JPH1048018A - 流量センサ及び流量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストアップを招来せずに小型・高性能化を
図り、十分な機械的強度を有する構成の流量センサ及び
流量検出装置を提供する。 【解決手段】 単一のセラミック基板２上に、所定の抵
抗温度係数に基づき直線的に変化する抵抗温度特性を有
する感温抵抗体膜３と、実質的に平坦な抵抗温度特性を
有する抵抗体膜４とを互いに分離して設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を検知
する流量センサ及びこれを用いた流量検出装置に関し、
特に空気流量検知やフィルタ目詰り検知を目的として用
いられる熱式の流量センサ及び流量検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱式の流量センサの一例として、
自動車の電子制御燃料噴射装置におけるエアフローを計
測するための風速センサが知られている。これは、発熱
させた抵抗体を気流にさらし、その放熱作用の大きさか
ら風速を検出するものである。このような風速センサ
は、発熱用抵抗体と、温度補償用抵抗体と、これらの抵
抗体からの信号を処理するための信号処理回路とを備え
ている。発熱用抵抗体は流体の温度より高くなるように
加熱制御され、風速が増大（又は減少）すると放熱が大
きく（又は小さく）なって温度及び抵抗値が下がる（又
は上がる）。温度補償用抵抗体は発熱用抵抗体より風上
に設けられ、流体そのものの温度を検知して流体温度の
変化の影響を補償するために用いられる。上記のような
構成の風速センサにおいて正確に風速を検出するために
は、両抵抗体をある程度互いに接近させるとともに、発
熱用抵抗体の熱が温度補償用抵抗体に伝導しないように
両抵抗体間の熱分離を確実に行うことが必要である。そ
こで、従来の流量センサとして例えば、アルミナ等の基
板上に発熱用抵抗体と感温用抵抗体とを設け、スリット
又は窓状の開口により両抵抗体間の熱分離を図った構造
が提案されている。また、熱絶縁性が比較的良好な樹脂
を基板材料として採用した構成も知られている。さら
に、Ｓｉプロセスを用いたマイクロマシニング工法等に
よる微細加工技術により発熱用抵抗体と温度補償用抵抗
体とを極めて薄い橋梁上に形成する構成も知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の流量センサでは、以下のような問題点があ
る。基板にスリットや窓状の開口を設けてもアルミナ等
の基板の熱伝導率が大きいため十分な熱分離が行えな
い。従って小型化にも限界が生じ、高い精度や応答性が
得られない。また、樹脂基板を採用すると、樹脂の耐熱
性が低いため抵抗体を基板上に直接形成することができ
ない。従って基板の製造工程とは別に抵抗体を基板に貼
り付ける工程が必要になり、基板との一体工法が行えな
い。貼り付ける工程を別途行う都合上、流量センサの小
型化に限界がある。しかも基板と抵抗体との熱伝導率の
違いにより抵抗体が基板から剥離するという問題も生じ
る。また、マイクロマシニング工法は流量センサの小型
化には適するが生産設備が大規模なものとなり、コスト
アップにつながる。しかも、微細構造のため機械的強度
が弱いという問題点もある。このように、従来の流量セ
ンサでは、コストアップを招来せずに小型・高性能化を
図り、十分な機械的強度を有する構成を得ることはでき
なかった。

【０００４】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、コストアップを招来せずに小型・高性能化を図り、
十分な機械的強度を有する構成の流量センサ及び流量検
出装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の流量センサは、
単一のセラミック基板上に、所定の抵抗温度係数に基づ
き直線的に変化する抵抗温度特性を有する感温抵抗体膜
と、実質的に平坦な抵抗温度特性を有する抵抗体膜とを
互いに分離して設けたものである。このように構成され
た流量センサにおいては、抵抗体膜は、定電圧又は定電
流を供給された場合、周囲温度にかかわらずほぼ一定の
発熱量を感温抵抗体膜に与え、感温抵抗体膜は流体の流
量に応じて放熱し、その抵抗値を周囲温度に対して直線
的に変化させる。流量センサを構成するのは、互いに熱
分離を行う必要のない感温抵抗体膜及び抵抗体膜のみで
あり、補償用抵抗体を含まない。従って、流量センサを
小さな１チップ構成にすることが可能になる。例えば、
セラミック基板上に感温抵抗体膜及び抵抗体膜をスクリ
ーン印刷等により形成したものを分割して１チップを得
るに適した構成となる。また、このようなセラミック基
板上の薄膜状構成は、焼成による着膜が可能である。

【０００６】上記の流量センサにおいて、感温抵抗体膜
の抵抗温度係数は２５００〜５０００ｐｐｍ／℃であ
り、抵抗体膜は±１００ｐｐｍ／℃の許容差内の抵抗温
度係数を有するように構成しても良い。このような具体
的数値を有するように構成された流量センサにおいて
は、感温抵抗体膜の抵抗温度特性が被測定流体の流量に
かかわらず実質的に一定の傾きを有する直線により表さ
れ、周囲温度の変化に対する感温抵抗体膜の抵抗値の変
化の割合は、流量の変化があっても一定である。

【０００７】上記の流量センサは、感温抵抗体膜及び抵
抗体膜に３個又は４個の外部電極を接続したチップ型に
形成することができる。このようなチップ型流量センサ
は極めて小型であり、しかも安価に製造できる。

【０００８】同様に、用途に合わせて、感温抵抗体膜及
び抵抗体膜に３個又は４個の外部端子を接続してＳＩＰ
型又はＤＩＰ型に形成することができる。

【０００９】また、本発明の流量検出装置は、単一のセ
ラミック基板上に、所定の抵抗温度係数に基づき直線的
に変化する抵抗温度特性を有する感温抵抗体膜と、実質
的に平坦な抵抗温度特性を有する抵抗体膜とを互いに分
離して設けた流量センサと、感温抵抗体膜と直列に接続
された第１の抵抗体と、感温抵抗体膜と同一の抵抗温度
係数を有する感温抵抗器と、感温抵抗器と直列に接続さ
れた第２の抵抗体と、感温抵抗体膜と第１の抵抗体との
直列接続体、及び、感温抵抗器と第２の抵抗体との直列
接続体に一定電圧を供給する定電圧源と、感温抵抗体膜
と第１の抵抗体との接続点における電圧、及び、感温抵
抗器と第２の抵抗体との接続点における電圧についてそ
れらを差動増幅した電圧を出力する差動増幅回路とを備
えたものである。このように構成された流量検出装置
は、前述の流量センサの特徴に加えて、差動増幅回路に
より、感温抵抗体膜と感温抵抗器との差動入力をとるこ
とにより周囲温度の変化の影響を相殺して、流量に応じ
た温度変化分の電圧信号のみを増幅して出力する。

【００１０】また、本発明の流量検出装置は、単一のセ
ラミック基板上に、所定の抵抗温度係数に基づき直線的
に変化する抵抗温度特性を有する感温抵抗体膜と、実質
的に平坦な抵抗温度特性を有する抵抗体膜とを互いに分
離して設けた流量センサと、感温抵抗体膜に直列に接続
された定電流源と、感温抵抗体膜の両端に生じる電圧を
増幅する増幅器と、感温抵抗体膜と同一の抵抗温度係数
を有する感温抵抗器と、感温抵抗器の抵抗値に応じて所
定の内蔵データを参照し、参照した内蔵データに基づい
て前記増幅器の出力を補正する信号処理回路とを備えた
ものである。このように構成された流量検出装置は、前
述の流量センサの特徴に加えて、信号処理回路により、
感温抵抗器からの入力に応じて参照したデータに基づき
感温抵抗体膜の出力を補正することにより周囲温度の変
化の影響を取り除いて、流量に応じた温度変化分の信号
のみを取り出す。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態による
流量センサ１を示す斜視図である。図において、セラミ
ックからなる基板２上には、白金、ニッケル、ルテニウ
ム、鉄、銅等の金属やそれらの合金からなる感温抵抗体
膜３と、ニッケルクロム、銅ニッケル、酸化金属膜等の
抵抗体からなる抵抗体膜４とが互いに分離して形成され
ている。感温抵抗体膜３は２５００〜５０００ｐｐｍ／
℃の抵抗温度係数に基づき直線的に変化する抵抗温度特
性を有し、抵抗体膜４は±１００ｐｐｍ／℃の許容差内
の抵抗温度係数を有する。抵抗体膜４の抵抗温度係数は
感温抵抗体膜３の抵抗温度係数に比べて非常に小さいた
め、抵抗体膜４は実質的には抵抗温度係数を有しないこ
とと同等な平坦な抵抗温度特性であるといえる。感温抵
抗体膜３及び抵抗体膜４のそれぞれの両端部には外部電
極膜５が形成されている。感温抵抗体膜３及び抵抗体膜
４上にはこれらを被覆する保護膜（図示せず）が設けら
れる。一例として具体的数値を挙げると、感温抵抗体膜
３及び抵抗体膜４の各々の厚さは０.１〜５０μｍであ
る。また、基板２の厚さは０.３，０.６３５又は０.８
ｍｍである。

【００１２】次に図１に示した流量センサ１の製造手順
について説明する。まず、図２の（ａ）において、基板
２（通常２インチ×２インチ）上に感温抵抗体膜３とし
て、ルテニウム厚膜ペーストを所定の位置へパターニン
グし、スクリーン印刷を行う。次に、（ｂ）に示すよう
に、抵抗体膜４として酸化ルテニウム厚膜ペーストを所
定の位置へパターニングし、スクリーン印刷を行う。そ
の後、１次焼成により各ペーストの着膜、機能特性出し
を行う。次に図３の（ａ）に示すように、外部電極膜５
としてＡｇ／Ｐｄ等の電極ペーストのスクリーン印刷を
行い、２次焼成を行う。さらにガラス等による保護膜ペ
ーストの印刷及び３次焼成を行う。その後、図３の
（ｂ）に示すように、基板２は、ダイシングラインＤに
沿ってダイシングにより１チップサイズに分割され、図
１に示すような流量センサ１の基本構成素子が多数得ら
れる。これに外部電極６を付けると図４の（ａ）に示す
チップタイプの流量センサ１が完成する。外部電極６の
代わりに外部端子７を付けた場合は、図４の（ｂ）及び
（ｃ）にそれぞれ示すＤＩＰ（Dual Inline Package）
タイプ及びＳＩＰ（Single Inline Package）タイプの
流量センサ１となる。こうして、用途に合わせて各種形
状の流量センサを提供できる。なお、図４に示すどのタ
イプの流量センサ１も、外部電極６又は外部端子７が４
個設けられているが、感温抵抗体膜３及び抵抗体膜４の
各一端を互いに接続すれば外部電極６又は外部端子７を
３個にすることもできる。

【００１３】このようにして製造された流量センサ１を
流体の流路中に配置し、抵抗体膜４に定電圧を印加又は
定電流を流して一定の発熱をさせる。前述のように抵抗
体膜４の抵抗温度特性は平坦であるため、抵抗体膜４が
発生する熱量は周囲温度にかかわらず一定である。抵抗
体膜４の発熱により感温用抵抗体膜３の温度は上昇し、
流体の温度より高くなる。この状態において流量センサ
１が流体（例えば空気）にさらされると、その流量（風
速）に対応した放熱により、感温用抵抗体膜３の抵抗値
が変化する。

【００１４】図５は流体の風速（ｍ／秒）に対する感温
抵抗体膜３の抵抗値Ｒ（ｋΩ）の変化を、周囲温度をパ
ラメータとして示すグラフである。周囲温度が高いほど
一定風速における抵抗値は大きい。各一定周囲温度にお
いては、風速が大きくなるに従って抵抗値Ｒは漸減す
る。次に、風速をパラメータとして周囲温度に対する抵
抗値Ｒ（ｋΩ）の変化を表したものが図６のグラフであ
る。このグラフにより明らかなように、抵抗値Ｒの周囲
温度による変化特性は極めて優れた直線性を示し、しか
も風速による直線の傾き係数の変動がない。すなわち、
風速にかかわらず直線の傾き係数が一定である。これ
は、リニアな特性を有する感温抵抗体膜３と、フラット
な特性を有する抵抗体膜４とを使用していることに基づ
いている。従って、流量センサを周囲温度条件が一定で
ない環境で使用した場合にも、流量センサの出力に対し
て簡単な一次変換による温度補償を行って、高い精度を
得ることができる。

【００１５】図７は、温度補償回路の一例を示す回路図
である。温度補償回路１０は定電圧源１１、オペアンプ
１５、抵抗１２，１３，１６〜１９，２１，２２、コン
デンサ２０、及び感温抵抗器１４により構成されてい
る。感温抵抗器１４は感温抵抗体膜３と同一の抵抗温度
係数を有する。定電圧源１１から供給された一定電圧は
抵抗１２及び流量センサ１の感温抵抗体膜３により分圧
され、感温抵抗体膜３の抵抗値に応じた電圧がオペアン
プ１５の反転入力端子側に入力される。同様に、定電圧
源１１から供給された一定電圧は抵抗１３及び感温抵抗
器１４により分圧され、感温抵抗器１４の抵抗値に応じ
た電圧がオペアンプ１５の非反転入力端子側に入力され
る。オペアンプ１５は２つの入力に基づいて差動増幅を
行う。流量が０のときオペアンプ１５の差動入力が０に
なるように抵抗１２及び１３の抵抗値を設定しておく。
ここで、感温抵抗器１４は感温抵抗体膜３と同一の抵抗
温度係数を有するので周囲温度の変動による抵抗値の変
化分は感温抵抗器１４と感温抵抗体膜３とで変わりはな
い。従ってオペアンプ１５に対する差動入力電圧に相当
するのは、流体の流量に応じて感温抵抗体膜３が放熱を
行い、その抵抗値が変動したことにより生じる電圧変化
分である。こうして感温抵抗体膜３と感温抵抗器１４と
の差動入力を増幅することにより、周囲温度の変動の影
響を相殺して流量信号のみを増幅し、電圧信号（流量信
号）Ｖｏｕｔとして出力することができる。なお、流量
の増大に応じて抵抗値が減少するというネガティブな変
化を、電圧の上昇というポジティブな変化に変えている
ため、検出信号の取扱上も便利である。

【００１６】図８は、温度補償回路の他の例を示す回路
図である。温度補償回路３０は定電流源３１、増幅器３
２、信号処理回路３３及び感温抵抗器３４により構成さ
れている。定電流源３１から一定電流を流量センサ１の
感温抵抗体膜３に流し、抵抗値の変化を電圧の変化とし
て取り出す。この電圧を増幅器３２によって所望の電圧
レベルまで増幅し、信号処理回路３３に入力する。信号
処理回路３３は感温抵抗器３４からの信号を取り込み、
その信号すなわち周囲温度を表す信号、に対する補償
（データ補正）を、内蔵するＲＯＭテーブルを参照して
行う。こうして信号処理回路３３は流量信号に温度補償
を施したものをアナログ電圧信号Ｖｏｕｔ又はディジタ
ル信号として出力する。感温抵抗器３４は図７の回路例
における感温抵抗器１４と同様に、感温抵抗体膜３と同
一の抵抗温度係数を有するものである。こうして、図７
の回路例の場合と同様に、周囲温度の変動の影響を補償
（補正）した流量信号を出力することができる。

【００１７】上記の実施形態では流量センサの抵抗体膜
４及び感温抵抗体膜３をスクリーン印刷法により形成し
たが、選択メッキ、スタッパ等の薄膜技術によっても同
様な抵抗体膜を形成することができる。また、感温抵抗
体膜３及び抵抗体膜４の形成は基板２の片面のみならず
両面に行っても良い。また、抵抗値の調整のため、保護
膜を形成する前にレーザ等によるトリミングを実施する
ことは流量センサの精度向上に寄与する。

【００１８】

【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。

【００１９】本発明の流量センサは、単一のセラミック
基板上に、所定の抵抗温度係数に基づき直線的に変化す
る抵抗温度特性を有する感温抵抗体膜と、実質的に平坦
な抵抗温度特性を有する抵抗体膜とを互いに分離して設
けたので、抵抗体膜は、定電圧又は定電流を供給された
場合、周囲温度にかかわらずほぼ一定の発熱量を感温抵
抗体膜に与え、感温抵抗体膜は流体の流量に応じて放熱
し、その抵抗値を周囲温度に対して直線的に変化させ
る。流量センサを構成するのは、互いに熱分離を行う必
要のない感温抵抗体膜及び抵抗体膜のみであり、補償用
抵抗体を含まない。従って所定の製造法により非常に小
さな、しかも安価な流量センサを提供できる。また、こ
のようなセラミック基板上の薄膜状構成によれば、焼成
による着膜が行えるので感温抵抗体膜及び抵抗体膜が基
板から剥離せず、一定の機械的強度を備えている。

【００２０】また、感温抵抗体膜の抵抗温度係数が２５
００〜５０００ｐｐｍ／℃であるように構成し、抵抗体
膜が±１００ｐｐｍ／℃の許容差内の抵抗温度係数を有
するように構成した場合は、感温抵抗体膜について、周
囲温度にかかわらず一定の傾きを有する直線的な抵抗温
度特性が得られるので、周囲温度の変化の影響を取り除
くための温度補償が簡単な一次変換により行える。従っ
て周囲温度の変化の影響を取り除くための後処理が簡単
であり、精度の高い流量検出装置を構築することができ
る。

【００２１】また、感温抵抗体膜及び前記抵抗体膜に３
個又は４個の外部電極を接続して流量センサをチップ型
に形成した場合は、極めて小型で、かつ、安価な流量セ
ンサを提供できる。

【００２２】また、感温抵抗体膜及び前記抵抗体膜に３
個又は４個の外部端子を接続して流量センサをＳＩＰ型
又はＤＩＰ型に形成した場合は、用途に最適な、極めて
小型で安価な流量センサを提供できる。

【００２３】一方、本発明の流量検出装置は、上記のよ
うに構成された流量センサの感温抵抗体膜の出力と、外
部に設けた感温抵抗器の出力とを差動増幅器により差動
増幅するように構成したので、上述の流量センサ自身の
構成による効果に加えて、差動増幅回路によって感温抵
抗体膜と感温抵抗器との差動入力をとることにより周囲
温度の変化の影響を相殺して、流量に応じた温度変化分
の電圧信号のみを増幅して出力することができる。従っ
て、周囲温度に関係なく高い精度の流量検出を行うこと
ができる。

【００２４】また、本発明の他の流量検出装置は、上記
のように構成された流量センサの感温抵抗体膜に一定電
流を流して抵抗値の変化を電圧に変えて増幅した出力
を、感温抵抗体膜と同一の抵抗温度係数を有する感温抵
抗器の抵抗値に応じて参照した内蔵データに基づいて補
正する信号処理回路を備えたので、上述の流量センサ自
身の構成による効果に加えて、信号処理回路により、感
温抵抗器からの入力に応じて参照したデータに基づき感
温抵抗体膜の出力を補正することにより周囲温度の変化
の影響を取り除いて、流量に応じた温度変化分の信号を
取り出すことができる。従って、周囲温度に関係なく高
い精度の流量検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による流量センサを示す斜
視図である。

【図２】図１に示した流量センサの製造工程の前半を示
す図である。

【図３】図１に示した流量センサの製造工程の後半を示
す図である。

【図４】流量センサの外観を示す斜視図であり、（ａ）
はチップタイプ、（ｂ）はＤＩＰタイプ、（ｃ）はＳＩ
Ｐタイプを示す。

【図５】本発明の流量センサの出力特性を示すグラフで
ある。

【図６】本発明の流量センサの温度特性を示すグラフで
ある。

【図７】本発明の流量検出装置の温度補償回路の一例を
示す回路図である。

【図８】本発明の流量検出装置の温度補償回路の他の例
を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 流量センサ ２ 基板 ３ 感温抵抗体膜 ４ 抵抗体膜 ５ 外部電極膜 １０ 温度補償回路 １１ 定電圧源 １２，１３ 抵抗 １４ 感温抵抗器 １５ オペアンプ １６，１７，１８，１９ 抵抗 ２０ コンデンサ ２１，２２ 抵抗 ３０ 温度補償回路 ３１ 定電流源 ３２ 増幅器 ３３ 信号処理回路 ３４ 感温抵抗器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一のセラミック基板上に、所定の抵抗
   温度係数に基づき直線的に変化する抵抗温度特性を有す
   る感温抵抗体膜と、実質的に平坦な抵抗温度特性を有す
   る抵抗体膜とを互いに分離して設けたことを特徴とする
   流量センサ。
2. 【請求項２】 前記感温抵抗体膜の抵抗温度係数は２５
   ００〜５０００ｐｐｍ／℃であり、前記抵抗体膜は±１
   ００ｐｐｍ／℃の許容差内の抵抗温度係数を有すること
   を特徴とする請求項１記載の流量センサ。
3. 【請求項３】 前記感温抵抗体膜及び前記抵抗体膜に接
   続された３個又は４個の外部電極を備えてチップ型に形
   成されたことを特徴とする請求項１記載の流量センサ。
4. 【請求項４】 前記感温抵抗体膜及び前記抵抗体膜に接
   続された３個又は４個の外部端子を備えてＳＩＰ型及び
   ＤＩＰ型のいずれか１つの型に形成されたことを特徴と
   する請求項１記載の流量センサ。
5. 【請求項５】 単一のセラミック基板上に、所定の抵抗
   温度係数に基づき直線的に変化する抵抗温度特性を有す
   る感温抵抗体膜と、実質的に平坦な抵抗温度特性を有す
   る抵抗体膜とを互いに分離して設けた流量センサと、 前記感温抵抗体膜と直列に接続された第１の抵抗体と、 前記感温抵抗体膜と同一の抵抗温度係数を有する感温抵
   抗器と、 前記感温抵抗器と直列に接続された第２の抵抗体と、 前記感温抵抗体膜と前記第１の抵抗体との直列接続体、
   及び、前記感温抵抗器と前記第２の抵抗体との直列接続
   体に一定電圧を供給する定電圧源と、 前記感温抵抗体膜と前記第１の抵抗体との接続点におけ
   る電圧、及び、前記感温抵抗器と前記第２の抵抗体との
   接続点における電圧についてそれらを差動増幅した電圧
   を出力する差動増幅回路とを備えた流量検出装置。
6. 【請求項６】 単一のセラミック基板上に、所定の抵抗
   温度係数に基づき直線的に変化する抵抗温度特性を有す
   る感温抵抗体膜と、実質的に平坦な抵抗温度特性を有す
   る抵抗体膜とを互いに分離して設けた流量センサと、 前記感温抵抗体膜に直列に接続された定電流源と、 前記感温抵抗体膜の両端に生じる電圧を増幅する増幅器
   と、 前記感温抵抗体膜と同一の抵抗温度係数を有する感温抵
   抗器と、 前記感温抵抗器の抵抗値に応じて所定の内蔵データを参
   照し、参照した内蔵データに基づいて前記増幅器の出力
   を補正する信号処理回路とを備えた流量検出装置。