JPH09218064A

JPH09218064A - 流量測定装置

Info

Publication number: JPH09218064A
Application number: JP8022342A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Okazaki; 俊実岡崎
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1997-08-19
Anticipated expiration: 2016-02-08
Also published as: JP3603447B2

Abstract

(57)【要約】【課題】極めて高感度でありながら、信頼性、耐久性
に富み、かつＡ／Ｄコンバータを必要としない流量測定
装置を提供する。【解決手段】基板１上に発熱体３と両持ち梁構造の振
動体２を近接させて配設し、発熱体３の熱によって振動
体２に発生する熱応力が、流体の流量に応じた冷却効果
による発熱体３の温度変化によって変化するのを、振動
体２の振動周波数の変化によって検出して、流体の流量
を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子制御燃
料噴射装置を備えた自動車用エンジンにおいて吸入空気
量の計測装置として用いるのに好適な流量測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン制御用の吸入空気量の計
測装置に用いられるエアフローセンサとして、加熱した
抵抗体を空気流にさらし、空気流の冷却効果による抵抗
体の温度変化を抵抗変化として測定して空気流量を検出
するものが知られている。

【０００３】これら熱式エアフローセンサには、加熱抵
抗体として白金細線を用いるホットワイヤ式および白金
等の薄膜抵抗を用いるホットフィルム式等があり、シリ
コン基板をエッチング等の微細加工によって薄膜化し、
その上に白金等の薄膜抵抗を配置した半導体ホットフィ
ルム式エアフローセンサも提案されている（特開平７−
１５９２１５号参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近時、環境汚染の低減
および省燃費を実現するリーンバーンエンジン等におい
て、排気浄化用触媒容量の低減と、燃費と走りとを高次
元でバランスさせたエンジン制御とを目指して、制御用
センサの高機能化が重要な問題となっている。特に、精
密な空燃比制御に要求される吸入空気量の高感度、高精
度計測、および逆流検出の実現と、高過給エンジンに要
求される空気流量計測のダイナミックレンジの拡大等の
ニーズが顕在化している。

【０００５】しかしながら、従来の熱式エアフローセン
サは、検出部の熱容量を極力小さくした半導体ホットフ
ィルム式のものにおいても、そのダイナミックレンジは
十分とは言えないものであった。そのため、発熱体（ホ
ットワイヤ、ホットフィルム）を２００℃以上の高温に
することにより辛うじてクリアしているが、その場合、
発熱体が高温になるためにその耐久性や信頼性の悪化が
問題になっている。

【０００６】また、従来の熱式エアフローセンサでは、
空気流の冷却効果による抵抗体の温度変化を抵抗変化と
して検出しているために、高感度とは言いがたく、抵抗
体の大きな温度変化を必要とするという問題もある。

【０００７】さらに、センサ出力が、抵抗変化を電圧で
読み取るアナログ信号であるため、エンジン制御用コン
ピュータへ入力する際に、Ａ／Ｄコンバータを介在させ
なければならない。ところが、必要な計測領域を全域満
たすような計測精度を得るには大きな分解ビット数を有
するＡ／Ｄコンバータを必要とすることから、センサの
計測レンジおよび精度が、Ａ／Ｄコンバータの性能によ
り制限を受けるという不都合がある。

【０００８】さらに、自動車のエンジン付近等の電気的
な悪環境では、アナログ信号である出力信号が、電磁ノ
イズやグラウンドノイズ等により常に影響を受けるた
め、高精度の計測は望めなかった。

【０００９】上述の事情に鑑み、本発明は、極めて高感
度でありながら、信頼性、耐久性に富み、かつＡ／Ｄコ
ンバータを必要としない流量測定装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による流量測定装
置は、基板上に発熱体と両持ち梁を近接させて配設し、
発熱体の熱によって両持ち梁に発生している熱応力が、
流体の質量流量に応じた冷却効果による発熱体の温度変
化によって変化するのを両持ち梁の機械的変化として検
出するように構成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１１】この場合、上記両持ち梁がシリコン単結晶
基板から一体に削出され、両端を支持端として上記シリ
コン単結晶基板に支持された構成とすることが好まし
い。

【００１２】また、上記両持ち梁が、両持ち梁構造を有
する振動体よりなり、上記両持ち梁の、それに加わる熱
応力変化に起因する機械的変化を測定する手段が、上記
振動体の共振周波数の変化を測定する手段よりなること
が好ましい。

【００１３】上記振動体の厚さｈおよび長さＬと、該振
動体に予め内在する長手方向の応力による歪みε₀と、
上記発熱体の熱によって生じる圧縮歪みε_heatとは、次
式で表される関係にあることが好ましい。

【００１４】ε₀＋ε_heat＞（−π²／３）ｈ²／Ｌ² さらに、本発明による流量測定装置は、流体の冷却効果
による発熱体の温度低下を補う手段を備え、該手段によ
り、発熱体の温度がほぼ一定に保たれるように構成する
こともできる。

【００１５】その場合、発熱体近傍の基板温度の２次元
分布が流体流量によって変化する基板上の位置に上記振
動体が配置され、基板温度の２次元分布の変化に起因す
る振動体の共振周波数の変化の測定に基づいて流体の流
量測定がなされる。

【００１６】また、上記基板上に振動体の複数が上記流
体の流れの方向に沿って配設され、これら複数の振動体
間の共振周波数変化の差異に基づいて流体の流量および
流れの方向の測定がなされるように構成することができ
る。

【００１７】

【発明の効果】理論的に発熱体から奪われる熱量Ｑと質
量流量Ｇとの関係は次式のようになる。

【００１８】Ｑ＝Ｋ√Ｇ（Ｋは定数）したがって、両持ち梁に作用する温度変化ΔＴも次式の
ようになる。

【００１９】ΔＴ＝Ｋ√Ｇ両持ち梁に作用する熱応力は両持ち梁付近とそれ以外の
基板部分の温度差によって発生する。その発生機構の概
略を図１および図２に示す。図１は動かない壁に両端を
固定された剛体棒を加熱すると、熱膨脹により棒が伸び
ようとするために、棒に圧縮応力が発生した状態を示
す。また、図２は両持ち梁構造を有する振動体における
加熱による応力発生状態を示し、図２（ａ）は振動子を
直接的に加熱するタイプであり、図２（ｂ）は振動子を
間接的に加熱するタイプである。

【００２０】上記両持ち梁が、その両端の支持部を含め
てシリコン単結晶基板からエッチング等により一体に削
出された場合は、その内部応力はほとんどゼロとなり、
この両持ち梁を振動体として用いた場合、センサ特性を
容易に制御することができる。またシリコン単結晶は、
半導体集積回路の基板材料として、極めて純度の高いも
のが容易に得られるから、機械的特性の揃ったかつ安定
なものが得られ、振動体の共振特性の安定化に寄与する
ことができる。

【００２１】振動体を構成する材料の熱膨脹係数をαと
して、振動体と基板部分との温度差をＴとすると、発生
する応力σは次式のようになる。

【００２２】 σ＝εＥ＝αＴＥ（Ｅ：ヤング率，ε：発生歪み）したがって、冷却効果による温度変化ΔＴと熱応力変化
σとの関係は次式のようになる。

【００２３】ε_heat＝Ｋα√Ｇ一方、発生歪みに対する振動体の共振周波数変化は次式
で理論的に表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、 α_n，γ_n：振動の態様（モード）で決まる定数Ｌ，ｈ：振動体の長さ、厚さＥ_e：実効ヤング率＝Ｅ／（１−ν²）、νはポアソン
比Ｉ：振動体の断面２次モーメント ρ：振動体材料の密度Ａ：振動体の断面積また振動体に加わる歪みεは、振動体に予め残留してい
る歪みε₀と熱応力ε_heatの和で表される。

【００２６】ε＝ε₀＋ε_heat＝ε₀＋Ｋα√Ｇしたがって、質量流量Ｇによる熱応力の変化分を考慮し
た振動体の共振周波数ｆ₀は次式で表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】このように、計測する質量流量Ｇと振動体
の共振周波数ｆ₀との関係は１／４乗特性となる。この
特性は、微小流量域では高感度（出力の傾きが大きい）
で、大流量になるに伴って出力の傾きが低下して行くよ
うなダイナミックレンジの広い理想に近い出力特性が得
られることになる。

【００２９】振動体に加わる応力に対する共振周波数の
特性は、図３に示すような１／２乗特性となる。図３に
おいて、振動体の初期状態として、残留応力がゼロの点
を発熱体（ヒータ）の無加熱ポイントとする。振動体を
センサとして作動させるため、予め発熱体により振動体
を加熱しておくと、周囲の冷たい基板との温度差により
振動体にはこれを圧縮するように応力が加わり、共振周
波数ｆ₀が低下する。

【００３０】すなわち、所定の温度に加熱した振動体の
共振周波数が、流量ゼロのときのセンサ出力となる。そ
して、これに空気流による冷却効果が加わると、振動体
の温度が低下するため、圧縮応力が減少し、空気流量に
応じて共振周波数が上昇する。

【００３１】図３から明らかなように、圧縮応力が増大
すると、振動体の共振周波数がゼロになる点がある。こ
の点を構造力学的に座屈点と言い、このときの応力を座
屈応力と言う。フローセンサとして計測のダイナミック
レンジの拡大と感度の向上のためには、座屈点により近
い領域における応力対周波数特性を用いるのがよいが、
加熱による圧縮応力が座屈点を越えると、振動体として
機能しない。

【００３２】したがって、振動体をフローセンサとして
機能させるための発熱体による加熱は、座屈点を越えな
い範囲で、かつ所望の感度およびダイナミックレンジが
得られるように、なるべく圧縮応力の大きい側に設定す
る必要がある。

【００３３】振動体の座屈点はその振動体の寸法で決定
されることが知られており（オイラーの座屈点）、これ
を座屈歪みε_bで表すと、次式のようになる（ｈ：振動
体の厚さ、Ｌ：振動体の長さ）。

【００３４】ε_b＝（−π²／３）ｈ²／Ｌ² したがって、振動体の厚さｈおよび長さＬと、振動体に
予め残留する歪みε_０と、発熱体の熱によって生じる圧
縮歪みε_ｈｅａｔとが以下のような関係を満足するよう
な設定となる。

【００３５】ε₀＋ε_heat＞（−π²／３）ｈ²／Ｌ² また、ε_heatを発熱体の加熱温度Ｔとの関係に直すと ε_b＋αＴ＞（−π²／３）ｈ²／Ｌ² すなわち、本発明では、発熱体の加熱温度Ｔ、振動体の
残留応力ε₀および振動体の寸法（ｈ，Ｌ）が上式を満
足させる関係にあることも特徴となっている。

【００３６】また、フローセンサとして振動体を用いた
場合、出力が周波数出力となり、Ａ／Ｄコンバータが不
要となるから、センサの計測レンジおよび精度がＡ／Ｄ
コンバータの性能により制限を受けるという従来技術の
問題点が解決される。そしてこの場合、センサ出力をエ
ンジン制御用コンピュータのタイマカウンタポートに直
接入力することができ、コンピュータの時間計測が高精
度なこと相俟って、空気流量の高精度、高分解能計測が
可能になる。また、センサ出力が周波数変調信号である
ため、電磁ノイズやグラウンドノイズ等に影響されず、
誤差の少ない信号伝送が実現できる。

【００３７】発熱体の近傍に配設された両持ち梁に加わ
る熱応力変化の計測は、必ずしも上記両持ち梁が振動体
でなくても可能ではあるが、振動体は応力に対する検出
感度が極めて高く、微妙な温度変化に対しても十分検出
できるほどの周波数変化をもたらす。したがって、従来
技術のように発熱体の温度を高温にしておく必要がな
く、信頼性および耐久性が著しく向上する。

【００３８】また、振動体は、上述のように温度変化に
敏感であるため、発熱体自身の空気流による直接の冷却
効果だけでなく、振動体付近の熱分布の変化にも敏感に
反応する。

【００３９】ところで、発熱体を有するセンサ構造体上
における発熱体の周囲の２次元温度分布を温度等高線で
表すと、図４（ａ）に示すように、発熱体を中心に左右
対称になるが、発熱体の表面上を空気流が流れると、空
気流の流量とともに流れの方向によって２次元温度分布
が変化する。そこで、空気流による発熱体の温度低下を
フィードバック制御によって補って、発熱体の温度を常
に一定に保った状態にしておくと、図４（ｂ）に示すよ
うに、発熱体の上流と下流とで熱分布に差異を生じる。

【００４０】したがって、このような熱分布が変化する
部分に、温度変化を検出する振動体を配置することによ
り、発熱体と振動体とを配設したセンサ基板上における
２次元的な熱分布の空気流による変化も検出できるエア
フローセンサが実現できる。特に熱分布の変化は、質量
流量のみでなく、流れの方向成分の情報を含んでいるか
ら、流れの方向により温度に差異の発生する複数位置に
それぞれ振動体を配設することにより、流れの方向も検
出可能なエアフローセンサが実現できる。図４（ｂ）に
おいては、発熱体に対し、空気流の上流側と下流側とに
振動体を対称的に配設し、各振動体の出力周波数信号の
差分を算出することにより、逆流も検出可能なエアフロ
ーセンサが実現され、自動車エンジンの高精度空燃比制
御に貢献することができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００４２】図５は本発明による流量測定装置の第１の
実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図、図
６はその要部の拡大斜視図、図７は図６の VII−VII 線
に沿った拡大断面図、図８は振動体の拡大断面図であ
る。

【００４３】図５において、２０はシリコン単結晶基板
１からなるセンサ構造体で、基板１の上面１ａは、例え
ば図７に示すように、シリコン単結晶のミラー指数で表
される（１００）面となっている。２はこのシリコン単
結晶基板１からエッチング加工により一体に削出された
両持ち梁構造を有する三角柱からなる振動体である。

【００４４】この振動体２の断面形状は、基板面１ａで
ある（１００）面が二等辺三角形の底面になり、二等辺
の部分はともに（１１１）面になっている。上記底面と
二等辺とのなす角度は、結晶面から見て（１００）面と
（１１１）面との交わる角度である５４．７度となって
おり、振動体２の長手方向は、基板面１ａ内での＜１１
０＞方向に平行であり、振動体２はその両端を固定端と
してシリコン単結晶基板１に支持され、両持ち梁構造を
構成している。一例として、振動体２の寸法を以下に記
す（図８参照）。

【００４５】振動体長さＬ：１．６mm 振動体高さｈ：２０μｍ振動体幅ｂ：２８．３μｍ基板面１ａ上には、白金の薄膜により形成された発熱体
３，３が振動体２の各固定端近傍にそれぞれ配設されて
おり、さらに、図６に示すように、振動体２の一方の固
定端から振動体２の面上に延びる駆動用抵抗４と、振動
体２の他方の固定端から振動体２の面上に延びる振動検
出用抵抗（ピエゾ抵抗）５とが拡散抵抗により形成され
ている。

【００４６】シリコン単結晶基板１は、裏面からエッチ
ング加工等によって深く掘られ、発熱体３，３や振動体
２が配設されている部分はダイアフラム構造を有してい
る。これは、少ない電力で発熱体の温度を上昇させるた
めと、センサの感度と応答性を向上させるために、熱容
量を下げる必要があるからである。

【００４７】図９は、振動体２に振動を励起させ、かつ
その振動を検出する回路の一例を示す概略図である。図
６に示すように、振動体２上には駆動用抵抗４が拡散に
より形成されており、この駆動用抵抗４に交番電流を供
給して交番的に発熱させることによって、振動体２に交
番応力をかけ振動を励起させる。振動体２上には検出用
ピエゾ抵抗５が拡散により形成されているので、このピ
エゾ抵抗５が振動体２が振動により曲がることにより発
生する応力を検出用抵抗５の抵抗変化ととして読み出せ
ばよい。

【００４８】振動体２の自励発振は、振動の検出信号を
駆動用抵抗４に正帰還させることにより発生させる。図
９においては、検出用抵抗５を含むブリッジ回路６で検
出した検出出力をプリアンプ７で増幅して得られた周波
数出力を駆動用抵抗４に帰還させる正帰還ループに、増
幅率を制御して駆動用抵抗４に供給される電力を一定に
コントロールするＡＧＣアンプ８を介在させて、正帰還
による無限大発振を防止している。

【００４９】図１０は、空気流の流量が０〜１５０g/se
c の範囲において発熱体３，３の温度が約５０℃変化す
ると仮定した場合の空気流の質量流量と振動体２の共振
周波数特性を示すグラフである。図１０から明らかなよ
うに、０〜１５０g/sec の流量範囲で共振周波数の変化
範囲は２３．３kHz 〜３９．９kHz となる。この場合、
エンジン制御用コンピュータ内のカウンタ／タイマ機能
を用いて、１MHz の基準クロックと１msecの時間で周波
数計測を行なう場合において、１．０g/sec の微小流領
域から１５０g/sec まで±３％の精度分解能をもって計
測することができる。このように、本実施の形態によれ
ば、１５０倍のダイナミックレンジの領域を精度良く計
測することが可能な高感度流量測定装置を得ることがで
きる。

【００５０】図１１は、図５〜図８に示す振動体２の製
造方法の一例を説明する工程図である。

【００５１】工程１：先ず基板面が（１００）面である
シリコンウエハ（シリコン単結晶基板）１０を用意す
る。

【００５２】工程２：エッチングマスクにするためのシ
リコン酸化膜１１をシリコンウエハ１０の表面に付け
る。ここでは、通常の半導体集積回路の製造工程で用い
られる熱酸化による方法あるいはＣＶＤによる膜形成法
等を適用すればよい。なお、このエッチングマスクは、
酸化膜に限定されるものでなく、窒化膜その他、強アル
カリ溶液による後工程でのエッチングに対し十分な耐性
を有する膜材料であればよい。

【００５３】工程３：振動体２の形状を決定するため、
酸化膜１１のパターニングを行なって、作成すべき振動
体２の幅に等しい間隔を隔てて＜１１０＞方向に延びる
互いに平行でかつ作成すべき振動体２の長さに等しい長
さを有する一対の開口１２，１２を備えた酸化膜マスク
１３をシリコンウエハ１０の表面に形成する。このパタ
ーニングは、フォトレジスト等を用いたフォトリソグラ
フィ工程の後、エッチング液としてフッ酸水溶液等を用
いて行なう。

【００５４】工程４：酸化膜マスク１３をエッチングマ
スクとして、シリコン基板に対して開口１２，１２を通
じてエッチングを行なって、基板面に対してほぼ垂直な
壁面を備えた互いに平行な一対の凹溝１４，１４を形成
する。この場合のエッチングは、フッ素系のガスを用い
たＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法を用い
て行なう。

【００５５】工程５：同じ酸化膜マスク１３をエッチン
グマスクとして、凹溝１４，１４に対してＫＯＨやＴＭ
ＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）
等の強アルカリ溶液によってエッチングを行なう。

【００５６】このように、シリコン単結晶材料を上記の
ような特定の強アルカリ溶液によってエッチングを行な
うと、シリコン単結晶の特定の結晶面によってエッチン
グ速度が著しく異なる性質がある。例えばシリコン単結
晶の（１００）面や（１１０）面に対して（１１１）面
のエッチングされる速度は非常に遅く、速度比で約１０
０：１程度になる。このような性質から、この工程での
エッチングは、エッチング速度の速い（１１０）面を進
行面としてその両端部に（１１１）面が残る状態で結晶
異方性エッチングが進行して行く。

【００５７】工程６：最終的には振動体２となる部分の
両側から（１１０）面を進行面として横方向にエッチン
グが進行して行き、両凹溝１４，１４間がそれらの底部
において互いに連通し、振動体２となる部分の下方に空
間１５が形成されることによって、残った２つの（１１
１）面と１つの（１００）面とによって囲まれた三角柱
からなる梁を得る。最終的に梁の上面を覆う酸化膜マス
ク１３をエッチング等で除去すればよい。

【００５８】このような結晶異方性エッチングを実施す
れば、エッチング後の形状がエッチング条件（温度や撹
拌等）によらず高い精度で予測でき、加工が容易とな
る。

【００５９】このような製造工程によって得られた、１
つの（１００）面と、極めてエッチング速度が遅い２つ
の（１１１）面とで構成された三角柱からなる振動体２
は、結晶面上の幾何学的特性から、その形状がほぼ決定
される。すなわち、振動体２の幅ｂが酸化膜マスク１３
上のパターニングで決定されれば、三角柱断面における
高さｈは一義的に決まってしまう。

【００６０】ｈ＝tan(５４．７°）・ｂ／２このことは、振動体２の幅ｂの加工精度を高めておけ
ば、高さｈの寸法精度が自動的に向上することを意味す
る。

【００６１】一般に、エッチングによって深さ方向の加
工を行なう場合、その加工精度はエッチングの終点を判
断するのが困難なためその寸法精度は悪い。たとえばＲ
ＩＥ等でシリコンのエッチングを行なう場合でも、深さ
寸法の加工の絶対値で±５％程度のばらつきが生じた
り、加工の均一性においてもウエハ面内で±５％いない
の精度を得るのに極めて複雑なエッチング装置を用いな
ければならない。一方、フォトリソグラフィによるパタ
ーニングで代表される面上での加工精度は、半導体集積
回路の製造工程の進歩に見られるように極めて高精度な
加工（絶対、相対加工精度で±１％以下）が比較的容易
に得られる。

【００６２】したがって、上述した製造方法によれば、
その製造工程と得られる構造体の構造的特徴とから、深
さ方向の加工精度（ここでは三角断面の高さｈ）につい
ても面内のパターニング精度と同程度の精度が容易に実
現できる。

【００６３】上記工程４においては、ＲＩＥによるエッ
チング加工を施しているが、この工程でのエッチング加
工は、振動体２の下部の中空になる部分が貫通できるだ
けの深さがあればよく、次式に示すようにその下限より
深くエッチングすれば事足りることになる（エッチング
壁面が基板面に対して９０°をなす場合）。

【００６４】エッチング深さｄ＞ｂtan(５４．７°）次に、図１２は本発明による流量測定装置の第２の実施
の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図である。

【００６５】本実施の形態のエアフローセンサの特徴
は、空気流の流量のみでなく流れの方向をも検出可能な
点にある。

【００６６】図１２に示すセンサ構造体３０は、図５と
同様のシリコン単結晶基板３１上に特性の一致した２つ
の振動体２，２を、計測する空気流に対して中央の発熱
体３３を挾んで上流側と下流側に配置してある。センサ
構造体３０は、図５に示す第１の実施の形態と同様のダ
イアフラム構造を有し、また振動体２，２の構造および
それらの自励振動の機構と動作も第１の実施の形態と同
様である。

【００６７】空気流量の測定には、いずれか一方の振動
体２の共振周波数を測定することにより達成できる。ま
た、発熱体３３の下流側よりも上流側の方が温度低下が
大きいことから、空気流の方向の検出は、２つの振動体
２，２の共振周波数の差を求め、その正負を判定するこ
とにより達成できる。すなわち、振動体２，２の共振周
波数のうち、上流側をｆ_up、下流側をｆ_downとすると、
ｆ_up−ｆ_down＜０で順流、ｆ_up−ｆ_down＞０で逆流とな
る。

【００６８】発熱体３３の駆動には、空気流の冷却効果
による温度低下を補うべく、温度検出用抵抗と、外部回
路とを用いて、発熱体３３の温度を一定に保つようにし
ている。すなわち、発熱体３３は、図１３に示すよう
に、発熱用抵抗Ｒ_Hと発熱温度をモニタする温度検出用
抵抗Ｒ_HTからなり、さらに基準温度（ここでは空気温）
を測定するための抵抗Ｒ_Tを図１４に示す外部回路に設
けてあり、抵抗Ｒ_HT，Ｒ_Tと定抵抗Ｒ₁，Ｒ₂とによっ
てブリッジ回路を構成している。そして冷却により発熱
体３３の温度が低下するとブリッジ回路のバランスが崩
れ、ブリッジ出力に電位差が発生する。この電位差を演
算増幅器３４を通じて増幅して、その出力により、発熱
用抵抗Ｒ_HTに対する供給電流を増加させて、発熱体３３
を加熱するように構成されている。このようなフィード
バック回路を用いることにより、発熱体３３の温度が基
準温度（空気温）に対して所定の温度差を有する温度の
制御される。

【００６９】図１５は本発明による流量測定装置の第３
の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図、
図１６はその要部の拡大断面図である。

【００７０】本実施の形態におけるエアフローセンサの
センサ構造体４０は、シリコン単結晶基板４１上に２つ
の振動体２，２を、計測する空気流に対して中央の発熱
体３３を挾んで上流側と下流側に配置してある点、およ
び空気流の流量のみでなく流れの方向をも検出可能な点
で、図１２に示す第２の実施の形態と同様であるが、本
実施の形態においては、センサ構造体４０の発熱体３３
および振動体２，２が配設されているダイヤフラム構造
部が、図１６に示すように、このダイヤフラム構造部と
の間に所定の間隙４４を形成したガラスキャップ４５で
封止された構成を有する。この封止された間隙４４は１
０〜３Torr程度の真空に保たれていることにより、振動
体２，２の空気粘性による振動の減衰効果が減少し、極
めて安定で高純度の共振振動が得られる。上記ガラスキ
ャップ４５は、陽極接合法等により、基板４１の上面に
気密に接合されている。

【００７１】このように、上面を封止された構造の場
合、空気流はダイヤフラム構造部の裏面に沿って流れる
ように構成される。そのため、基板４１の側面がエッチ
ング加工等により削られた形状になっており、また、ダ
イヤフラム構造部は、発熱体３３の熱が裏面に十分に作
用するような厚さに設定されている。

【００７２】また、本実施の形態においては、振動体２
に振動を励起させるために、駆動用抵抗に代えて、基板
４１の上面とガラスキャップ４５の下面との間に形成さ
れた間隙４４を利用した駆動用静電電極を用いている。
すなわち、図１６に示すように、振動体２の上面に下部
電極４６が設けられ、この下部電極４６に対向する上部
電極４７がガラスキャップ４５の下面に設けられてい
る。そして、両電極４６，４７間に交番電圧を印加する
ことにより、静電気力によって振動体２が振動せしめら
れる。振動体２の振動は、前述の実施の形態と同様に、
振動体２の一方の固定端付近に設けられたピエゾ抵抗４
８によってその抵抗変化として検出される。

【００７３】図１７は、振動体２に振動を励起させ、か
つその振動を検出する回路の一例を示す概略図である。

【００７４】振動体２の自励発振は、駆動用電極４６，
４７に正帰還させることにより発生させる。図９と同様
に、検出用ピエゾ抵抗４８を含むブリッジ回路４９で検
出した検出出力をプリアンプ５０で増幅して得られた周
波数出力を駆動用電極４６，４７に帰還させる正帰還ル
ープに、増幅率を制御して駆動用電極４６，４７に供給
される電力を一定にコントロールするＡＧＣアンプ５１
を介在させて、正帰還による無限大発振を防止してい
る。

【００７５】以上の実施の形態においては、空気流の冷
却効果による発熱体３，３３の温度変化に基づく両持ち
梁の熱応力変化をすべて両持ち梁構造を有する振動体２
の共振周波数の変化として検出しているが、これは前述
したように、振動体２が極めて検出感度が良いからであ
る。しかしながら、本発明は、両持ち梁の熱応力変化を
直接ピエゾ抵抗等を用いて検出する形式の流量測定装置
をも含むことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】両端を固定した剛体棒を加熱することにより剛
体棒に応力が発生する機構を説明する図

【図２】両持ち梁構造を有する振動体を加熱することに
より振動体に応力が発生する機構を説明する図

【図３】両持ち梁構造を有する振動体に加わる応力に対
する共振周波数の変化を示す特性図

【図４】センサ構造体上における発熱体近傍の２次元温
度分布を示す図

【図５】本発明による流量測定装置の第１の実施の形態
を示す振動式エアフローセンサの斜視図

【図６】図５の要部拡大斜視図

【図７】図６の VII−VII 線に沿った拡大断面図

【図８】振動体の拡大断面図

【図９】振動検出回路の一例を示す概略図

【図１０】空気流の質量流量に対すると振動体の共振周
波数特性を示すグラフ

【図１１】振動体の製造方法を説明する工程図

【図１２】本発明による流量測定装置の第２の実施の形
態を示す振動式エアフローセンサの斜視図

【図１３】同要部の概略的平面図

【図１４】同発熱体の温度を一定に保つ装置の回路図

【図１５】本発明による流量測定装置の第３の実施の形
態を示す振動式エアフローセンサの斜視図

【図１６】同要部の拡大断面図

【図１７】同振動検出回路の概略図

【符号の説明】

１，３１，４１シリコン単結晶基板２振動体３，３３発熱体４駆動用抵抗５，４８振動検出用抵抗８，５１ＡＧＣアンプ２０，３０，４０センサ構造体４４間隙４５ガラスキャップ４６，４７電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に配設された発熱体と、該発熱体の近傍に配設された両持ち梁と、上記基板の面に沿って流れる流体の冷却効果による上記
発熱体あるいはその近傍の基板の温度変化に基づく上記
両持ち梁の、それに加わる熱応力変化に起因する機械的
変化を測定する手段とを備え、該手段による上記両持ち梁の機械的変化の測定に基づい
て上記流体の流量の測定がなされることを特徴とする流
量測定装置。
【請求項２】上記両持ち梁がシリコン単結晶基板から
一体に削出され、両端を支持端として上記シリコン単結
晶基板に支持されてなることを特徴とする請求項１記載
の流量測定装置。
【請求項３】上記両持ち梁が両持ち梁構造を有する振
動体よりなり、上記両持ち梁の、それに加わる熱応力変
化に起因する機械的変化を測定する手段が、上記振動体
の共振周波数の変化を測定する手段よりなることを特徴
とする請求項１または２記載の流量測定装置。
【請求項４】上記振動体の厚さｈおよび長さＬと、該
振動体に予め内在する長手方向の応力による歪みε
₀と、上記発熱体の熱によって生じる圧縮歪みε_heatと
が、次式で表される関係にあることを特徴とする請求項
３記載の流量測定装置。 ε₀＋ε_heat＞（−π²／３）ｈ²／Ｌ²
【請求項５】上記流体の冷却効果による上記発熱体の
温度低下を補う手段を備え、該手段により、上記発熱体
の温度がほぼ一定に保たれることを特徴とする請求項３
記載の流量測定装置。
【請求項６】上記発熱体近傍の基板温度の２次元分布
が流体流量によって変化する基板上の位置に上記振動体
が配置され、上記基板温度の２次元分布の変化に起因す
る上記振動体の共振周波数の変化の測定に基づいて上記
流体の流量の測定がなされることを特徴とする請求項５
記載の流量測定装置。
【請求項７】上記基板上に上記振動体の複数が上記流
体の流れの方向に沿って配設され、該複数の振動体間の
共振周波数変化の差異に基づいて上記流体の流量および
流れの方向の測定がなされることを特徴とする請求項６
記載の流量測定装置。