JP4271888B2

JP4271888B2 - 流速検出器

Info

Publication number: JP4271888B2
Application number: JP2001503488A
Authority: JP
Inventors: 信彦図師; 昭司上運天
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: KR20010103568A; WO2000077478A1; CN1209603C; US6536274B1; EP1124114A4; AU5246800A; KR100524021B1; EP1124114A1; CN1318147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出流体（例えば、空気）の流速を検出する流速検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の流速検出器として、２個のセンサとヒータ素子からなるダイアフラム型流速検出器が用いられている。図１３に、従来よりあるダイアフラム型流速検出器の概略断面構造を示す。また、図１２に、このダイアフラム部の平面図を示す。図１２と図１３において、１はシリコンチップ（基台）、１−１は基台１の上面に空間１−２を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部、２（２−１）はダイアフラム部１−１上に形成された金属薄膜の発熱体（ヒータ）、３Ｕ（３Ｕ０）および３Ｄ（３Ｄ０）はヒータ２の両側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体（温度センサ）、４はダイアフラムを貫通するスリットである。
【０００３】
ヒータ２や温度センサ３Ｕ，３Ｄは、例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層５により覆われている。ヒータ２および温度センサ３Ｕ，３Ｄは、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向Ａとほゞ垂直にして配置されている。
【０００４】
この流速検出器を用いた流速計測方法の原理を述べる。ヒータ２は、周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ３Ｕ，３Ｄは、定電流または定電圧で駆動される。このように駆動された状態において、被検出流体の流速が零の時には、温度センサ３Ｕ，３Ｄの温度は同一になり、温度センサ３Ｕ，３Ｄの抵抗値に差は生じない。被検出流体の流れがある時には、上流に位置する温度センサ（上流側温度センサ）３Ｕは、ヒータ２方向へ向かう被検出流体の流れにより熱が運び去れるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ（下流側温度センサ）３Ｄは、ヒータ２で加熱された被検出流体の流れによって熱せられる。この上流側と下流側の温度差の発生によって、上流側温度センサ３Ｕと下流側温度センサ３Ｄの抵抗値に差が生じる。この抵抗値の差を電圧値の差として検出することにより、上記流速検出器では、被検出流体の流速を求めるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述した従来の流速検出器では、例えば被検出流体の流速が２０ｍ／ｓ以上になると、温度センサ３Ｕ，３Ｄの温度が飽和してしまい、流速を検出することができなくなるという問題があった。図１１に、流速とセンサ出力との関係を示す。同図に示す特性Ｉが、従来の流速検出器の流速−センサ出力特性であり、２０ｍ／ｓ付近からセンサ出力が飽和しており、高流速の検出ができなくなる。これは、ヒータ２と温度センサ３Ｕ，３Ｄとの熱結合が低いことに起因している。
【０００６】
ヒータ２と温度センサ３Ｕ，３Ｄとの熱結合を高める構成として、本出願人は、特公平４−７４６７２号公報（先願１）や特公平６−６８４５１号公報（先願２）に示されているような流速センサを提案している。先願１では、ダイアフラム上にヒータと温度センサとを重ねて形成することによって熱結合を高め、高流速の検出を可能としている。先願２では、ダイアフラム上に並置されたヒータと温度センサとの上面を金属層で覆うことによって熱結合を高め、高流速の検出を可能としている。
【０００７】
しかしながら、先願１や先願２では、ヒータと温度センサとの熱結合を高めることによって高流速の検出が可能とはなるが、製造が難しく量産が困難であるという問題があった。
【０００８】
例えば先願１では、先ず第１工程で、ダイアフラムの表面にヒータのパターンを形成する。つぎに、形成したヒータの上に絶縁膜を形成し（第２工程）、さらに絶縁膜の上に温度センサのパターンを形成する（第３工程）。この場合、第１工程が終了した時点で、ミクロの視点で見れば、ダイアフラム平面にヒータのパターンが突出した形となっている。一般には、このような凹凸の面の上に、後工程でパターンを形成することは困難であり、このため量産を難しくする。また、上記第２工程で、ヒータと温度センサとの電気的絶縁の信頼性を確実に得ることが困難であり、量産化を難しくする。
【０００９】
また、先願１のようにヒータの上に温度センサを形成した場合や、先願２のようにヒータと温度センサの上面を金属層で覆った場合には、各々の膜の熱膨張の差異によって機械的歪みは生じる状態となっている。この機械的歪みは、温度センサの抵抗値に影響を及ぼすので（温度センサが歪みゲージのように働く）、流速検出値の誤差が大きくなってしまい、特に量産時には製品の特性ばらつきが大きくなり、量産化を難しくする。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、量産に困難をきたすことなく、発熱体と感熱抵抗体との熱的結合を高くし、高流速を検出することの可能な流速検出器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、基台と、この基台の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部に形成された発熱体と、この発熱体の両側に形成されて発熱体と熱結合する感熱抵抗体とを備えた流速検出器において、感熱抵抗体は、直線部とこの直線部に直交して連結された連結部とからなるクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、また被検出流体の流れ方向に対向位置するクランク形状の連結部の一側を発熱体の縁面に熱結合を高めるように近接させて、発熱体と重ならないように配置され、発熱体は、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、感熱抵抗体と重ならないように配置され、感熱抵抗体および発熱体は、これらの櫛歯形状の凹凸の少なくとも一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置され、発熱体の櫛歯形状の感熱抵抗体側へ食い込んだ凸部は、被検出流体の流れ方向へ幅広とされていることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る流速検出器を図を参照して説明する。
図１は、本発明の説明に入る前の流速検出器の参考例１を示す斜視図である。また、図２は、図１の流速検出器のダイアフラム部の中央部を被検出流体の流れ方向に沿って横方向から見た拡大断面図である。図１，図２において、図１２，図１３と同一符号は、同一構成要素を示し、この説明は省略する。
【００１３】
この参考例１では、上流側温度センサ３Ｕ１および下流側温度センサ３Ｄ１を、ヒータ２−１の両側に配置し、かつ各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１の櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向Ａとほゞ平行にして配置している。各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１は、櫛歯の輪郭をなぞったように、行きと帰りが平行なクランクを複数連ねてジグザグの状態にした形状となっている。以降では、このような形状を櫛歯形状と称する。したがって、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１は、クランク形状の対向配置された長い方の平行部分、すなわち櫛歯の延在方向が、被検出流体の流れの方向と平行となるように配置されている。また、クランク形状の互いに平行な長い部分は、各々が実質的に等長で、長い部分の端部に直交して隣り合う長い部分を連結する短い部分は、同一直線上にそろうように配置されている。言い換えると、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１は、櫛歯の連なり方向をピッチ方向とし、このピッチ方向が被検出流体の流れ方向と直交するように配置されている。
【００１４】
なお、図１における符号６は、基台１の端部に形成された周囲温度センサ（感熱抵抗体）である。また、ダイアフラム部１−１の下側には、図１３に示した従来の流速検出器と同様にして空間１−２が形成されている。上記各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１のパターン配置以外の構成（構造、材質、製造方法、信号処理方法）については、前述した特公平４−７４６７２号公報や特公平６−６８４５１号公報、特開昭６１−８８５３２号公報などに開示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。
【００１５】
この参考例１の流速検出器では、金属からなる各温度センサ３Ｕ，３Ｄの熱伝導率が、絶縁体からなるダイアフラム部１−１の熱伝導率よりも遙かに大きいので、伝熱状態は、各温度センサ３Ｕ，３Ｄのパターン形状によって大きく支配されることになる。したがって、ヒータ２−１からの熱は、櫛歯形状とされた各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１のクランク形状の連結部Ｊ（図３参照）を加熱し、さらに連結部Ｊのクランク形状に沿って直線部Ｓを被検出流体の流れ方向とほゞ平行な方向へと伝わって行く。このため、ヒータ２−１からの熱は、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１のヒータ２−１から遠い部分へも、効率的に熱が伝わるものとなる。このように、この参考例１の流速検出器では、ヒータ２−１と各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１との熱結合が高くなり、高流速を検出することが可能となる。ここで、ヒータ２−１と、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１のクランク形状の連結部Ｊとは、できるだけ近接して配置することが好ましい。
【００１６】
以上説明したように、この参考例１の流速検出器によれば、ヒータ２−１から各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１への熱供給量が増大し、両者の熱的結合が増大するので、被検出流体の流速が速くなっても、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１の温度が飽和しにくく、高流速を検出することが可能となる。なおこれは、特に上流側の温度センサ３Ｕ１の温度飽和対策に効果的である。また、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１への熱供給量が増大するので、この増大の分ヒータ２−１の消費電力は増加する。図１１に、特性ＩＩとしてこの場合の流速−センサ出力特性を示す。従来の特性Ｉでは、２０ｍ／ｓ付近からセンサ出力が飽和していたのに対し、この例による特性ＩＩでは、２０ｍ／ｓを越えても流速に応じてセンサ出力が変化しており、高流速の検出ができる様子が分かる。
【００１７】
なお、図１２に示した従来の各温度センサ３Ｕ０，３Ｄ０のパターン配置では、ヒータ２−１からの熱が、櫛歯形状とされた各温度センサ３Ｕ０，３Ｄ０のクランク形状の連結部Ｊからではなく、ヒータ２−１に近接した側の直線部Ｓを被検出流体の流れ方向とほゞ垂直な方向へと伝わって行き、ダイアフラム部１−１の流れと垂直方向端部に向かって熱が逃げて行き、各温度センサ３Ｕ０，３Ｄ０のヒータ２−１から遠い部分へ効率的に熱が伝わらない。これに対し、参考例１では、ヒータ２−１からの熱が、各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１のヒータ２−１から遠い部分へも効率的に伝わるので、ヒータ２−１と各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１との熱結合が高くなり、高流速を検出することが可能となる。
【００１８】
図４〜図１０にパターン配置の変形例を示す。図５では、ヒータ２−２を、ヒータ２−２の櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向Ａとほゞ平行にして、配置している。図６では、ヒータ２−３および各温度センサ３Ｕ３，３Ｄ３を、これらの櫛歯形状の凹凸の一部同士をグループ化し、互いに食い込み合わせるようにして配置している。
【００１９】
図７は、本発明に係る流速検出器の一実施の形態を示し、ヒータ２−４および各温度センサ３Ｕ３，３Ｄ３を、これらの櫛歯形状の凹凸の一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置する一方、ヒータ２−４の櫛歯形状の各温度センサ３Ｕ３，３Ｄ３へ食い込んだ凸部２−４ａを、被検出流体の流れ方向へ幅広とし、ヒータ２−４の抵抗値があまり大きくならないようにしている。ヒータ抵抗が大きくなりすぎると、駆動電圧を高くしないと必要な電流が流れなくなるので、図７では、上述した構成としている。
【００２０】
図８では、各温度センサ３Ｕ４，３Ｄ４の３方を囲むように、ヒータ２−５の一部を延長して設けている。図９では、各温度センサ３Ｕ４，３Ｄ４の４方を囲むように、ヒータ２−６の一部を延長して設けている。図１０では、各温度センサ３Ｕ５，３Ｄ５の３方を囲むようにヒータ２−５の一部を延長して設けると共に、各温度センサ３Ｕ５，３Ｄ５からの信号の導出部をヒータ２−５から最も遠い位置に設けている（Ｌ１＝Ｌ２）。
【００２１】
なお、図４〜図６においても、各温度センサ３Ｕ，３Ｄからの信号導出部をヒータ２から最も遠い位置に設けている。このように、各温度センサ３Ｕ，３Ｄからの信号導出部をヒータ２から最も遠い位置に設けることで、各温度センサ３Ｕ，３Ｄの信号導出部を通してダイアフラム部１−１の外側の基台１へ逃げて行く熱の量を極力減らすようにしている。熱伝導率により移動する熱量は温度差に比例するため、各温度センサ３Ｕ，３Ｄの信号導出部は、ヒータ２に近い高温部とほゞ周囲温度である基台１をつなぐよりも、ヒータ２から離れたより温度の低い部分と基台１をつないだ方が、温度差が小さく熱の逃げを少なくすることができる。
【００２２】
図５のようなパターン配置とすることにより、先に説明した各温度センサ３Ｕ１，３Ｄ１と同じ原理で、ヒータ２−２からの伝熱効率が高まり、ヒータ２−２と各温度センサ３Ｕ２，３Ｄ２との熱結合が高められる。
【００２３】
図６〜図１０のようなパターン配置とすることにより、ヒータ２と各温度センサ３Ｕ，３Ｄとが近接する面積が増大し、ヒータ２から各温度センサ３Ｕ，３Ｄへの伝熱効率が高まり、ヒータ２と各温度センサ３Ｕ，３Ｄとの熱結合が高められる。
【００２４】
参考として、図６のパターン配置とした場合の流速−センサ出力特性を図１１に特性ＩＩＩとして、図９のパターン配置とした場合の流速−センサ出力特性を図１１に特性ＩＶとして示す。図１１のように、特性ＩＩよりも特性ＩＩＩが、特性ＩＩＩよりも特性ＩＶが高流速での感度（グラフの傾き）が大きくなっている。
【００２５】
なお、図３〜図１０では、各温度センサ３Ｕ，３Ｄのパターン幅をヒータ２のパターン幅よりも狭くしているが、両者のパターン幅を同じとしたり、また、ヒータ２のパターン幅を各温度センサ３Ｕ，３Ｄのパターン幅よりも狭くする構成としてもよい。前述した例においては、ヒータ２のパターン幅は、各温度センサ３Ｕ，３Ｄよりも多くの電流が流れるため信頼性上広くし、各温度センサ３Ｕ，３Ｄのパターン幅は、感度アップのためできるだけ抵抗値を大きくするため狭くしている。また、図１〜図１０のすべての例において、ヒータ２と各温度センサ３Ｕ，３Ｄは、できるだけ近接して配置することが好ましい。
【００２６】
高流速の検出のためには、各温度センサ３Ｕ，３Ｄの厚みを厚くし、伝熱効率を上げるとともに熱容量を大きくした方が良いと考えられるが、厚みを厚くすることで消費電力が大きくなり、応答速度も遅くなってしまう。これに対し、図１〜図１０に示した例によれば、各温度センサ３Ｕ，３Ｄの厚みを厚くすることなく伝熱効率を上げることができるので、消費電力が必要以上に大きくならず、応答速度も遅くなってしまうことがない。また、図１〜図１０に示した例によれば、各温度センサ３Ｕ，３Ｄあるいは各温度センサ３Ｕ，３Ｄおよびヒータ２のパターン配置を変えるだけなので、量産化に困難をきたすことがない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、感熱抵抗体を、直線部とこの直線部に直交して連結された連結部とからなるクランク形状を連ねた櫛歯形状とし、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、また被検出流体の流れ方向に対向位置するクランク形状の連結部の一側を発熱体の縁面に熱結合を高めるように近接させて、発熱体と重ならないように配置し、発熱体を、複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とし、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、感熱抵抗体と重ならないように配置し、感熱抵抗体および発熱体を、これらの櫛歯形状の凹凸の少なくとも一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置し、発熱体の櫛歯形状の感熱抵抗体側へ食い込んだ凸部を被検出流体の流れ方向へ幅広としたので、量産に困難をきたすことなく、発熱体と感熱抵抗体との熱的結合を高くし、高流速を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の説明に入る前の流速検出器の参考例１を示す斜視図である。
【図２】この流速検出器のダイアフラム部の中央部を被検出流体の流れ方向に沿って横方向から見た拡大断面図である。
【図３】この流速検出器のダイアフラム部の平面図である。
【図４】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図５】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図６】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図７】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例（本発明に係る流速検出器の一実施の形態）を示す図である。
【図８】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図９】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図１０】この流速検出器のダイアフラム部上での温度センサおよびヒータのパターン配置の変形例を示す図である。
【図１１】従来および本発明に係る流速検出器の流速−センサ出力特性を比較して示す図である。
【図１２】従来の流速検出器のダイアフラム部の平面図である。
【図１３】従来の流速検出器の概略断面構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
１…基台、１−１…ダイアフラム部、１−２…空間、２（２−１〜２−６）…ヒータ、３Ｕ（３Ｕ０〜３Ｕ５）…温度センサ（上流側温度センサ）、３Ｄ（３Ｄ０〜３Ｄ５）…温度センサ（下流側温度センサ）、４…スリット、５…絶縁層、６…周囲温度センサ、Ｊ…連結部、Ｓ…直線部。

Claims

基台と、この基台の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部に形成された発熱体と、この発熱体の両側に形成されて前記発熱体と熱結合する感熱抵抗体とを備えた流速検出器において、
前記感熱抵抗体は、
直線部とこの直線部に直交して連結された連結部とからなるクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、また被検出流体の流れ方向に対向位置する前記クランク形状の連結部の一側を前記発熱体の縁面に熱結合を高めるように近接させて、前記発熱体と重ならないように配置され、
前記発熱体は、
複数のクランク形状を連ねた櫛歯形状とされ、この櫛歯形状の凹凸方向を被検出流体の流れ方向とほゞ平行にして、前記感熱抵抗体と重ならないように配置され、
前記感熱抵抗体および前記発熱体は、
これらの櫛歯形状の凹凸の少なくとも一部同士を互いに食い込み合わせるようにして配置され、
前記発熱体の櫛歯形状の前記感熱抵抗体側へ食い込んだ凸部は、前記被検出流体の流れ方向へ幅広とされている
ことを特徴とする流速検出器。