JP3658170B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、感熱抵抗体（以下、「感熱抵抗」ともいう）で構成された複数の発熱抵抗体（以下、「発熱抵抗」ともいう）を流体の上流から下流に向けて配置し、これら発熱抵抗体（あるいは発熱抵抗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からなる流量センサに関し、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に関するものである。
【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，３９ｂ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１４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，４４ｂ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】
上流側および下流側発熱抵抗３９ａ，３９ｂにおける温度が、温度補償抵抗４１ａ，４１ｂで計測された吸気温度よりも１００℃高い温度になるように、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における温度が、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Ｖａ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Ｖｂ＞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Ｖａ−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−Ｖｂの値に所定のバイアスＶｏｂを加え、Ｖａ−Ｖｂ＋Ｖｏｂ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、感熱抵抗で構成された複数の発熱抵抗体を流体の上流から下流に向けて配置し、発熱抵抗体から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流量を計測する感熱式流量センサにおいて、複数の発熱抵抗体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体に流す加熱電流を制御する手段と、複数の発熱抵抗体のうち、流体の上流側にある上流側発熱抵抗体への加熱電流と流体の下流側にある下流側発熱抵抗体への加熱電流との加熱電流差を求める手段と、加熱電流差に基づいて流体の流量を検出する手段とを備え、流体の流量が０のときに上流側発熱抵抗体の加熱電流が下流側発熱抵抗体の加熱電流よりも大きくなるようにして、加熱電流差が所定の計測流量範囲における流体の逆流時において正の値をとるように構成したものである。
【００１９】
請求項２に係る流量センサは、上流側発熱抵抗体の抵抗値が下流側発熱抵抗体の抵抗値よりも小さく設定されたものである。
【００２０】
請求項３に係る流量センサは、発熱抵抗体が膜状に構成され、上流側発熱抵抗体の膜厚が、下流側発熱抵抗体の膜厚よりも厚く設定されたものである。
【００２１】
請求項４に係る流量センサは、上流側発熱抵抗体の平均温度が下流側発熱抵抗体の平均温度よりも高く設定されたものである。
【００２２】
請求項５に係る流量センサは、上流側発熱抵抗体の面積が下流側発熱抵抗体の面積よりも大きく設定されたものである。
【００２３】
請求項６に係る流量センサによる流体の流量を検出する手段は、上流側感熱抵抗体に直列接続され、上流側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、下流側感熱抵抗体に流れる加熱電流を検出する第１の抵抗よりも抵抗値が小さい第２の抵抗とを含み、第１の抵抗の両端電圧と第２の抵抗の両端電圧との電圧差から流体の流量を検出するものである。
【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×０．４ｍｍ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２３ａ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２９ａ、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３１ａ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における温度が、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、また、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２３ｂ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３０ｂ、ベースに差動増幅器３０ｂベースに差動増幅器３４ｂ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６ｂ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における温度が、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、また、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ＶＭ１，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
ΔＴ１：発熱抵抗４の昇温値
ＴＨ２：発熱抵抗５の平均温度
ＴＨ２＝Ｔａ＋ΔＴ２
ΔＴ２：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５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】
上記式（１），（２）において、Ａ１＝Ａ２，Ｓ１＝Ｓ２，ＴＨ１＝ＴＨ２であり、また、流量０のときはＴａ１≒Ｔａ２となるので、
ＩＨ１ ² ・ＲＨ１＝ＩＨ２ ² ・ＲＨ２
となる。ここで、ＲＨ１＜ＲＨ２なので、ＩＨ１＞ＩＨ２となり、従って、上記式（３），（４）より、ＶＭ１＞ＶＭ２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−ＶＭ２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２内の下段断面図（上流側発熱抵抗４が下流側発熱抵抗５よりも高くなっている）のように増厚されており、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のパターンニングと下流側発熱抵抗５のパターンニングとが同一に構成されているために、上流と下流発熱抵抗４，５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＞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。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，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。
【００５８】
図１１は本実施の形態の流量に対するＶＭ１，ＶＭ２，ＶＭ１−ＶＭ２の特性を示す。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。
【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ＲＭ１＞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、感熱抵抗で構成された複数の発熱抵抗体を流体の上流から下流に向けて配置し、発熱抵抗体から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流量を計測する感熱式流量センサにおいて、複数の発熱抵抗体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体に流す加熱電流を制御する手段と、複数の発熱抵抗体のうち、流体の上流側にある上流側発熱抵抗体への加熱電流と流体の下流側にある下流側発熱抵抗体への加熱電流との加熱電流差を求める手段と、加熱電流差に基づいて流体の流量を検出する手段とを備え、流体の流量が０のときに上流側発熱抵抗体の加熱電流が下流側発熱抵抗体の加熱電流よりも大きくなるようにして、加熱電流差が所定の計測流量範囲における流体の逆流時において正の値をとるように構成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、上流側発熱抵抗体の抵抗値が下流側発熱抵抗体の抵抗値よりも小さく設定されたので、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、発熱抵抗体が膜状に構成され、上流側発熱抵抗体の膜厚が、下流側発熱抵抗体の膜厚よりも厚く設定されたので、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、上流側発熱抵抗体の平均温度が下流側発熱抵抗体の平均温度よりも高く設定されたので、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、上流側発熱抵抗体の面積が下流側発熱抵抗体の面積よりも大きく設定されたので、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に係る流量センサによる流体の流量を検出する手段は、上流側感熱抵抗体に直列接続され、上流側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、下流側感熱抵抗体に流れる加熱電流を検出する第１の抵抗よりも抵抗値が小さい第２の抵抗とを含み、第１の抵抗の両端電圧と第２の抵抗の両端電圧との電圧差から流体の流量を検出するので、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，３０ｂ 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)

1. 感熱抵抗で構成された複数の発熱抵抗体を流体の上流から下流に向けて配置し、前記発熱抵抗体から前記流体への熱伝達現象に基づいて前記流体の流量を計測する感熱式流量センサにおいて、
   前記複数の発熱抵抗体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前記発熱抵抗体に流す加熱電流を制御する手段と、
   前記複数の発熱抵抗体のうち、前記流体の上流側にある上流側発熱抵抗体への加熱電流と前記流体の下流側にある下流側発熱抵抗体への加熱電流との加熱電流差を求める手段と、
   前記加熱電流差に基づいて前記流体の流量を検出する手段とを備え、
   前記流体の流量が０のときに前記上流側発熱抵抗体の加熱電流が前記下流側発熱抵抗体の加熱電流よりも大きくなるようにして、前記加熱電流差が所定の計測流量範囲における前記流体の逆流時において正の値をとるように構成したことを特徴とする流量センサ。
2. 前記上流側発熱抵抗体の抵抗値が前記下流側発熱抵抗体の抵抗値よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１に記載の流量センサ
3. 前記発熱抵抗体は、膜状に構成され、前記上流側発熱抵抗体の膜厚が、前記下流側発熱抵抗体の膜厚よりも厚く設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流量センサ。
4. 前記上流側発熱抵抗体の平均温度が前記下流側発熱抵抗体の平均温度よりも高く設定されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の流量センサ。
5. 前記上流側発熱抵抗体の面積が前記下流側発熱抵抗体の面積よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の流量センサ。
6. 前記流体の流量を検出する手段は、
   前記上流側感熱抵抗体に直列接続され、前記上流側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、前記下流側感熱抵抗体に流れる加熱電流を検出する前記第１の抵抗よりも抵抗値が小さい第２の抵抗とを含み、
   前記第１の抵抗の両端電圧と前記第２の抵抗の両端電圧との電圧差から前記流体の流量を検出することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の流量センサ。

Images