JPH11118567A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】高感度のフローセンサを提供し、更に、温度環
境に依存して検出誤差が発生するのを防止する。 【解決手段】４本の温度センサ線から構成される抵抗Ｒ
１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４は、流体の移動によって
生成される温度分布の変化による抵抗値の変化が、お互
いに逆相になる抵抗同士で直列回路が構成される。即
ち、ヒータ線の右側に配置された第１の温度センサ線１
８（Ｒ１１）と、ヒータ線の左側に配置された第４の温
度センサ線２８（Ｒ１４）とが直列に接続され、定電圧
Ｖ０が印加される。同様に、ヒータ線１６の右側に配置
された第２の温度センサ線３０（Ｒ１２）と、ヒータ線
１６の左側に配置された第３の温度センサ線２０（Ｒ１
３）とが直列に接続され、定電圧Ｖ０が印加される。そ
して、両直列回路の接続点の電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧
が、差動増幅器２６により増幅される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トーマスガスメー
タの原理を利用したフローセンサに係り、特に、検出感
度を向上させ、温度変化による検出感度の低下を防止し
たフローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】気体や液体などの流体の流量や流速を測
定する為に、ヒータ線を利用した熱式のフローセンサが
利用される。かかるフローセンサは、例えば細管の外側
にヒータ線とその両側の温度センサ線を設けた管タイプ
のフローセンサや、半導体基板表面のダイヤフラム上に
ヒータ線とその両側の温度センサ線とを設けたマイクロ
フローセンサなどが知られている。

【０００３】かかるフローセンサは、トーマスガスメー
タの原理に基づくものであり、その原理は、ヒータ線か
ら発生する熱による温度分布が流速に応じて変化し、そ
の変化した温度分布を両側に設けた温度センサ線により
検出することにある。

【０００４】図１は、従来のマイクロフローセンサの平
面図である。この例では、半導体基板１０に、裏面側か
ら貫通孔１２が形成され、表面側に貫通孔１２を塞ぐダ
イヤフラム膜１４が形成される。そして、ダイヤフラム
膜１４上に、ヒータ線１６、その両側に温度センサ線１
８、２０が設けられる。温度センサ線１８，２０は、両
端の電極の間に形成されたＵ字形状の抵抗線で構成され
る。また、ヒータ線１６は、両端の電極間に形成された
１対のＵ字形状の抵抗線で構成される。

【０００５】図中、矢印２２の方向に流体が移動する場
合は、その流体の移動により、ヒータ線１６により生成
された温度分布が温度センサ線１８側に高い温度、温度
センサ線２０側に低い温度という分布になる。その温度
差により両温度センサ線１８，２０の抵抗値に差が生成
される。かかる抵抗値の差に従って、流体の流量や流速
が検出される。

【０００６】図２は、上記のフローセンサの検出回路を
示す図である。温度センサ線１８（Ｒ１）と外付けの抵
抗ｒ１を直列接続し、更に温度センサ線２０（Ｒ２）と
外付けの抵抗ｒ２を直列接続し、両直列接続回路に図示
される通り定電圧Ｖ０が印加される。そして、両接続点
の電圧Ｖ１，Ｖ２の差が、差動増幅器２６により検出さ
れる。上記の通り、温度センサ線１８側の温度が高くな
り、温度センサ線２０側の温度が低くなることで、抵抗
Ｒ１は高くなり、抵抗Ｒ２は低くなる。その結果、電圧
Ｖ１は低くなり、電圧Ｖ２は高くなる。この電圧差が、
差動増幅器２６により検出される。

【０００７】上記の検出回路は、ホイートストーンブリ
ッジ回路を構成する。このホイートストーンブリッジ回
路は、流速がゼロの時の４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，ｒ１，
ｒ２を全て等しく設定することにより、抵抗値の変動に
よる電圧Ｖ１，Ｖ２の差の変動を最大限にできることが
知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図２に示された検出回
路の場合、流速の変化に伴い温度センサ線の抵抗Ｒ１，
Ｒ２のみが変化するだけである。外付けの抵抗ｒ１，ｒ
２は一定の抵抗であるので、電圧Ｖ１，Ｖ２の変化の程
度が余り大きくならない。かかる点は、特に流速が低い
領域でのフローセンサの感度が低いことを意味する。

【０００９】また、流速がゼロの時に４つの抵抗Ｒ１，
Ｒ２，ｒ１，ｒ２を等しくするように設定して、抵抗値
の変化に対する電圧差の変化率を最大に設定しても、温
度センサ線１８，２０が設けられたセンサが置かれる温
度と、検出回路の抵抗ｒ１，ｒ２が置かれる温度とが異
なる場合は、流速ゼロ時の抵抗Ｒ１，Ｒ２と抵抗ｒ１，
ｒ２との抵抗値が異なり、抵抗値の変化に対する電圧差
の変化率も変化する。かかる電圧差の変化率の変化は、
検出される流量または流速が抵抗の置かれた温度に依存
して誤差を持つことを意味する。

【００１０】そこで、本発明の目的は、高感度のフロー
センサを提供することにある。

【００１１】更に、本発明の別の目的は、温度に依存し
て発生する検出値の誤差をなくしたフローセンサを提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する為
に、本発明は、検出回路のホイートストーンブリッジ回
路の４つの抵抗を、ヒータ線の両側に設けた４つの温度
センサ線で構成する。そして、ヒータ線の一方側に設け
た温度センサ線と他方側に設けた温度センサ線との直列
回路と、ヒータ線の他方側に設けた温度センサ線と一方
側に設けた温度センサ線との直列回路とに定電圧を印加
して、両直列回路の接続点の電圧差を検出する。

【００１３】かかる構成にすることで、第１に、温度分
布により生じる温度センサ線の抵抗値の低下と上昇とに
より、接続点の電圧の変化が増幅される。しかも両方の
接続点でその変化の方向が逆方向であることから、接続
点の電圧差も増幅される。従って、僅かな流量や流速の
変化を検出することができる高感度のフローセンサを提
供することができる。

【００１４】更に、４つの温度センサ線を同じ材料で構
成し同じ温度環境下に置くことで、検出回路の４つの抵
抗を流速ゼロの時に等しい状態で維持することができ
る。従って、センサが置かれた環境の温度に依存しない
で、常に一定の検出感度を維持することができ、検出誤
差をなくすことができる。

【００１５】上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒ
ータ線の両側に温度センサ線を設け、流体の流量または
流速に応じて変化する温度センサ線の抵抗値にしたがっ
て該流量または流速を検出するフローセンサにおいて、
前記ヒータ線の一方側に設けられた第１及び第２の温度
センサ線と、前記ヒータ線の他方側に設けられた第３及
び第４の温度センサ線とを有し、前記第１の温度センサ
線と第４の温度センサ線の第１の直列回路と、前記第２
の温度センサ線と第３の温度センサ線の第２の直列回路
とに所定の定電圧が印加され、前記第１及び第４の温度
センサ線の接続点の第１の電位と前記第２及び第３の温
度センサ線の接続点の第２の電位との電位差に従って前
記流量または流速を検出することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲
はその実施の形態に限定されるものではない。

【００１７】図３は、実施の形態例のマイクロフローセ
ンサの平面図である。また、図４は、その検出回路図で
ある。図３に示される通り、本実施の形態例では、ヒー
タ線１６の一方側に第１及び第２の温度センサ線１８
（Ｒ１１），３０（Ｒ１２）が並列に設けられ、また、
ヒータ線１６の他方側に第３及び第４の温度センサ線２
０（Ｒ１３），２８（Ｒ１４）が並列に設けられる。

【００１８】図３の例では、例えば白金層で形成された
ヒータ線１６は、Ｗ字形状に形成される。また、その両
側の４本の温度センサ線１８，３０，２０，２８も、例
えば白金層で形成される。これらの線は、半導体基板１
０の裏面側から形成された貫通孔１２の表面を塞ぐダイ
ヤフラム膜の上に形成される。

【００１９】図４の検出回路に示される通り、上記の４
本の温度センサ線から構成される抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，
Ｒ１３，Ｒ１４は、流体の移動によって生成される温度
分布の変化による抵抗値の変化が、お互いに逆相になる
抵抗同士で直列回路が構成される。即ち、ヒータ線１６
の右側に配置された第１の温度センサ線１８（Ｒ１１）
と、ヒータ線１６の左側に配置された第４の温度センサ
線２８（Ｒ１４）とが直列に接続され、定電圧Ｖ０が印
加される。同様に、ヒータ線１６の右側に配置された第
２の温度センサ線３０（Ｒ１２）と、ヒータ線１６の左
側に配置された第３の温度センサ線２０（Ｒ１３）とが
直列に接続され、定電圧Ｖ０が印加される。そして、両
直列回路の接続点の電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧が、差動増
幅器２６により増幅される。

【００２０】今仮に、図３の矢印２２の方向に流体が移
動したとする。その結果、ヒータ線１６により発生した
温度分布に変化が生じ、ヒータ線１６より下流側（右
側）の温度が高くなり、上流側（左側）の温度が低くな
る。その結果、第１、第２の温度センサ線１８（Ｒ１
１）、３０（Ｒ１２）の抵抗が高くなり、第３、第４の
温度センサ線２０（Ｒ１３）、２８（Ｒ１４）の抵抗が
低くなる。

【００２１】図４の検出回路から明らかな通り、抵抗Ｒ
１１と抵抗Ｒ１４からなる直流回路では、抵抗Ｒ１１の
上昇と抵抗Ｒ１４の減少により、電圧Ｖ１は大幅に低下
する。同様に、抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３からなる直流回
路では、抵抗Ｒ１２の上昇と抵抗Ｒ１３の減少により、
電圧Ｖ２は大幅に上昇する。その結果、両電圧の差ΔＶ
＝Ｖ２−Ｖ１も大きく変化する。即ち、両直流回路で、
上下の抵抗の変化で接続点の電圧Ｖ１，Ｖ２の変化が増
幅される。図２に示した上側の抵抗Ｒ１，Ｒ２のみが変
化する場合に比較して、僅かな流量や流速の変化を大き
な電圧差ΔＶとして検出することができる。従って、感
度の高いフローセンサが実現できる。

【００２２】図５は、上記の従来例と本発明の流速に対
する電圧差の関係を示すグラフ図である。破線が従来例
の特性を示し、実線が本発明の特性を示す。一般に、流
速が低い領域では、流速の上昇に比例して電圧差ΔＶが
上昇する。しかし、一定の流速を超えるとヒータ線の両
側の温度差が少なくなりやがて殆ど同じ温度になる。従
って、電圧差ΔＶは下降する。

【００２３】上記した通り、本発明のフローセンサで
は、検出回路の４つの抵抗値が増幅しある方向に変化す
るので、従来例に比較して約２倍の検出感度を有する。
即ち、一定の流速の変化に対する電圧差ΔＶの変化量が
約２倍になる。

【００２４】更に、本実施の形態例では、検出回路の４
つの抵抗を構成する温度センサ線１８，２８，２０，３
０が全て同じ半導体基板上に設けられ、しかも同じ材料
で構成される。従って、流速ゼロの時の４つの温度セン
サ線の抵抗値は、最初に等しく設定された状態を維持す
る。環境温度に変化が生じても、４つの温度センサ線の
抵抗値は等しく変化する。従って、互いに等しい抵抗値
の状態は維持される。また、流速ゼロの状態では、直列
回路の抵抗Ｒ１１，Ｒ１４及び抵抗Ｒ１２，Ｒ１３がそ
れぞれヒータ線１６に対して対称な位置に設けられるの
で、電圧差ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２は正確にゼロになる。従っ
て、高感度を実現することができる。

【００２５】図４に示された検出回路の一方の直列回路
を参照すると、接続点の電圧Ｖ１は、 Ｖ１＝Ｖ０＊Ｒ１４／（Ｒ１１＋Ｒ１４） で求められる。そこで、今仮にＲ１１に対してＲ１４が
大きい値の場合は、Ｒ１４の変化はＶ１の変化にそれほ
どの影響を与えず、更に、Ｒ１１の変化もＲ１４が大き
い値であるためそれほどの影響を与えない。一方、Ｒ１
４に対してＲ１１が大きい値の場合は、主にＲ１１の変
化が影響を与え、Ｒ１４の変化の影響は少ない。従っ
て、Ｒ１１＝Ｒ１４の状態に近い程、両抵抗Ｒ１１，Ｒ
１４の変化がＶ０の変化に大きな影響を与えることが理
解できる。即ち、ホイートストーンブリッジ回路では、
４つの抵抗値が等しい場合が、差電圧の変化に関して最
も感度が高いのである。

【００２６】図５のグラフ図に示される通り、従来例の
検出回路では、温度センサ線で構成される抵抗Ｒ１，Ｒ
２と、外付け抵抗ｒ１，ｒ２との環境温度が異なり、ま
た温度変化に対する抵抗値の変化率も異なっている。従
って、図５中の破線に示される通り、環境温度に依存し
てその特性曲線がずれてしまう。その結果、同じ流速に
対して異なる電圧差ΔＶが検出されることになり、検出
誤差を伴う。

【００２７】それに対して、本実施の形態例では、４つ
の抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４が常に流速ゼロで等しい関係を維
持するので、常に最高の感度の特性曲線（実線）を有す
る。その結果、環境温度に依存した検出誤差をなくすこ
とができる。

【００２８】図６は、他の実施の形態例のマイクロフロ
ーセンサの部分拡大平面図である。この例では、ヒータ
線１６の両側それぞれの１対の温度センサ線１８，３０
及び２０，２８が、できるだけ同じ温度環境下に位置す
るように、並列にＺ字状に配置される。即ち、温度セン
サ線１８は、ヒータ線１６に並列する部分として、ヒー
タ線１６に最も近い線１８ａと、やや遠い線１８ｂ、１
８ｃの３本の並列部から構成される。それに対して、温
度センサ線３０は、ヒータ線にやや近い線３０ａ、３０
ｂと、最も遠い線３０ｃの３本の並列部から構成され
る。従って、両温度センサ線１８，３０の重心位置は、
殆ど一致する。従って、ヒータ線１６に電流を流して両
側に均等な温度分布を生成した場合、両温度センサ線１
８，３０の抵抗値はほぼ等しく保たれる。温度センサ線
２０，２８の場合も、温度センサ線１８，３０とヒータ
線１６に対して対称形であり、同様に抵抗値はほぼ等し
く保たれる。従って、流速ゼロの状態では、４つの抵抗
はほぼ等しく保たれる。

【００２９】図７は、本発明を管タイプのフローセンサ
に適用した場合の概略構成図である。細管４０の断面積
が固定されているので、流速が検出されれば流速×断面
積から流量も同時に検出される。管タイプの場合は、細
管４０の外側に、ヒータ線４２が巻き付けられる。更
に、ヒータ線４２の両側には、対称に、温度センサ線４
４（Ｒ１１）、４６（Ｒ１２）と温度センサ線４８（Ｒ
１３）、５０（Ｒ１４）とが巻き付けられる。温度セン
サ線４４（Ｒ１１）、４６（Ｒ１２）は、平行して数回
巻かれ、同じ温度状態に維持される。また、同様に、温
度センサ線４８（Ｒ１３）、５０（Ｒ１４）も平行して
数回巻かれ、同じ温度状態に維持される。

【００３０】この管タイプのフローセンサにおける検出
回路は、図４と同じ様に抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４が接続され
る回路である。従って、マイクロフローセンサの場合と
同様に、管タイプの場合も高感度で検出誤差のないフロ
ーセンサとなる。

【００３１】尚、図６に示された温度センサ線のパター
ンで、細管４０の周りに巻き付けられると、上記した両
側の温度センサ線の重心が一致し、より高感度のフロー
センサが実現できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、ヒ
ータ線の両側にそれぞれ一対の温度センサ線を設け、抵
抗の変化が逆相関係にある二つの抵抗を直列に接続し
て、両直列回路の接続点の電圧の差を検出する構成とし
たため、流量や流速の僅かな変化に対して、電圧が抵抗
の変化により増幅されて変化するので、検出感度の高い
フローセンサを提供することができる。

【００３３】更に、４つの抵抗が同じ温度環境下に置か
れるので、同じ材料で構成することで、流速ゼロ時の４
つの抵抗関係を維持することができる。従って、環境温
度に応じた検出誤差をなくすことができる。流速ゼロ時
の４つの抵抗を等しく設定すれば、環境温度に依存せ
ず、常に最高の感度で動作するフローセンサとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマイクロフローセンサの平面図である。

【図２】従来のフローセンサの検出回路を示す図であ
る。

【図３】実施の形態例のマイクロフローセンサの平面図
である。

【図４】実施の形態例の検出回路図である。

【図５】従来例と本発明の流速に対する電圧差の関係を
示すグラフ図である。

【図６】他の実施の形態例のマイクロフローセンサの部
分拡大平面図である。

【図７】管タイプのフローセンサに適用した場合の概略
構成図である。

【符号の説明】 １６ ヒータ線 １８，２０ 温度センサ線 ２８，３０ 温度センサ線 Ｖ０ 定電圧 ２６ 差動増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 文彦 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 丹村 俊彦 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒータ線の両側に温度センサ線を設け、流
   体の流量または流速に応じて変化する温度センサ線の抵
   抗値にしたがって該流量または流速を検出するフローセ
   ンサにおいて、 前記ヒータ線の一方側に設けられた第１及び第２の温度
   センサ線と、 前記ヒータ線の他方側に設けられた第３及び第４の温度
   センサ線とを有し、 前記第１の温度センサ線と第４の温度センサ線の第１の
   直列回路と、前記第２の温度センサ線と第３の温度セン
   サ線の第２の直列回路とに所定の定電圧が印加され、前
   記第１及び第４の温度センサ線の接続点の第１の電位と
   前記第２及び第３の温度センサ線の接続点の第２の電位
   との電位差に従って前記流量または流速を検出すること
   を特徴とするフローセンサ。
2. 【請求項２】請求項１において、 第１〜第４の温度センサ線が、同一の温度係数を有する
   材料で構成されてなることを特徴とするフローセンサ。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記第１及び第２の温度センサ線は、互いに並列に配置
   され、更に前記ヒータ線に平行な第１〜第Ｎ（Ｎは３以
   上の奇数）並列部を有することを特徴とするフローセン
   サ。
4. 【請求項４】請求項１において、 更に、一定の断面積を有する管を有し、前記ヒータ線及
   び前記第１〜第４の温度センサ線が前記管に巻き付けら
   れていることを特徴とするフローセンサ。