成となっ
ている。このため、前記発熱用のトランジスタ３０のみ
ならず、温度センサ対３２も空気流１０にさらされるこ
とになる。

シリコン基板を用いて形成された支持体４０の熱伝導率
と断面積の積（Ｋ−３）は、（Ｋ−５）−０，０１５Ｖ
／ｓｗ　・ｋ　テあり、最大流量（８，Ｏｇ／５−ｃｄ
）時における長さ１顎辺りの空気流１０への平均熱伝達
率ハＨ−５，５Ｘ　１０−’Ｗ／ｓｗ・ｋ　テアルタめ
、（Ｋ−５／Ｈ）”の値は５２となる。従って、第５図
、第６図において示される温度センサ用のダイオードＤ
２　　Ｄ３は、発熱用トランジスタ３０から（Ｋ−３／
Ｈ）”以内の距離、すなわち５．２ｍ＋ｅ以内の距離に
設置されることとなる。

第７図には、前述したように形成された素子部１００を
空気流１０か流れる内径６０關の管１２内に配置した状
態が示されている。実施例において、素子部１００は、
その素子面１００ａが空気流１０に平行に、また素子部
１００の長さ方向か空気流１０に対し直交するように設
置されている。

そして、この素子部１００の上流側に、空気温度を検出
するための温度センサとして、前記温度センサ対３２と
同様な構成をもつダイオードＤＩが設置されている。

第８図には、前記素子部１００を用いて吸入空気流量を
測定するための回路構成が示されている。

実施例において、第１の演算制御回路５０は、演算増幅
器Ａｔと、抵抗Ｒ１を用いて構成され、温度センサ対３
２として設けられたダイオードＤ２．Ｄａのうち、発熱
用トランジスタ３０側のダイオードＤ３を用いてＤａが
配置されている部位の支持体の温度を検出している。そ
して、このダイオードＤ３を用いて検出された支持体温
度は、発熱用トランジスタ３０が配置されている第１の
支持部の温度とほぼ等しいため、このＤａにより検出さ
れた温度が、ダイオードＤ１を用いて検出された空気流
温度Ｔｆに対し一定温度差（この場合には１００℃）に
なるようにトランジスタ３０の発熱量を制御している。

本実施例では、発熱用トランジスタ３０の温度制御を、
温度センサ対３２の発熱用トランジスタ側のダイオード
Ｄ３を用いて行っているが、発熱用トランジスタ３０の
温度を制御するために、前記温度センサ対３２とは別の
温度センサを用いても同等問題はない。

なお、本実施例の説明において、特に発熱用トランジス
タ３０の温度均一性には触れなかったか、一般に発熱用
トランジスタの温度不均一性は測定誤差を与えるので、
必要に応じその均一性を確保しておく必要かある。本実
施例の場合には、単にダイオードＤ３の温度を用いて発
熱量を制御しているが、発熱用トランジスタ３０内の温
度の不均一性による測定誤差が十分に小さくなる設計と
なっており、この点に問題はない。

また、第２の演算制御回路６０は、定電圧ダイオードＤ
４　　（ツェナー電圧Ｖｔ）と、演算増幅器Ａ２と、抵
抗Ｒ２，Ｒ３を用いて構成され、発熱用トランジスタ３
０を定電圧駆動し、発熱用トランジスタ３０ての発熱量
Ｑに比例した電圧成分を含む電圧（Ｖ　ｔ　＋ＱｘＲ２
／Ｖ　ｔ）を検出信号Ｓ１として第４の演算制御回路８
０へ向は出力する。

また、第３の演算制御回路７０は、演算増幅器Ａ３．Ａ
４．Ａ５および抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６等を用いて構成さ
れており、温度センサ対３２を構成するダイオードＤ３
およびＤ２の検出温度差ΔＴに比例した電圧［２Ｘ１０
づＸΔＴＸ　（１＋２ｘＲ５／Ｒ４）］を検出信号Ｓ２
として第４の演算制御回路８０へ向は出力する。ここで
は、ダイオードＤ２　　Ｄａの、すなわちｐ　／　ｎ接
合温度センサの温度計数を−２Ｘ　１０−３Ｖ／’Ｃと
した。

第４の演算制御回路８０は、演算増幅器Ａ６と、抵抗Ｒ
６を用いて構成され、両演算制御回路６０゜７０から出
力される信号ＳＬ、Ｓ２に基づき前記第１０式、第１４
式の演算を行い、発熱用トランジスタ３０がら空気流１
０へ奪われる熱量Ｑ１に比例した電圧Ｓ３を出力する。

これにより、Ｑ２゜Ｑ３の影響を受けることなく、吸入
空気量を正確に測定することかできる。

なお、前記第３の演算制御回路７０に用いられている可
変抵抗Ｒ４は、無風状態の下での出力が０となるように
調整するための抵抗であり、熱伝導項と発熱量を調整す
るためのものである。

（実験結果） この実施例の流量計を用いて空気温度１５℃の空気流量
を計測した場合の結果について以下に説明する。

自動車エンジンの吸気壁の温度は運転時には１００℃程
度まで上昇するため、取付部の温度が１５℃、５０℃、
１００℃の条件において空気流量の測定を行った。

第９図には、ダイオードＤ３の検出温度か１１５℃に保
たれるよう発熱用トランジスタ３０を通電加熱し、この
とき発熱用トランジスタ３０て消費された電力を測定電
圧から換算した値が示されている 第９図に示されるように、１１５℃に加熱するために必
要となる熱量は吸気管壁の温度により大きく異なってい
る。このため、従来方式のように発熱量から吸入空気量
を求める方式は、この実施例のように支持体４０として
熱伝導率の大きなシリコン基板を用いた場合には適用で
きなかった。

第１０図には、本発明を用いて発熱用トランジスタ３０
の発熱量Ｑから熱伝導項Ｑ２．Ｑ３を補正減算した場合
の出力Ｓ３と空気流量との関係が示されている（第１０
図の縦軸は出力電圧を熱量に換算しである）。

第１０図より明らかなように、本発明を用いて得られる
出力Ｓ３は、吸気管壁の温度変動の影響をほとんど受け
ることなく、はぼ空気量に依存しているため、出力電圧
Ｓ３より吸入空気量が簡便に求まることは明らかであり
、本発明の優秀性が理解されよう。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく本
発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である。

例えば、本実施例では電気回路部を素子部１００とは別
に構成したが、本実施例では支持体４０としてシリコン
基板を用いているため、支持体４０中に電気回路部を含
むＩＣ等を同時に組込むことにより、コストの低減、信
頼性の向上、コンパクト化がさらに可能である。

また、前記実施例では、本発明を空気流の流量測定に用
いた場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らず
、これ以外の気体、液体の流量測定に幅広く用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる半導体式流量計の素子部の構成
の説明図、 第２図および第３図は第１図に示す素子部を流路に取り
付けた状態の説明図、 第４図は第１図に示す素子部を用いて流体流量の測定を
行う演算制御回路のブロック図、第５図および第６図は
本発明の半導体式流量計の素子部における具体的な構成
の説明図、第７図は前記素子部をエンジンの空気供給管
に配設した状態の一例を示す説明図、 第８図は前記第４図に示す演算制御回路の具体的な構成
を示す回路図、 第９図は前記素子部に設けたトランジスタでの消費電力
と測定される空気流量との関係を示す特性図、 第１０図は本発明の′半導体式流量計を用いて測定され
た空気流量測定値の特性図、 第１１図は本発明の半導体式流量計の素子部の他の二側
を示す説明図、 第１２図は支持体の温度分布の説明図、第１３図は熱式
流量計の原理説明図、 第１４図は従来の熱線式流量計の説明図である。 １０・・・流体、 ３０・・・発熱用トランジスタ、 ３２・・・温度センサ対、４０・・・支持体、４２・・
・第１の支持部、４４・・・第２の支持部、５０・・・
第１の演算制御回路、 ６０・・・第２の演算制御回路、 ７０・・・第３の演算制御回路、 ８０・・・第４の演算制御回路、 Ｄｌ・・・流体温度センサ、 Ｄ２．Ｄ３・・・温度センサとしてのダイオード。 第１図 代理人　弁理士　布　施　行　夫（他１名）第 図 １２管 第 図 第 図 ｔｎ（空気ヱ量（ｇ／ｓ）） 加熱１こ必要な電力 第 図 Ｌｎ（空気流量（ｇ／ｓ）） 本発明を用いて得た出力 第 図 第 図 第 図 発熱体２０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体の流路に設置され、前記流体の流量を測定す
   る半導体式流量計において、 発熱源として形成された半導体素子と、 この半導体素子が取付固定された第１の支持部と、この
   第１の支持部を半導体素子が前記流路に位置するよう支
   持する第２の支持部とを有する支持体と、 前記第２の支持部に熱流を検出するよう取付られた少な
   くとも一対の熱流検出用の温度センサと、前記流体の温
   度に対する支持体温度が一定温度差となるよう前記半導
   体素子の発熱量を制御する第１の演算制御手段と、 前記半導体素子を駆動し、その消費電力に対応した検出
   信号を出力する第２の演算制御手段と、前記温度センサ
   対を用いて検出された第２の支持部内の熱流に比例した
   検出信号を出力する第３の演算制御手段と、 前記第２および第３の演算制御手段の出力に基づき、前
   記半導体素子の発熱量から、支持体を介して放熱される
   熱量を減算補正し、前記流体の流量を演算する第４の演
   算制御手段と、 を含み、前記温度センサ対の取付けられた第２の支持部
   の断面積をＳ、支持体材料の熱伝導率をＫ、第２の支持
   部から流体への最大流量時における単位長さ辺りの平均
   熱伝達率をＨとした場合、前記温度センサ対は、半導体
   素子から（Ｋ・Ｓ／Ｈ）１／２の距離内となるよう第２
   の支持部上に配置されたことを特徴とする半導体式流量
   計。
2. （２）請求項（１）において、 前記流体温度を検出する流体温度センサを含み、前記第
   １の演算制御手段は、検出された流体温度に対し前記支
   持体温度が一定温度差となるよう前記半導体素子の発熱
   量を制御することを特徴とする半導体式流量計。