JPS5975115A

JPS5975115A - 流量検出装置

Info

Publication number: JPS5975115A
Application number: JP18631982A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sato; 博佐藤; Mikio Bessho; 別所　三樹生
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1984-04-27
Also published as: JPH0336167B2

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】この発明は流動流体の流動量をダイヤフラムの受圧変形
量によって計測する、流量検出装置に関するものである
。

従来この種の装置として第１図に示すものがあった。図
に於て（１）はシリコン半導体より成るバルク状発熱体
、（２）はこの発熱体（１）に給電し支持をも兼ねる電
極リード、（３）は電極リード（２）を固持するトラン
ジスタ・パッケージに相当する支持体、（４）は取出し
リード、（５）はステンレススチール製の配管パイプ、
（６）はパイプ（５）の内部を通過する流体である鉱物
油の流れる方向を示す。（７）は差動ブリッジや増巾器
を含む検出回路、（８）は検出出力信号である。

次に動作について説明する。発熱（４，（１）−１の給
電電力をＰｉｎ発熱体（１）と鉱物油の間の熱伝達量を
Ｐｏｕｔとすると熱平衡状態に於てはＰｉｎ　＝　Ｐｏ
ｕｔ　＝　ｈ・Ａｓ・△Ｔが成立する。ここでｈは発熱
体（１）と鉱物油の間の熱伝達率、Ａｓは発熱体（１）
の表面積、△Ｔは発熱体（１）と鉱物油の間の温度差で
ある。一般にレイノルズ数Ｒｅが１く几ｅ　（２０００
の層流体条件下に於ては熱伝達率りはａ、ｈを定数とす
ると実験公式ｈ＝ｎ＋ｂ−Ｕ’・５で近似できる。ここ
でＶは流体の平均流速を意味している。発熱体（１）へ
の給電電力Ｐｉｎは発熱体（１）の抵抗をＲｓ　、　Ｑ
流をＩｓ　。

電圧をＶｓとすればＰｉｎ　＝　ｌ５２−　Ｒｓ　＝　
Ｖｓ２／］Ｒｓ　　で表わされる故８発熱体（１）の電
気的インピーダンスを検出回路（７）で計測することに
より、流速■或いは流ｆｆ１Ｑが検出出力信号（８）と
して得られる。発熱体（１）は０．７　Ｘ　Ｏ，７Ｘ　
Ｏ，１５−のシリコンチップでありＰを１０１５Ｃ＋＋
＋　　ドープしたＮ形の均質材料から成っている。支持
体（３）はＴＯ−４６）ランジスタ・パッケージを流用
しており、ステンレス・スチール製のパイプ（５）は０
７６７１径×３０個長あり１発熱体（１）は後方２５．
８ｆｆのところに設置されている。

従来の感熱形流量検出装置は以ｔのように構成されてい
るので、レイノルズ数が２０００〜８０００の。

流れが不安定となる層流から乱流への遷移領域を避けて
、レイノルズ数が２０００以下の条件下に設定するよう
になっており、熱伝達率としては低い値を、粒れとして
は層流状態を使わざるを得ない。

更に発熱体（１）となるシリコンチップが均質なバルク
状発熱体であるため、熱容量が大きく熱的平衡状態に達
するための熱的時定数も比較的大きなものになってしま
う。又９発熱体（１）がある程度の大きさを有し、電極
リード（２）と共に流れに撹乱を与える外的要素となっ
てしまうなど流量検出装置として応答性が低くなるばか
りか微少流量乃至は大流量に於て不定定な特性を有する
ものになってぃた。

この発明はＬ記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、流体の流速を増大させるための流
速増大手段と、一方の面がこの手段によって流速を増大
された流体の総圧を、他方の面がＬ記流体の静圧を受け
るように構成されＬ記流体の動圧によって受圧変形する
ダイヤフラノ・と、このダイヤフラムの歪を検出する手
段と、を記ダイヤフラムの周縁を支持しかつｔ記流体の
静圧を導入する手段を有した支持体とをＬ記流体が通過
する配管中に備えることにより、瞬時に流量計測の可能
な流量検出装置を提供することを目的としている。

以下この発明の一実施例を図について説明する。

第２図において、（９）は埋設されたＰ形シリコンの不
純物拡散層より成り歪検出手段である歪検出素子、００
は熱酸化等により形成せしめた８ｉ０２酸化膜より成る
絶縁層、αυは歪検出素子（９）が配置された中央部が
エツチングにより削られ薄くなったＮ形シリコン基板ま
り成る受圧ダイヤフラム、　（１］ｂ）はこのダイヤフ
ラム０υの周縁部、＠はアルミ電極層。

０３はボンディング・ワイヤー、０榎はボンディングポ
スト、ＯＱはガラス半田より成る接着剤層である。

流体の静圧を導入する手段である導入孔Ｉ２υを有した
シリコン基板より成る支持体（１６ａ）とはうけい酸ガ
ラスより成る支持体（４６ｂ）とで支持体が構成されて
いる。０７）はセラミック、合成樹脂等の一゛気的絶縁
材より成りボンディングポストｏ４を絶縁支持する絶縁
体、θ印はコバールより成るパッケージ、　ＯＱはハウ
ジング、翰は鉱物油などの流体の流速を増大せしめるた
めの流速増大手段であるノズルである。受圧ダイヤフラ
ム０（ト）は特にシリコンに限られるものではなく半導
体ピエゾ抵抗材料であればシリコンの池ＧｅやＩｎ５ｂ
　、　ＧａＡｓ等の化合物半導体でも良い。絶縁層ＯＱ
としては８ｉ０□の池Ｓｉ３Ｎ４．Ａｌ２Ｏ３など電気
的に絶縁性を有する材質であれば構わない。接着剤層（
＋７１には比較的低温で気密封着させろためシリコンと
熱膨張係数の近いＺｎＯ−Ｂ２０３−Ｖ２Ｏ。

系のガラス半田を採用しているがこのａＡｕ　−Ｓｉな
どの合金やエポキシ系、シリコン系等の合成樹脂接着剤
であっても良い。流量検出装置としての使用温度範囲や
適用される流体に応じて選択されるべきもので、不溶性
を有するなど適用されろ流体に対して化学的且つ物理的
に安定であることと広い使用温度範囲に対しては少なく
とも受圧ダイヤフラムαのと熱膨張率の近い耐熱性接着
剤である方が望ましい。支持体（１６Ｒ）　、　（ｔ６
ｂ）は残留熱応力とその温度依存性おら受圧ダイヤフラ
ム０υと熱膨張係数をそろえる必要があるが、熱膨張係
数の近いものであればシリコン材やはうけい酸ガラスに
限られるものではなく、ぞの池のガラス材、′ｆ２いは
コープイライト、ジルコン、リチアなどの磁器セラミッ
ク材であっても良い。流動流体として鉱物油を用いてい
るが特にこれに限定される訳ではなくガソリン、灯油等
の燃料油をはじめ水、空気。

都市ガス、Ｎ２等殆んどの流体に適用可能であり。

特に絶縁性流体に向いている。

非絶縁性流体にも電極＠（２）やボンディング・ワイヤ
ー０３．ボンディングポスト０→に絶縁膜を被覆処理す
ることによって充分適用可能である。

次に動作について説明する。鉱物油はノズル（ホ）で増
速され、噴流となって受圧ダイヤフラムαυに衝突する
。受圧ダイヤフラム０υの噴流と衝突せる面には鉱物油
の動圧と静圧の和である総圧が印加される。一方、受圧
ダイヤフラムαηの反対側の面には導入孔Ｑ］）を介し
て静圧が印加される。受圧ダイヤフラム０１）はρを密
度、Ｕを流速とすれば動圧１に’ＯＵ２に順じた変形を
することになる。この変形はフルブリッジ構成の歪検出
素子（９）のインピーダンスに変換されて差動増巾器を
通して増巾され検出出力信号となる。このような検出方
法は公知の半導体拡散膨圧力検出器に多く採用されてい
るものであり線形な変換特性を有しているので動圧量ｉ
ρＵ２を直接に計測することになる。従って。

流体の密度ｐが既知の場合はアナログ補正回路で平方処
理を施こすかψ変換器を通してマイクロプロセッサで平
方演算することにより流速Ｕから流量Ｑを求めることが
できる。流体の密度ρが未知の場合には別に密度検出器
を設は割算処理をしたのち平方をとることによって流量
を割り出すことができる。支持体（１６ａ）と（１６ｂ
）間で熱膨張係数が多少異なっているのでその分熱応力
を発生することになるが支持体（１６Ｂ　）で熱応力の
相当分が吸収されて受圧ダイヤフラムαηには殆んど影
響を及ぼさないようになっている。このように支持体（
１６ａ）は静圧の導入という役割だけでなく熱応力に基
づく温度依存性を改善する役割も果たしておりこの実施
例のように受圧ダイヤフラム０１）と同一材料にて構成
する意味は太きい。支持体（１６ａ）と支持体（１６ｂ
）間の接合面積を小さくすることで熱応力の全エネルギ
ー量を押さえるようにもなっている。

受圧ダイヤフラム０］）付近の流れはノズルに）によっ
てレイノルズ数８０００以七の乱流域に設定されており
測定流量範囲で常に乱流状態が保持され１−流と乱流の
遷移領域に入ることはなく安定した出力が得られる。鉱
物油（６）の流れは受圧ダイヤフラム０υに衝突した後
９０度曲げられ排出されるようになっており従来のもの
と比べはるかに小形、軽量という利点を有している。加
えて、噴流の衝突エネルギーや受圧ダイヤフラム０υ近
傍で発生する渦によってゴミその池の付着物がつき難く
特性に経時変化が少なく耐久性に優れているっ又、第２
図に示したように本検出器の取りつけ、交換は簡単であ
る。半導体材料を応用しているので量産性に優れており
安価で以ｔのまうに高性能なものが得られる。ここでは
Ｎ形シリコン基板について説明したがＰ形についても同
様に実現できる。

第８図はこの発明の池の実施例で、支持体（１６ｂ）が
１つの場合を示しており、支持体（１６ｂ）に導入孔Ｑ
υが穿孔されている。

第２図と比べて熱応力の影響が大きいが製作工程が減る
分だけ安価でＪ）りより小形なものを実現することがで
きる。このように導入孔Ｑηは受圧ダイヤフラム０ηの
裏面に静圧を導入する構造であればよく受圧ダイヤフラ
ムαつの一部に設けても良い。

第４図はこの発明の池の実施例で、歪検出素子（９）を
受圧ダイヤフラムαυｔに積層せる構成とし。

才だ、流体の静圧の導入口Ｑυを受圧ダイヤフラムαη
の中央部に比べ厚くなった周縁部（ｎｂ）に直接設けた
場合を示している。この場合、ダイヤフラムの周縁部（
１１ｈ）も支持体の一部と考えてよい。

歪検出素子（９）は公知の抵抗線歪ゲージ乃至半導体歪
ゲージである。受圧ダイヤフラム（ＩＩ）は膜体を構成
可能な弾性材料であるステンレススチールなどの金属材
やシリコンなどの半導体より構成される。００はこの受
圧ダイヤフラム０◇の全面或いは一部を被覆し電気的絶
縁材料より成る絶縁１−である。

絶縁層０１の材質としては金属酸化膜や耐熱性１躇分子
膜或イハ８４０　、８ｉＱ、　、　ＭｇＦ２．　ＣａＦ
２．　Ｚｎ８などの蒸着薄膜などである。

基本的には動作は第８．第４図と変わりはない。

半導体を使わない場合は温度依存性を小さくできるので
広い範囲で使用する場合や高温流体に対しては有利であ
る。歪検出素子（９）が直接流体に晒されるので絶縁層
ＯＱと同様の材料によってコーティング処理を歪検出素
子（９）　、　電極層（６）、ボンディング・ワイヤー
（至）、ボンディングポスト０４などに施すのが望まし
い。また静圧の導入口０１）を受圧ダイヤフラム０ηの
周縁部に直接設けたことにより製作工程が減り、製作し
やすくなる。

第５図はこの発明の池の実施例で、温度補償のための温
度検出素子（イ）を受圧ダイヤフラノ＝　（＋１＞に設
置した場合を示している。この温度検出素子（イ）はシ
リコン基板より成ろ受圧ダイヤフラムαυ内に構成され
た不純物拡散層であり、受圧ダイヤフラム０υの変形応
力を受けない様この受圧ダイヤフラノ・Ｏｐの周縁部に
配はされている。

一般に電気抵抗率は電荷を運ぶキャリア濃度とモヒリテ
ィの積にまって決定されるが、シリコンなどの半導体材
料では常温付近に於ても両者の温度による値の変化は大
きく、歪検出六子（９）の温度依存性が問題になること
が多い。例えば自動車用途のように広い温度範囲に於て
流量計測をしようという場合には、この実施例のまうに
別に温度補償用の素子を設けてやる必要がある。つまり
、歪検出素子（Ｑ）の電気的インピーダンス変化分のう
ち温度に止る項だけ取り除いてピエゾ効果に因づく変形
応力項だけを取り出すまうにしなければならない。この
実施例のように変形応力の印加されない部分に例えば感
温抵抗材料で構成された温度検出素子（イ）を配し、差
動増巾器筒？含む検出回路で増巾することにより、広い
温度範囲でも主催な測定ができる。また、このような温
度検出素子（イ）を形成するには、単にマスクパターン
が異なるぐらいで価格への影響も少なく容易に実現でき
る。なお、温度検出素子（イ）はシリコン材の不純物拡
散層。

サーミスタなどの！感温半導体等を用いて構成してもよ
い。

第６図はこの発明の他の実施例で、ノズル（２０ａ　）
。

（２０ｂ）　、受圧ダ（−？　７　ラＡ　（ｌｌ＆）、
（ｌｌｂ）　、　Ｎｉ検出素子（図示せず）、支持体（
１６ａ）　、　（ｘ６ｂ）等＋コ、Ｊ：　ッテ構成され
る流量検出装置が２細部列に配設された場合を示してい
る。また図示していないが、温度補償のための温度検出
手段も設けると望ましい。図において、＠はシール用の
Ｏリング、（ハ）は検出量ｆ洛を構成する電子部品を載
せるための回路基板、＠はノズル（２０ａ）　、　（２
０ｂ）より注入された鉱物油（６）を排出するための排
出孔、に）はボンディングポストＱ４を回路基板（ハ）
に固定し、電気的結線を施す為の半田剤である７図示し
たようにノズル（２０ａ）　、　（２ｏｂ）はパッケー
ジ（至）と一体となった構造となっており。

絞り径が違っている。排出孔（ハ）も同様にパッケージ
（至）に穿孔されたものであり、配管しは直列に配設さ
れ類似の構成を採った。２つの流量検出装置によって１
つの流量検出装置を構成している。この実施例に於ては
、ノズル（２０ａ　）とノズル（２ｏｂ）の絞り径が異
なっているので１例えば気泡の混入等の相状態の変化が
める場合の流量についても、Ｌ記２つの流量検出装置の
出力を比較してやることで求めることができる。即ち、
同一の動圧量計測原理には基づくものの異なった関数関
係にある複数個の流量検出装置を一体乃至はそれに近い
状態で直列或いは並列に配設することによって真の質量
流量計測を実現することができる。また一方の流量検出
部が破損せるような場合に於ても一応温度補正された流
量計測は可能であり１本発明の流量検出器がセンサとし
てのキーパーツとなるまうなシステムに於てもシステム
の動作を停止させることなく運用することが出来る。な
お、この実施例ではノズル（２０ａ）　、　（２０ｂ）
の絞り径を違えることによって、複数個の流量増大手段
によって発生する動圧量が各々流体の流速に対し異なる
関数関係にするようにしたが２例えば流速増大手段（イ
）と受圧ダイヤフラム０ηとの間隔が各々異なるように
する等池の方法によってもよい。

なお、を記実施例では流量増大手段としてノズル（イ）
を用いた場合を示したが、オリフィス、べνチュリ等で
もよい。

また２、ｌ：記実施例では支持体（１６ａ）　、　（ｔ
６ｂ）をシリコン基板やはうけい酸ガラスにより構成し
たが。

多孔質材で構成しても同様の効果を得ることができる。

また、ヒ記実施例では支持体（１６ａ）　、　（１６ｂ
）を一体構造としたが、複数個の支持体を幾可学的対称
となるように例えば同一円周ｔに配置してダイヤフラム
Ｑｌ）をそれらのｔに支持するようにしてもよい以上の
ように、この発明によれば流体の流速を増大させるため
の流速増大手段と、一方の面がこの手段によって流速を
増大された流体の総圧を。

他方の面がｈ記流体の静圧を受けるように構成されｔ記
流体の動圧によって受圧変形するダイヤプラムと、この
ダイヤプラムの歪を検出する手段と。

を記ダイヤフラムの周縁を支持しかつｔ記流体の静圧を
導入する手段を有した支持体とをｔ記流体が通過する配
管中に備えたので、極めて小形、軽量でしかも応答性の
優れた高性能な流量検出装置が安価にて得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の流量検出装置を一部切欠いて内部を示す
斜視図、第２図はこの発明の一実施例による流量検出装
置を示す断面図、第８図ないし第６図はこの発明の他の
実施例による流量検出装置を示す断面図である。図において、（９）は歪検出手段、αηはダイヤフラム
、　（１１ｂ）はダイヤフラＡ（７）周縁部、　　（ｌ
ｓａ）　、　（１６ｂ）　ｉ、を支持体、０＊は配管、
　ｅｌＪ　、　（２０ａ）、（２０ｂ）は流速増大手段
、Ｃ１）は流体の静圧を導入する手段、に）は温度検出
手段でゐろ。なお１図中同一行号は同一または相当部分を示すものと
する。第６図手続補正書２、発明の名称流量検出装置３、補正をする者事件との関係　　　特許出願人住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
名　称（６０１）　　　三菱電機株式会社代表者片山仁
八部４、代理人住　所　　　　　東京都千代１１区丸の内二丁口２番３
壮三菱電機株式会社内 ’　　＋］ｉ＋１゜２．パ″・　。５、補正の対象明細書の特許請求の範囲および発明の詳細な説明の欄６、補正の内容（１）明細書の特許請求の範囲を別紙のとおり訂正する
。（２）明細書第４頁第１２行の「層流体条件下」を「層
流条件下」に訂正する。（３）同第４頁第１４行の「ｈ＝ａ＋ｂ　−Ｕ　　Ｊを
「ｈ＝ａ＋ｂ−ＶＪに訂正する。（４）同第５頁第１２行の「粒れ」を「流れ」に訂正す
る。（５）同第５頁第２０行の「不定定」を「不安定」に訂
正する。（６）同第７頁第１４行の「Ｉｎ５ｂ」を「ＩｎＳｂ　
Ｊに訂正する。（７）同第８頁第８行の「おら」を「から」に訂正する
。（８）同第１４頁第２行の「正確」を「圧縮」に訂正す
る。（９）同第１６頁第１４行の「幾可学」を「幾何学」に
訂正する。７、　添付書類の目録補正後の特許請求の範囲を記載した書面１通以　　上特許請求の範囲（１）流体の流速を増大させるための流速増大手段と、
一方の面がこの手段によつ゛Ｃ流速を増大された流体の
総圧を、他方の面が上記流体の静圧を受けるように溝部
され上記流体の動圧によって受圧変形するダイヤフラム
と、このダイヤフラムの歪を検出する手段と、上記ダイ
ヤフラムの周縁を支持しかつ上記流体の静圧を導入する
手段を有した支持体とを上記流体が通過する配管中１こ
備えた流量検出装置。（２）受圧変形するダイヤフラムとして半導電性材料を
用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流
量検出装置。（３）受圧変形するダイヤフラムとしてシリコン材を用
いたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の流量
検出装置。（４）受圧変形するダイヤフラムをその中央部分が周縁
部分に比べ薄くなった構造としたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項ないし第８項の何れかに記載の流量検
出装置。（５）受圧変形するダイヤフラムをその中央部分が周縁
部分に比べ薄くな・つた構造とし、かつ上記ダイヤフラ
ムの周縁部分に静圧の導入孔を設けたことを特徴とする
特許請求の範囲第４項記載の流量検出装置。（６）支持体としてシリコン材を用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載の流量検出装置。（７）支持体として多孔質材料を用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項ないし第５項の何れかに記載の
流量検出装置。（８）ダイヤフラムの周縁を支持する支持体が、同一面
上で幾何学的対称になるよう１こ配設された複数個の支
持体より構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
１項ないし第６項の何れかに記載の流量検出装置。（９）温度補償のための温度を検出する手段を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないしは第８項の
何れかに記載の流量検出装置。（１０流体が通過する配管中に、流速増大手段と、ダイ
ヤフラムと、歪検出素子と、支持体よりなる流量検出装
置を複数個、流線方向に対して直列あるいは並列に配置
し、かつ上記複数個の流速増大手段によって発生する動
圧量が各々上記流体の流速に対して異なる関数関係にあ
ることを特徴とする流量検出装置。ｏ９温度補償のための温度を検出する手段を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の流量検出装
置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）流体の流速を増大させるための流速増大手段と、
一方の面がこの手段によって流速を増大された流体の総
圧を、他方の面がＬ記流体の静圧を受けるように構成さ
れＬ記流体の動圧によって受圧変形するダイヤフラムと
、このダイヤフラムの歪を検出する手段と、上記ダイヤ
フラムの周縁を支持しかつＬ記流体の静圧を導入する手
段を有した支持体とをｔ記流体が通過する配管中に備え
た流量検出装置。
（２）受圧変形するダイヤフラムとして半導電性材料を
用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流
量検出装置。
（３）受圧変形するダイヤフラムとしてシリコン材を用
いたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の流量
検出装置。
（４）受圧変形するダイヤフラムなその中央部分が周縁
部分に比べ薄くなった構造としたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項ないし第８項の何れかに記載の流量検
出装置ｋ　。
（５）受圧変形するダイヤフラムをその中央部分が周縁
部分に比べ薄くなった構造とし、かつｔ記ダイヤフラム
の周縁部分に静圧の導入孔を設けたことを特徴とする特
許請求の範囲第４項記載の流量検出装置。
（６）支持体としてシリコン材を用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載の流量検出装置。
（７）支持体として多孔質材料を用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項ないしは第５項の何れかに記載
の流量検出装置。
（８）ダイヤフラムの周縁を支持する支持体が、同一面
ｔで幾可学的対称になるように配設された複数個の支持
体より構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし始６項の何れかに記載の流量検出装置。
（９）温度補償のための温度を検出する手段を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないしは第８項の
何れかに記載の流量検出装置。００流体が通過する配管中に、流速増大手段と。ダイヤプラムと、歪検出素子と、支持体よりなる流量検
出装置を複数個、流線方向に対して直列あるいは並列に
配置し、かつｔ記複数個の流速増大手段によって発生す
る動圧量が各々Ｌ記流体の流速に対し異なる関数関係に
あることを特徴とする流量検出装置。０υ温度補償のための温度全検出する手段を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の流量検出装
置。