JPH11201793A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 逆流検出時から順流検出時にかけて、正の単
調増加出力を単純な構成で得ると共に順方向流検出時の
検出感度に優れた流量センサを得る。 【解決手段】 上流側の発熱抵抗４，下流側の発熱抵抗
５で構成された複数の発熱部を流体の上流から下流に向
けて配置し、発熱抵抗４，５から流体への熱伝達現象に
基づいて流体の流量あるいは流速を計測する感熱式流量
センサにおいて、複数の発熱抵抗４，５の温度が流体の
温度に対して各々所定の温度だけ昇温するように発熱抵
抗４，５に流す加熱電流を制御する手段３０、３１、３
２と、複数の発熱抵抗４，５の内、上流側にある発熱抵
抗４への加熱電流と下流側にある発熱抵抗５への加熱電
流の差を求める手段３４と、この加熱電流の差に基づい
て流体の流速あるいは流量を検出する手段３５〜３７と
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は発熱体を備え、発
熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体へ
の熱伝達現象に基づいて流体の流速あるいは流量を計測
する流量検出素子及び流量センサに関するものであり、
例えば内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いら
れる流量センサである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は例えば特開平１−１８５４１６
号公報に示されている従来の感熱式流量センサの流量検
出素子であり、図１４は従来の感熱式流量センサの回路
図である。従来の感熱式流量センサの流量検出素子は図
１３に示すように、セラミックなどの電気絶縁材料で作
られた平板状基材３８、この平板状基材３８の表面上に
スパッタリングとフォトエッチングにより形成された感
熱抵抗体である白金薄膜よりなる発熱抵抗３９ａ，３９
ｂより構成さている。発熱抵抗３９ａは吸気上流側に対
応する位置に、また発熱抵抗３９ｂは吸気下流側に対応
する位置に形成され、これら発熱抵抗３９ａ（以下、上
流側発熱抵抗と記載する），発熱抵抗３９ｂ（以下、下
流側発熱抵抗と記載する）の外表面上にはアルミナまた
は酸化シリコンの薄膜がコーティングされている。上流
側発熱抵抗３９ａ，下流側発熱抵抗３９ｂは平板状基材
３８の表面上で外部接続端子４０ａ，４０ｂに接続され
ている。

【０００３】図示しない吸気温度検出用の温度補償抵抗
も感熱抵抗体である白金薄膜よりなり、発熱抵抗と同様
なプロセスで構成されているが、その抵抗値は発熱抵抗
の５０倍以上になるように設計されている。図１３にお
いて、上流側発熱抵抗３９ａ，下流側発熱抵抗３９ｂ、
温度補償抵抗４１ａ，４１ｂは計測流体である空気が通
る主通路１９の中に配置されている。

【０００４】上流側発熱抵抗３９ａ、上流側の温度補償
抵抗４１ａ及び固定抵抗４２ａ，４３ａ，４４ａでブリ
ッジ回路を構成し固定抵抗４２ａと４４ａとの中点及び
固定抵抗４３ａと上流側発熱抵抗３９ａとの中点の電位
をそれぞれ差動増幅器４５ａに入力して電位差を検出す
るようにしている。

【０００５】この差動増幅器４５ａからの電位差検出信
号をトランジスタ４６ａのベースに入力し、上記ブリッ
ジ中点の電位が等しくなるように閉ループ制御してい
る。このトランジスタ４６ａのエミッタは温度補償抵抗
４１ａと上流側発熱抵抗３９ａとの接続点に接続され、
そのコレクタは電源に接続している。

【０００６】同様にして、下流側発熱抵抗３９ｂ，下流
側の温度補償抵抗４１ｂ，固定抵抗４２ｂ，４３ｂ，４
４ｂでブリッジ回路を構成し、差動増幅器４５ｂ及びト
ランジスタ４６ｂを用いて閉ループ制御回路を構成して
いる。そして、ブリッジ回路を構成する固定抵抗４２ｂ
と４４ｂとの中点及び固定抵抗４３ｂと下流側発熱抵抗
３９ｂとの中点の電位をそれぞれ差動増幅器４５ｂに入
力して電位差を検出するようにしている。

【０００７】上流側発熱抵抗３９ａ，３９ｂの抵抗値
が、温度補償抵抗４１ａ，４１ｂで計測された吸気温度
よりも１００℃高い温度となるように、ブリッジ回路を
構成する固定抵抗の値が決められている。尚、ブリッジ
の平衡条件より、例えば、上流側発熱抵抗３９ａの抵抗
値ＲＨは以下の式で与えられる。

【０００８】ＲＨ＝｛（Ｒｋ＋Ｒ１）・Ｒ３｝／Ｒ２ ただしＲｋ：温度補償用抵抗４１ａの抵抗値 Ｒ１：固定抵抗４２ａの抵抗値 Ｒ２：固定抵抗４４ａの抵抗値 Ｒ３：固定抵抗４３ａの抵抗値

【０００９】上流側発熱抵抗３９ａの抵抗値は吸気温度
よりも１００℃高い温度になるように各ブリッジ抵抗値
を設定しているため、吸気温度が一定ならば温度補償用
抵抗体４１ａの抵抗値、発熱抵抗体３９ａの抵抗値は一
定となり、この発熱抵抗体３９ａの抵抗値は流量に拘わ
らず一定値となるように差動増幅器４５ａとトランジス
タ４６ａによりブリッジに流す電流を制御する。よっ
て、発熱抵抗体３９ａに流れる電流を固定抵抗４３ａに
おける電圧降下より検出することで、空気流量を求める
ことができる。

【００１０】このような従来の流量センサにおいて、上
流側発熱抵抗３９ａから気流に伝達する熱は気流の流速
が大きいほど増す。一方、下流側発熱抵抗３９ｂに沿っ
て流れる気流は、上流側発熱抵抗３９ａによって昇温さ
れているため、上流側発熱抵抗３９ａほど気流に熱が伝
達されない。即ち、上流側発熱抵抗３９ａは下流側発熱
抵抗３９ｂより良く冷却され、冷却の度合いの差は気流
の流速が増すほど大きくなる。

【００１１】従って、上流側発熱抵抗３９ａの抵抗値を
一定に保つための加熱電流は、下流側発熱抵抗３９ｂの
抵抗値を一定に保つための加熱電流よりも大きく、その
差は気流の流速が大きいほど増す。加熱電流は、空気流
量の関数である熱伝達量に相当する量となり、熱伝達量
は流速の関数であるため、固定抵抗４３ａの両端電圧Ｖ
ａと固定抵抗４３ｂの両端電圧Ｖｂの差は気流の流速、
あるいは定められた通路内を通過する気流の流量の関数
となる。

【００１２】このように気流が上流から下流に流れる順
方向流の場合はＶａ＞Ｖｂとなり、逆方向流の場合はＶ
ｂ＞Ｖａとなるため、ＶａとＶｂの差は流量の絶対値と
気流の方向を現す出力となる。従って、差動増幅器４７
でＶａとＶｂの差をとって出力とすれば流れの方向を検
出できる流量センサとなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の従
来の流量センサでは、上流側発熱抵抗３９ａと下流側発
熱抵抗３９ｂを構成する各々のブリッジ回路において、
ブリッジ回路を構成する抵抗は同じ物が用いられてい
る。

【００１４】従って、例えばＶａ−Ｖｂの値を流量セン
サの流量信号として取り扱う場合は、流量が０のときＶ
ａ−Ｖｂ＝０となり気流が下流から上流に流れる逆流の
場合はＶａ−Ｖｂ＜０となる。このような出力を持つ流
量センサを、例えば自動車用内燃機関の燃料制御用コン
トロールユニットのように流量センサの信号が入力され
る装置に使用する場合は、負の入力を認識できるように
回路を構成する必要があり、入力回路が複雑化する。

【００１５】また、流量センサの内部においてＶａ−Ｖ
ｂの値に所定のバイアスＶｏｂを加え、Ｖａ−Ｖｂ＋Ｖ
ｏｂを流量信号として取り扱うこともできるが、この場
合は流量センサ内に電圧加算回路を新たに追加しなけれ
ばならない。さらに、流量センサを自動車用内燃機関の
吸入空気流量センサとして用いるような場合は、周囲温
度が−３０℃〜１１０℃の範囲で変化するため、この電
圧加算回路は周囲温度によるバイアスＶｏｂの変動を極
めて小さく回路設計を行う必要がある。上記のような対
策はいずれにしてもコストのかかるものとなる。

【００１６】一方、本流量センサが自動車等の内燃機関
の燃料制御用吸気流量センサとして用いられる場合では
スロットル開度が大きくバルブオーバラップのある運転
領域では流量は逆流を含む脈動流となることがある。だ
が、一般に最大逆流流量は順方向流の最大計測流量より
もかなり小さなものとなる。従ってこのような用途の流
量センサの感度は順方向流の計測において高く設計され
ることが望しい。しかしながら、上記のような従来の流
量センサにおいては、順方向流と逆方向流の感度が等し
くなっているため、順方向の最大計測流量に制限が生じ
る場合がある。

【００１７】この発明は上述のような問題点を解消する
ためになされたもので、第１の目的は逆流検出時から順
流検出時にかけて、正の単調増加出力を単純な構成で得
ることにあり、それによって流量センサ及びその出力を
受ける装置の構成を単純にすることにある。またこの発
明の第２の目的は順方向流に対する感度の高い流量セン
サを得ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る流
量センサは、感熱抵抗体で構成された複数の発熱部を、
流体の上流から下流に向けて配置されており、前記発熱
部から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流量あるい
は流速を計測する感熱式流量センサにおいて、前記複数
の発熱部の温度が前記流体の温度に対して各々所定の温
度だけ昇温するように感熱抵抗体に流す加熱電流を制御
する手段と、前記複数の発熱部の内、上流側にある発熱
部への加熱電流と下流側にある発熱部への加熱電流の差
を求める手段と、この加熱電流の差に基づいて前記流体
の流速あるいは流量を検出する手段とを備え、流量が０
のときにおいて上流側感熱抵抗体の加熱電流が下流側感
熱抵抗体の加熱電流よりも大きくなるようにしたもので
ある。

【００１９】請求項２に係る流量センサは、上記発熱部
を構成する感熱抵抗体は、流体の上流側感熱抵抗体の抵
抗値を前記流体の下流側感熱抵抗体の抵抗値よりも小さ
くしたものである。

【００２０】請求項３に係る流量センサは、膜状に構成
された上流側感熱抵抗体の膜厚を、下流側感熱抵抗体の
膜厚より厚くしたものである。

【００２１】請求項４に係る流量センサは、上流側感熱
抵抗体の平均温度が下流側感熱抵抗体の平均温度よりも
高くしたものである。

【００２２】請求項５に係る流量センサは、上流側の発
熱部の面積を下流側の発熱部の面積よりも大きくしたも
のである。

【００２３】請求項６に係る流量センサは、前記上流側
感熱抵抗体に直列接続され、この感熱抵抗体に流れる加
熱電流を検出する第１の抵抗と、前記下流側感熱抵抗体
に直列接続され、この感熱抵抗体に流れる加熱電流を検
出する前記第１の抵抗より抵抗値が大きい第２の抵抗
と、前記第１の抵抗の両端電圧と前記第２の抵抗の両端
の差から流体の流量あるいは流速を検出する手段とを備
えたものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
一実施の形態である流量検出素子１７Ａの断面図（図１
の下図）と平面図（上図）を示すものである。断面図は
平面図に示されたＡ−Ａ部の断面を表す。これは以下に
述べる他の実施の形態においても同様である。本実施の
形態に係る流量検出素子１７Ａは、図に示すように厚さ
０．４ｍｍのシリコンよりなる平板状基材１の表面に厚
さ１μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜２が
スパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法で形成され、その上に
厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗体膜よりなる発熱抵
抗４，５が蒸着やスパッタ等の方法で着膜されている。

【００２５】発熱抵抗４，５は写真製版、ウエットある
いはドライエッチング等の方法を用いて電流路であるパ
ターンニングが形成されている。パターンニングによっ
て構成された発熱抵抗４，５の発熱部の面積は、１ｍｍ
×０．０５ｍｍである。また、絶縁性の支持膜２の上に
は同様に厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗体膜よりな
る計測流体温補償抵抗６ａ，６ｂが蒸着やスパッタ等の
方法で着膜されている。

【００２６】更に、発熱抵抗４，５及び計測流体温補償
抵抗６ａ，６ｂの上には厚さ１μｍの窒化シリコン等よ
りなる絶縁性の保護膜３がスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の
方法で形成されている。矢印９は計測流体の流れの方向
である。内燃機関の吸気流量を計測する場合は吸気口か
らシリンダーへ流れる方向を示すことになる。ただし、
例えば４気筒内燃機関の場合、バルブオーバラップやス
ロットル弁開度や吸気管路の条件によっては逆流を含む
脈動流となる。

【００２７】発熱抵抗４は順方向流の場合上流側に、発
熱抵抗５は下流側にあり、両発熱抵抗４，５は流れの方
向に並んでいる。発熱抵抗４，５（上流側発熱抵抗４、
下流側発熱抵抗５と記載する）及び計測流体温補償抵抗
６ａ，６ｂはリードパターン１３ａ〜１３ｈを経て流量
検出素子の外部との電気的接続を行うための電極１４ａ
〜１４ｈに接続されている。電極１４ａ〜１４ｈの部分
はワイヤボンド等の方法で外部と電気的な接続をするた
めに保護膜３が除去されている。

【００２８】さらに、平板状基材１の支持膜２が形成さ
れている面とは逆の面に形成された裏面保護膜１５に写
真製版等の方法でエッチングホール１６を形成後、例え
ばアルカリエッチング等を施すことによって、平板状基
材１の一部が除去され、ダイヤフラム１２が形成されて
いる。ダイヤフラム１２の面積は１．４ｍｍ×０．４ｍ
ｍである。

【００２９】上流側発熱抵抗４と下流側発熱抵抗５によ
って各々形成される上流側の発熱部と下流側の発熱部は
流れの方向の幅及び流れと直交する方向の長さが同一で
あり、発熱面積が同一となっているが、上流側発熱抵抗
４は、下流側発熱抵抗５にくらべてパターン幅が大き
く、またパターン長が短く設計されているため、上流側
発熱抵抗４の抵抗値ＲＨ１は下流側発熱抵抗５の抵抗値
ＲＨ２よりも小さくなっている。

【００３０】尚、図では流量検出素子１７Ａの構造がわ
かりやすいように示されており実際の寸法比では描かれ
ていない。これは以下に示す他の実施の形態の図におい
ても同様である。図５は本実施の形態に係る加熱電流制
御回路と計測流体の流量及び流速検出回路を含む流量セ
ンサの構成図である。

【００３１】上流側発熱抵抗４を含むブリッジ回路２３
ａは、ホイストンブリッジを形成する上流側発熱抵抗
４、基準抵抗２４ａ、固定抵抗２８ａ、固定抵抗２６ａ
と温度補償抵抗６ａの直列体及びインピーダンス変換回
路を構成する固定抵抗２５ａ，２６ａ，差動増幅器２９
ａ、そしては基準抵抗２４ａ，固定抵抗２８ａの各両端
電圧であるＡａ点とＢａ点の電位差を求める差動増幅器
３０ａ、ベースに差動増幅器３０ａの出力を入力し、コ
レクタをｐｎｐ型の出力トランジスタ３２ａのベースに
接続したエミッタ接地のｎｐｎ型の制御トランジスタ３
１ａより構成される。インピーダンス変換回路は温度補
償抵抗６ａに電流が流れ過ぎないようにするためであ
る。

【００３２】尚、出力トランジスタ３２ａのエミッタは
電源の＋に、コレクタはブリッジの＋端に接続されてい
る。従って、出力トランジスタ３２ａはベース電流に応
じて所定のコレクタ電流、即ち加熱電流がブリッジを通
して上流側発熱抵抗４に流れる。差動増幅器３０ａ、制
御トランジスタ３１ａ，出力トランジスタ３２ａによっ
てＡａ点とＢａ点の電圧が等しくなるように上流側発熱
抵抗４に流す加熱電流ＩＨ１を制御する閉ループ回路が
構成されている。

【００３３】即ち、この閉ループは従来技術において説
明したように、上流側発熱抵抗４の抵抗値ＲＨ１は吸気
温度よりも１００℃高い温度になるように各ブリッジ抵
抗値を設定しており、吸気温度が一定ならば温度補償用
抵抗体６ａの抵抗値、上流側発熱抵抗体４の抵抗値は一
定となり、この上流側発熱抵抗体４の抵抗値ＲＨ１は流
量に拘わらず一定値となるように差動増幅器３０ａと制
御トランジスタ３１ａ、制御トランジスタ３２ａにより
ブリッジに流す電流を制御する。よって、上流側発熱抵
抗体４に流れる電流を基準抵抗２４ａにおける電圧降下
より検出することで、空気流量を求めることができる。

【００３４】下流側発熱抵抗５を含むブリッジ回路２３
ｂは、ホイストンブリッジを形成する下流側発熱抵抗
５、基準抵抗２４ｂ、固定抵抗２８ｂ、固定抵抗と温度
補償抵抗６ｂの直列体及びインピーダンス変換回路を構
成する固定抵抗２５ｂ，２６ｂ，差動増幅器２９ｂ、そ
しては基準抵抗２４ｂ，固定抵抗２８ｂの各両端電圧で
あるＡｂ点とＢｂ点の電位差を求める差動増幅器３０
ｂ、ベースに差動増幅器３０ｂベースに差動増幅器３４
ｂの出力を入力し、コレクタをｐｎｐ型の出力トランジ
スタ３２ａのベースに接続したエミッタ接地のｎｐｎ型
の制御トランジスタ３１ａより構成される。

【００３５】インピーダンス変換回路は温度補償抵抗６
ｂに電流が流れ過ぎないようにするためである。出力ト
ランジスタ３２ｂのエミッタは電源の＋に、コレクタは
ブリッジの＋端に接続されている。差動増幅器３０ｂ、
トランジスタ３１ｂ，３２ｂによってＡｂ点とＢｂ点の
電圧が等しくなるように加熱電流ＩＨ２を制御する閉ル
ープ回路が構成されている。

【００３６】即ち、この閉ループは従来技術において説
明したように、下流側発熱抵抗５の抵抗値ＲＨ２は吸気
温度よりも１００℃高い温度になるように各ブリッジ抵
抗値を設定しており、吸気温度が一定ならば温度補償用
抵抗体６ｂの抵抗値、下流側発熱抵抗体５の抵抗値は一
定となり、この下流側発熱抵抗体５の抵抗値ＲＨ２は流
量に拘わらず一定値となるように差動増幅器３０ｂと制
御トランジスタ３１ｂ、制御トランジスタ３２ｂにより
ブリッジに流す電流を制御する。よって、下流側発熱抵
抗体５に流れる電流を基準抵抗２４ｂにおける電圧降下
より検出することで、空気流量を求めることができる。

【００３７】基準抵抗２４ａ，２４ｂの各両端電圧ＶＭ
１，ＶＭ２の差は差動増幅器３４で求められる。差動増
幅器３４の後段には、差動増幅器３５と増幅率を決める
固定抵抗３６，３７とからなる増幅回路が接続されてい
る。差動増幅器３５の出力Ｖｏは流量センサの出力であ
る。

【００３８】図６及び図７は、例えば図１に示す流量検
出素子１７Ａを用いた流量センサの正面図及び横断面図
である。図において１７は流量検出素子、１８は流量検
出素子１７を収めた検出管路、１９は検出管路１８を収
めた計測流体の通路である主通路、２０は主通路におい
て計測流体の入り側に設けた格子状の整流器、２１は図
５に示す加熱電流制御回路及び流量・流速検出回路が収
められたケース、２２は加熱電流制御回路及び流量・流
速検出回路に電源を供給したり、計測出力を取り出すた
めのコネクタである。流量センサの正面図及び横断面図
は以後に述べる他の実施の形態においても同様である。

【００３９】上流側及び下流側発熱抵抗４，５は図５に
示す制御回路によって所定の平均温度になるようにフィ
ードバック制御されている。加熱電流値は、上流側及び
下流側発熱抵抗４，５の発熱温度を各々計測流体温補償
抵抗６ａ，６ｂで検出された計測流体温度に基づいて適
切に変えて行けば、計測流体の流速と密度の積に相当す
る量の関数となる。このような定温度差制御の検出原理
については上述した従来例と同等である。

【００４０】計測流体の流速が早くなると、上流側発熱
抵抗４から計測流体への熱伝達が多くなるため加熱電流
が増加する。一方下流側にある下流側発熱抵抗５の部分
には上流側発熱抵抗４によって暖められた気流が流れる
ため上流側発熱抵抗４に比べると加熱電流の増加は少な
い。従って、上流側発熱抵抗４と下流側発熱抵抗５の加
熱電流の差を基準抵抗２４ａ，ｂにおける電圧降下の差
ＶＭ１−ＶＭ２を差動増幅器３４で求めることによっ
て、流量と流れの方向を検出することができる。上流側
発熱抵抗４のジュール熱をＨ１，下流側発熱抵抗５のジ
ュール熱をＨ２とすると、これらは式（１），（２）で
表される。

【００４１】 Ｈ１＝ＩＨ１²・ＲＨ１＝Ａ１＋Ｓ１・ｈ・（ＴＨ１−Ｔａ１） ・・・（１） Ｈ２＝ＩＨ２²・ＲＨ２＝Ａ２＋Ｓ２・ｈ・（ＴＨ２−Ｔａ２） ・・・（２） 但し、 ＩＨ１：上流側発熱抵抗４の加熱電流 ＩＨ２：下流側発熱抵抗５の加熱電流 ＲＨ１：上流側発熱抵抗４の抵抗値 ＲＨ２：下流側発熱抵抗５の抵抗値 Ａ１ ：上流側の発熱部の流量０時の熱損失量 Ａ２ ：下流側の発熱部の流量０時の熱損失量 Ｓ１ ：発熱抵抗４が構成された発熱部の面積 Ｓ２ ：発熱抵抗５が構成された発熱部の面積 ｈ ：発熱部の熱伝達率 ｈ＝ｆ（Ｑⁿ） Ｑ：流量 ｎ：流量によって決まる定数 ＴＨ１：発熱抵抗４の平均温度 ＴＨ１＝Ｔａ＋ΔＴ１ Ｔａ：流量センサに流入する気流温度 ΔＴ：発熱抵抗４の昇温値 ＴＨ２：発熱抵抗５の平均温度 ＴＨ２＝Ｔａ＋ΔＴ２ ΔＴ：発熱抵抗５の昇温値 Ｔａ１：発熱抵抗４が構成された発熱部表面を流れる気
流の温度 順流時：Ｔａ１≒Ｔａ 逆流時：Ｔａ１＞Ｔａ Ｔａ２：発熱抵抗４が構成された発熱部表面を流れる気
流の温度 順流時：Ｔａ２＞Ｔａ 逆流時：Ｔａ２≒Ｔａ

【００４２】また、ＩＨ１とＩＨ２は基準抵抗２４ａ，
２４ｂによって電圧ＶＭ１，ＶＭ２に変換される。

【００４３】 ＶＭ１＝ＩＨ１・ＲＭ１ ・・・（３） ＶＭ２＝ＩＨ２・ＲＭ２ ・・・（４） 但し、 ＲＭ１：基準抵抗２４ａの抵抗値 ＲＭ２：基準抵抗２４ｂの抵抗値

【００４４】本実施の形態では、 ＲＨ１＜ＲＨ２，Ａ
１＝Ａ２，Ｓ１＝Ｓ２，ＴＨ１＝ＴＨ２である。流量０
のときはＴａ１≒Ｔａ２であるから、Ｈ１＝Ｈ２となり
従って、 ＶＭ１−ＶＭ２＞０となる。

【００４５】図８は、従来例と同様にＲＨ１＝ＲＨ２と
した場合の、所定の通路径を有する管路内を通過する流
量に対するＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性の一
例を示す。図９は本実施の形態の流量に対するＶＭ１，
ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性を示す。

【００４６】本実施の形態の場合は、流量約−４０ｇ／
ｓ以上の流領域においてＶＭ１−ＶＭ２は正の値で単調
増加している。従って、本流量センサの出力を受ける装
置において、負の値の入力を受けるインターフェイス回
路は不要であり、また本流量センサ内に電圧加算回路を
付加する必要もない。

【００４７】差動増幅器３４より出力されたＶＭ１−Ｖ
Ｍ２は図５に示した増幅回路（演算増幅器３５等）によ
って所定の増幅がなされ、流量センサの出力Ｖｏは計測
流量範囲において０〜５Ｖとなっている。尚、本実施の
形態では、ＲＨ１＜ＲＨ２とするために上流側発熱抵抗
４は下流側発熱抵抗５に比べてパターン幅を大きく、パ
ターン長を短くしているが、パターン幅のみを大きくし
たり、パターン長のみを長くしても良い。

【００４８】実施の形態２．図２はこの発明の他の実施
の形態である流量検出素子１７Ｂの断面図と平面図を示
すもので、図における１〜１６は実施の形態１と同一の
ものである。この実施の形態では上流側発熱抵抗４と下
流側発熱抵抗５のパターンニングは同一であるが、白金
膜の厚さが図３の斜線部において増厚されており、０．
２３μｍとなっている。

【００４９】このように構成された流量検出素子１７Ｂ
を用いた場合の流量センサの動作は実施の形態１と同様
であるが、本実施の形態の場合、上流側発熱抵抗４とパ
ターンニングと下流側発熱抵抗５のパターンニングを同
一に構成できているために、上流と下流発熱抵抗５のパ
ターンニングの差による発熱部の温度分布の差が生じに
くい。したがって、発熱部の温度分布を均一にするとい
ったパターンニングの自由度が大きく、検出精度を高め
ることができる。

【００５０】実施の形態３．図３はこの発明の他の一実
施の形態である流量検出素子１７Ｃの断面図と平面図を
示すもので、図における１〜１６は実施の形態１と同一
のものである。この実施の形態では上流側発熱抵抗４と
下流側発熱抵抗５が構成された各々の発熱部の面積及
び、抵抗値は同一である。

【００５１】上流側及び下流側発熱抵抗４，５は図５に
示す制御回路によって平均温度が制御されているが、本
実施の形態では上流側発熱抵抗４の平均温度が下流側発
熱抵抗５の平均温度よりも高くなるようにブリッジの構
成抵抗を設定している。従ってΔＴ１＞ΔＴ２となって
いる。

【００５２】このように構成されている場合は、式
（１），（２）において、ＲＨ１＝ＲＨ２，Ａ１＞Ａ
２，Ｓ１＝Ｓ２，ＴＨ１＞ＴＨ２である。流量０のとき
はＴａ１≒Ｔａ２であるから、Ｈ１＞Ｈ２となり従って
ＶＭ１−ＶＭ２＞０となる。図１０は本実施の形態の流
量に対するＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性を示
す。

【００５３】流量約−４０ｇ／ｓ以上の流領域において
ＶＭ１−ＶＭ２は正の値で単調増加している。従って、
本流量センサの出力を受ける装置において、負の値の入
力を受けるインターフェイス回路は不要であり、また本
流量センサ内に電圧加算回路を付加する必要もない。

【００５４】ＶＭ１−ＶＭ２は図５に示した増幅回路に
よって所定の増幅がなされ、流量センサの出力Ｖｏは計
測流量範囲において例えば０〜５Ｖとなっている。

【００５５】さらに本実施の形態では、順方向流のと
き、上流側の発熱部から下流側の発熱部への気流による
熱伝達量が大きくなり、流量が増加したときの下流側発
熱抵抗５の加熱電流ＩＨ２の増加が抑制される。つま
り、式（２）においてＴａ２をより大きくすることがで
きる。従って上下流の加熱電流差を大きくとることがで
き、流量センサとしての順方向流に対する感度を上げる
ことができる。

【００５６】実施の形態４．図４はこの発明の別の一実
施の形態である流量検出素子１７Ｄの断面図と平面図を
示すもので、図における１〜１６は、上記実施の形態１
と同一のものである。この実施の形態では上流側発熱抵
抗４が構成された発熱部の面積Ｓ１のほうが、下流側発
熱抵抗５が構成された発熱部の面積Ｓ２よりも大きくな
っている。

【００５７】上流側および下流側発熱抵抗４，５は図５
に示す制御回路によって各々同一の平均温度に制御され
ている。このように構成されている場合は、式（１），
（２）において、 ＲＨ１＝ＲＨ２，Ａ１＞Ａ２，ＴＨ
１＝ＴＨ２である。流量０のときはＴａ１≒Ｔａ２であ
るから、Ｈ１＞Ｈ２となり従って ＶＭ１−ＶＭ２＞０
となる。

【００５８】図１１は本実施の形態の流量に対するＶＭ
１，ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性を示す。流量約−４
０ｇ／ｓ以上の流領域においてＶＭ１−ＶＭ２は正の値
で単調増加している。従って、本流量センサの出力を受
ける装置において、負の値の入力を受けるインターフェ
イス回路は不要であり、また本流量センサ内に電圧加算
回路を付加する必要もない。

【００５９】ＶＭ１−ＶＭ２は図５に示した増幅回路に
よって所定の増幅がなされ、流量センサの出力Ｖｏは計
測流量範囲において例えば０〜５Ｖとなっている。さら
に本実施の形態では、順方向流のとき、上流側の発熱部
から下流側の発熱部への気流による熱伝達量が大きくな
り、流量が増加したときの下流側発熱抵抗５の加熱電流
ＩＨ２の増加が抑制される。つまり、式（２）において
Ｔａ２をより大きくとることができる。従って上下流の
加熱電流差を大きくとることができ、流量センサとして
の順方向流に対する感度を上げることができる。

【００６０】尚、本実施の形態では上流側の発熱部の面
積を下流側の発熱部の面積より大きくするために、流れ
方向の幅を大きくしたが、流れに直交する方向に大きく
しても良い。

【００６１】実施の形態５．本実施の形態では図３に示
した流量検出素子１７Ｃを用い、図５の回路図において
加熱電流検出用の基準抵抗２４ａと２４ｂの抵抗値をＲ
Ｍ１＞ＲＭ２とし、またＴＨ１＝ＴＨ２となるようにブ
リッジ回路２３ａ，２３ｂの固定抵抗２７ａ，２７ｂ，
２８ａ，２８ｂの抵抗値が定められている。

【００６２】この場合は、式（１）（２）より、流量が
０のときはＨ１＝Ｈ２となり従って式（３）（４）より
ＶＭ１−ＶＭ２＞０となる。図１２は本実施の形態の流
量に対するＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性を示
す。

【００６３】本実施の形態の場合は、流量約−４０ｇ／
ｓ以上の流領域においてＶＭ１−ＶＭ２は正の値で単調
増加している。従って、本流量センサの出力を受ける装
置において、負の値の入力を受けるインターフェイス回
路は不要であり、また本流量センサ内に電圧加算回路を
付加する必要もない。ＶＭ１−ＶＭ２は図５に示した増
幅回路によって所定の増幅がなされ、流量センサの出力
Ｖｏは計測流量範囲において例えば０〜５Ｖとなってい
る。

【００６４】以上に述べた各実施の形態では、流量検出
素子１７Ａ〜１７Ｄに平板状の形状を持つものについて
説明したが、必ずしも平板状である必要はなく、例えば
単一の円筒形状で上流と下流に抵抗膜が形成されている
場合や、白金膜を着膜した円筒形状の素子や白金線を巻
き付けた円筒形状の素子を上下流に複数並べたように配
置した流量検出素子を用いても良い。また、発熱抵抗
４，５の発熱部の大きさも上記に限定されることはな
い。

【００６５】

【発明の効果】請求項１の発明に係る流量センサは、感
熱抵抗体が構成された複数の発熱部を、流体の上流から
下流に向けて配置されており、前記発熱部から流体への
熱伝達現象に基づいて流体の流量あるいは流速を計測す
る感熱式流量センサにおいて、前記複数の発熱部の温度
が前記流体の温度に対して各々所定の温度だけ昇温する
ように感熱抵抗体に流す加熱電流を制御する手段と、前
記複数の発熱部の内、上流側にある発熱部への加熱電流
と下流側にある発熱部への加熱電流の差を求める手段
と、この加熱電流の差に基づいて前記流体の流速あるい
は流量を検出する手段とを備え、流量が０のとき上流側
感熱抵抗体の加熱電流が下流側感熱抵抗体の加熱電流よ
りも大きくなるようにしたので、上流側にある感熱抵抗
体の加熱電流と下流側にある感熱抵抗体の加熱電流の差
を流量信号として用いれば逆流時から順流時にかけて常
に正の単調増加出力が得られ、流量センサ及びその出力
を受ける装置のインターフェイスを単純、安価に構成で
きるという効果がある。

【００６６】請求項２に係る流量センサは、上記発熱部
を構成する感熱抵抗体は、流体の上流側感熱抵抗体の抵
抗値を前記流体の下流側感熱抵抗体の抵抗値よりも小さ
くしたので、上下流で同一のジュール熱を発生させる場
合でも、上流側感熱抵抗体の加熱電流が下流側加熱電流
よりも大きくなり、上流側にある感熱抵抗体の加熱電流
と下流側にある感熱抵抗体の加熱電流の差を流量信号と
して用いれば逆流時から順流時にかけて常に正の単調増
加出力が得られ、流量センサ及びその出力を受ける装置
のインターフェイスを単純、安価に構成できるという効
果がある。

【００６７】請求項３に係る流量センサは、膜状に構成
された上流側感熱抵抗体の膜厚を、下流側感熱抵抗体の
膜厚より厚くしたので、上流側と下流側感熱抵抗体の形
状、配置を同一とした場合でも、上流側発熱抵抗と下流
側発熱抵抗のパターンニングの自由度を損なわずに上流
側感熱抵抗体の抵抗値を下流側感熱抵抗体の抵抗値より
も小さくできるため、温度分布や熱伝達の状況が上流と
下流で大きく異なることがなく容易に逆流時から順流時
にかけて常に正の単調増加出力が得られ、かつ精度の良
い流量センサが得られるという効果がある。

【００６８】請求項４に係る流量センサは、上流側感熱
抵抗体の平均温度が下流側感熱抵抗体の平均温度よりも
高くしたので、上下流の発熱部が同じ表面積であり、そ
こに構成された感熱抵抗体が同じ抵抗値である場合で
も、上流側感熱抵抗体のジュール熱が下流側感熱抵抗体
のジュール熱より大きくなり、従って上流側にある感熱
抵抗体の加熱電流と下流側にある感熱抵抗体の加熱電流
の差を流量信号として用いれば容易に逆流時から順流時
にかけて常に正の単調増加出力が得られ、流量センサ及
びその出力を受ける装置のインターフェイスを単純、安
価に構成できる。また順方向の検出感度を高めた流量セ
ンサが構成できるという効果がある。さらに加えて順方
向流においては、上流側の発熱部から下流側の発熱部へ
の気流による伝熱量が増すために上下流の感熱抵抗体の
加熱電流の差を大きくとることができ、感度を高めるこ
とができるという効果がある。

【００６９】請求項５に係る流量センサは、上流側の発
熱部の面積を下流側の発熱部の面積よりも大きくしたの
で、上流側感熱抵抗体のジュール熱が下流側感熱抵抗体
のジュール熱より大きくなり、従って上流側にある感熱
抵抗体の加熱電流と下流側にある感熱抵抗体の加熱電流
の差を流量信号として用いれば容易に逆流から順方向に
おいて正の単調増加出力が得られ、流量センサ及びその
出力を受ける装置のインターフェイスを単純、安価に構
成でき、また順方向の検出感度を高めた流量センサが構
成できる。さらに加えて順方向流においては、上流側の
発熱部から下流側の発熱部への気流による伝熱量が増す
ために上下流の感熱抵抗体の加熱電流の差を大きくとる
ことができ、感度を高めることができる。

【００７０】請求項６に係る流量センサは、前記上流側
感熱抵抗体に直列接続され、この感熱抵抗体に流れる加
熱電流を検出する第１の抵抗と、前記下流側感熱抵抗体
に直列接続され、この感熱抵抗体に流れる加熱電流を検
出する前記第１の抵抗より抵抗値が大きい第２の抵抗
と、前記第１の抵抗の両端電圧と前記第２の抵抗の両端
電圧の差から流体の流量あるいは流速を検出する手段と
を備え、流量が０のときにおいて前記第１の抵抗の両端
電圧の方が前記第２の抵抗の両端電圧よりも大きくなる
ようにしたので、上流側にある感熱抵抗体の加熱電流と
下流側にある感熱抵抗体の加熱電流の差を流量信号とし
て用いれば逆流時から順流時にかけて常に容易に正の単
調増加出力が得られ、流量センサ及びその出力を受ける
装置のインターフェイスを単純、安価に構成できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す流量検出素子
の断面図及び平面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２を示す流量検出素子
の断面図及び平面図である。

【図３】 この発明の実施の形態３と実施の形態５を示
す流量検出素子の断面図及び平面図である。

【図４】 この発明の実施の形態４を示す流量検出素子
の断面図及び平面図である。

【図５】 この発明の加熱電流制御回路及び計測流体の
流量及び流速検出回路を示す図である。

【図６】 この発明の一実施の形態を示す流量センサの
正面図である。

【図７】 この発明の一実施の形態を示す流量センサの
横断面図である。

【図８】 従来の流量検出特性図である。

【図９】 本発明の実施の形態１の流量検出特性図であ
る。

【図１０】 本発明の実施の形態２の流量検出特性図で
ある。

【図１１】 本発明の実施の形態３の流量検出特性図で
ある。

【図１２】 本発明の実施の形態４の流量検出特性図で
ある。

【図１３】 従来の流量検出素子の平面図である。

【図１４】 従来の流量センサの回路図である。

【符号の説明】

１ 平板状基材、２ 支持膜、３ 保護膜、４ 上流側
発熱抵抗、５ 下流側発熱抵抗、６ａ，６ｂ 温度補償
抵抗、１７Ａ〜１７Ｄ 流量検出素子、２３ａ，ｂ ブ
リッジ回路、２４ａ，ｂ 基準抵抗、２５ａ〜２８ａ，
２５ｂ〜２８ｂ固定抵抗、２９ａ，２９ｂ，３０ａ，３
０ｂ 差動増幅器、３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ
トランジスタ、３３ 電源、３４ 差動増幅器、３５，
３６，３７ 固定抵抗、３９ａ，３９ｂ 発熱抵抗。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感熱抵抗体で構成された複数の発熱部を
   流体の上流から下流に向けて配置し、前記発熱部から流
   体への熱伝達現象に基づいて流体の流量あるいは流速を
   計測する感熱式流量センサにおいて、 前記複数の発熱部の温度が前記流体の温度に対して各々
   所定の温度だけ昇温するように感熱抵抗体に流す加熱電
   流を制御する手段と、 前記複数の発熱部の内、上流側にある発熱部への加熱電
   流と下流側にある発熱部への加熱電流の差を求める手段
   と、 この加熱電流の差に基づいて前記流体の流速あるいは流
   量を検出する手段とを備え、流量が０のときに上流側感
   熱抵抗体の加熱電流が下流側感熱抵抗体の加熱電流より
   も大きくなるようにしたことを特徴とする流量センサ。
2. 【請求項２】 上記発熱部を構成する感熱抵抗体は、流
   体の上流側感熱抵抗体の抵抗値を前記流体の下流側感熱
   抵抗体の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項第
   １に記載の流量センサ
3. 【請求項３】 膜状に構成された上流側感熱抵抗体の膜
   厚を、下流側感熱抵抗体の膜厚より厚くしたことを特徴
   とする請求項第１項または第２項に記載の流量センサ。
4. 【請求項４】 上流側感熱抵抗体の平均温度が下流側感
   熱抵抗体の平均温度よりも高いことを特徴とする請求項
   第１項ないし第３項のいずれかに記載の流量センサ。
5. 【請求項５】 上流側の発熱部の面積は下流側の発熱部
   の面積よりも大きいことを特徴とする請求項第１項ない
   し第４項のいずれかに記載の流量センサ。
6. 【請求項６】 上流側感熱抵抗体に直列接続され、この
   感熱抵抗体に流れる加熱電流を検出する第１の抵抗と、 下流側感熱抵抗体に直列接続され、この感熱抵抗体に流
   れる加熱電流を検出する前記第１の抵抗より抵抗値が大
   きい第２の抵抗と、 前記第１の抵抗の両端電圧と前記第２の抵抗の両端電圧
   の差から流体の流量あるいは流速を検出する手段とを備
   えたことを特徴とする流量センサ。