JPH11118566A

JPH11118566A - 流量センサー

Info

Publication number: JPH11118566A
Application number: JP9281627A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamagishi; 喜代志山岸; Toshiaki Kawanishi; 川西　　利明; Kenji Tomonari; 健二友成
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Kinzoku Co Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】熱式流量センサーの発熱体周囲の温度が過度
に上昇するのを防止し、流量センサーの経時劣化及び可
燃性の被検知流体の着火爆発を防止する。【解決手段】発熱体１１２とその発熱の影響を受ける
よう配置された流量検知用感温体１０４−１とを有し、
発熱体１１２からの熱が被検知流体に伝達され吸熱され
るよう被検知流体流通経路が形成されている。流量検知
用感温体１０４−１と温度補償用感温体１０４−２とを
含んでブリッジ回路１０４が形成され、その出力が差動
増幅回路１０６及び積分回路１０を経てトランジスター
１１０のベースに入力され、トランジスター１１０に電
源から供給される電流が制御される。この電流即ち発熱
体１１２に供給される電流は、感温体１０４−１の感温
結果即ちブリッジ回路１０４の出力が目標と一致するよ
うに、制御される。この発熱体１１２に印加される電圧
により被検知流体の流量を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体流量検知技術
に属するものであり、特に、熱式流量センサーに関す
る。本発明の流量センサーは特に温度の異常な上昇を避
けることが要求される可燃性流体の流量測定に好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
各種流体特に液体の流量（あるいは流速）を測定する流
量センサー（あるいは流速センサー）としては、種々の
形式のものが使用されているが、低価格化が容易である
という理由で、いわゆる熱式（特に傍熱型）の流量セン
サーが利用されている。

【０００３】この傍熱型流量センサーとしては、基板上
に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁
層を介して積層し、基板を配管に取付けたものが使用さ
れている。発熱体に通電することにより感温体を加熱
し、該感温体の電気的特性例えば電気抵抗の値を変化さ
せる。この電気抵抗値の変化（感温体の温度上昇に基づ
く）は、配管内を流れる流体の流量（流速）に応じて変
化する。これは、発熱体の発熱量のうちの一部が基板を
経て流体中へと伝達され、この流体中へ拡散する熱量は
流体の流量（流速）に応じて変化し、これに応じて感温
体へと供給される熱量が変化して、該感温体の電気抵抗
値が変化するからである。この感温体の電気抵抗値の変
化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記感
温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補
償用の感温素子を組み込んでおき、流体の温度による流
量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われて
いる。

【０００４】このような、薄膜素子を用いた傍熱型流量
センサーに関しては、例えば、特開平８−１４６０２６
号公報に記載がある。

【０００５】ところで、従来の傍熱型の流量センサーで
は、発熱体に対して一定の電圧を印加し所定の発熱量を
得て、その発熱量のうち流体流量に応じて一部を該流体
に吸熱させた残りの一部を感温体に伝達している。この
ため、発熱体周囲の温度は流体流量によって変化し、流
体流量が大きい場合には温度上昇は小さい、流体流量が
低い場合には温度上昇が大きい。

【０００６】ここで、問題となるのは、何らかの原因で
流体特に液体がなくなった場合である。この場合には、
流体による吸熱がなくなるので、感温体の温度が急激に
上昇し、流量センサーの経時劣化の原因となる。

【０００７】また、流体が灯油その他の可燃性及び揮発
性の流体である場合には、以上のような急激な温度上昇
の際あるいはその後に流体が供給される際に、該流体が
気化し、ここに万一空気などが混入した場合には着火爆
発が生ずるおそれがある。

【０００８】そこで、本発明の目的は、熱式流量センサ
ーの発熱体周囲の温度が過度に上昇するのを防止し、こ
れにより流量センサーの経時劣化及び可燃性の被検知流
体の着火爆発を防止することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、以上の
如き目的を達成するものとして、発熱体と該発熱体の発
熱の影響を受けるように配置された流量検知用感温体と
を有しており、前記発熱体からの熱が被検知流体に伝達
され吸熱されるように該被検知流体のための流通経路が
形成されており、前記発熱体の発熱に基づき前記被検知
流体による吸熱の影響を受けた感温が前記流量検知用感
温体において実行され、前記発熱体に電流を供給する経
路に前記発熱体の発熱を制御する発熱制御手段が接続さ
れており、該発熱制御手段は前記感温の結果が目標と一
致するように該感温の結果に基づき前記発熱体へ供給す
る電流を制御し、前記発熱制御手段による制御状態に基
づき前記被検知流体の流量を検知することを特徴とする
流量センサー、が提供される。

【００１０】本発明の一態様においては、前記流量検知
用感温体を用いてブリッジ回路が形成されており、該ブ
リッジ回路から前記感温の結果を示す出力が得られ、こ
の出力に基づき前記発熱制御手段が制御される。

【００１１】本発明の一態様においては、前記ブリッジ
回路は前記被検知流体の温度補償のための温度補償用感
温体を含む。

【００１２】本発明の一態様においては、前記発熱制御
手段は可変抵抗体である。

【００１３】本発明の一態様においては、前記可変抵抗
体としてトランジスターが用いられており、該トランジ
スターの制御入力に前記感温の結果を示す出力に基づく
信号が用いられる。

【００１４】本発明の一態様においては、前記発熱制御
手段による制御状態を示すものとして前記発熱体に印加
される電圧を用いる。

【００１５】本発明の一態様においては、前記感温の結
果を示す出力が応答性設定手段を介して前記発熱制御手
段に入力される。

【００１６】本発明の一態様においては、前記応答性設
定手段は差動増幅回路とその出力が入力される積分回路
とを含んでいる。

【００１７】本発明の一態様においては、前記感温の結
果を示す出力が積分回路を経て前記発熱制御手段に入力
される。

【００１８】本発明の一態様においては、前記積分回路
の前段に差動増幅回路が接続されている。

【００１９】本発明の一態様においては、前記発熱体及
び前記流量検知用感温体はいずれも薄膜からなり、これ
ら発熱体及び流量検知用感温体は基板上にて絶縁層を介
して積層されている。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら説明する。

【００２１】図１は本発明による流量センサーの一実施
形態を示す回路構成図である。供給電源は、例えば＋１
５Ｖ（±１０％）であり、定電圧回路１０２に供給され
る。該定電圧回路１０２は、例えば＋６Ｖ（±３％）で
出力０．１Ｗであり、その出力はブリッジ回路１０４に
供給される。ブリッジ回路１０４は流量検知用感温体１
０４−１と温度補償用感温体１０４−２と可変抵抗１０
４−３，１０４−４とを含んでなる。

【００２２】ブリッジ回路１０４のａ，ｂ点の電圧が差
動増幅回路１０６に入力される。該差動増幅回路１０６
は可変抵抗１０６ａにより増幅率可変とされている。差
動増幅回路１０６の出力は積分回路１０８に入力され
る。これら増幅率可変の差動増幅回路１０６と積分回路
１０８とが、後述のように応答性設定手段として機能す
る。

【００２３】一方、上記供給電源は、ＮＰＮトランジス
ター１１０のコレクタに接続されており、該トランジス
ター１１０のエミッタは発熱体１１２に接続されてい
る。また、トランジスター１１０のベースには、上記積
分回路１０８の出力が入力される。即ち、供給電源はト
ランジスター１１０を経て発熱体１１２へと電流を供給
し、該発熱体１１２にかかる電圧はトランジスター１１
０の分圧により制御される。そして、トランジスター１
１０の分圧は、抵抗を介してベースへと入力される積分
回路１０８の出力の電流により制御され、トランジスタ
ー１１０は可変抵抗体として機能し、発熱体１１２の発
熱を制御する発熱制御手段として機能する。

【００２４】図４は本実施形態の流量センサーの構造部
分を示す一部切欠平面図であり、図２及び図３はそれぞ
れその一部切欠側面図及び断面図である。

【００２５】これらの図において、２はケーシング本体
部であり、該ケーシング本体部を貫通して被検知流体の
流通経路となる管路４が形成されている。該管路４はケ
ーシング本体部２の両端まで延びている。該ケーシング
本体部の両端において、外部配管と接続するための接続
部６ａ，６ｂが形成されている。ケーシング２には、管
路４の上方に素子収容部が形成されており、該収容部に
はケーシング蓋体部８がネジにより固定されている。該
ケーシング蓋体部８と上記ケーシング本体部２とにより
ケーシングが構成されている。

【００２６】上記ケーシング内には、流量検知部１２が
配置されている。該流量検知部１２は、図５に示されて
いる様に、基板１２−１の上面（第１面）上に絶縁層１
２−２を形成し、その上に薄膜発熱体１２−３を形成
し、その上に該薄膜発熱体のための１対の電極層１２−
４，１２−５を形成し、その上に絶縁層１２−６を形成
し、その上に流量検知用薄膜感温体１２−７を形成し、
その上に絶縁層１２−８を形成したチップ状のものから
なる。基板１２−１としては例えば厚さ０．５ｍｍ程度
で大きさ２〜３ｍｍ角程度のシリコンやアルミナなどか
らなるものを用いることができ（アルミナなどの絶縁基
板を用いる場合には、絶縁層１２−２を省略することが
できる）、薄膜発熱体１２−３としては膜厚１μｍ程度
で所望形状にパターニングしたサーメットからなるもの
を用いることができ、電極層１２−４，１２−５として
は膜厚０．５μｍ程度のニッケルからなるもの又はこれ
に膜厚０．１μｍ程度の金を積層したものを用いること
ができ、絶縁層１２−２，１２−６，１２−８としては
膜厚１μｍ程度のＳｉＯ₂ からなるものを用いることが
でき、薄膜感温体１２−７としては膜厚０．５〜１μｍ
程度で所望形状例えば蛇行形状にパターニングした白金
やニッケルなどの温度係数が大きく安定な金属抵抗膜を
用いることができる（あるいは酸化マンガン系のＮＴＣ
サーミスターからなるものを用いることもできる）。こ
のように、薄膜発熱体１２−３と薄膜感温体１２−７と
が薄膜絶縁層１２−６を介して極く近接して配置されて
いることにより、薄膜感温体１２−７は薄膜発熱体１２
−３の発熱の影響を直ちに受けることになる。

【００２７】図２及び図３に示されているように、流量
検知部１２の下面すなわち基板１２−１の下面（第２
面）には、熱伝達用部材としてのフィンプレート１４が
熱伝導性良好な接合材１６により接合されている。フィ
ンプレート１４としては例えば銅、ジュラルミン、銅−
タングステン合金からなるものを用いることができ、接
合材１６としては例えば銀ペーストを用いることができ
る。尚、ケーシング本体部２には、上記流量検知部１２
が配置されている位置において、フィンプレート１４が
通過する開口が形成されており、該開口内にはフィンプ
レート１４を挿入した状態でシール用のガラスが充填さ
れ、ガラスシール１８が形成されている。

【００２８】フィンプレート１４は、中央でほぼ直角に
曲っており、上部水平部分が流量検知部１２に接合され
ており、下部垂直部分が管路４内へと延びている。該フ
ィンプレート１４は、ほぼ円形の断面を持つ管路４内に
おいて、その断面内の中央を通って上部から下部へと該
管路４を横切って延在している。但し、管路４は必ずし
も断面が円形である必要はなく、適宜の断面形状が可能
である。管路４内において、上記フィンプレート１４の
管路方向の寸法Ｌ₁ は該フィンプレート１４の厚さＬ₂
より十分大きい。このため、フィンプレート１４は、管
路４内における流体の流通に大きな影響を与えることな
しに、流量検知部１２と流体との間の熱伝達を良好に行
うことが可能である。

【００２９】上記ケーシング内には、流量検知部１２か
ら管路４に沿って隔てられた位置において、流体温度検
知部２２が配置されている。該温度検知部２２は、上記
流量検知部１２と同様な基板上に、同様な薄膜感温体
（上記図１の温度補償用感温体１０４−２に相当する）
を形成したチップ状のものからなる。また、温度検知部
２２はケーシング本体部２の管路４の真上において熱伝
達向上のために肉薄となした部分に、熱伝導性良好な接
合材を介して接合されている。流体温度検知部２２は、
管路４内の流体流通方向に関して上流側に配置するのが
好ましい。

【００３０】尚、以上のような流量検知部１２及び温度
検知部２２を覆うようにして、それぞれ樹脂被覆２０，
２４が形成されている。図４においては、これらの樹脂
被覆は図示を省略されている。

【００３１】上記ケーシング内には、流量検知部１２及
び温度検知部２２以外の部分において、配線基板２６が
固定配置されている。該配線基板２６の電極のうちのい
くつかは、上記流量検知部１２の電極とボンディングワ
イヤ２８により電気的に接続されており、同様に上記温
度検知部２２の電極とボンディングワイヤにより電気的
に接続されている。これらボンディングワイヤ２８は、
上記樹脂被覆２０，２４により封止されている。配線基
板２６の電極のうちの他のいくつかは外部リード線３０
と接続されていて、該外部リード線３０はケーシング外
へと延びている。

【００３２】即ち、流量検知部１２において、薄膜発熱
体１２−３の発熱に基づき、フィンプレート１４を介し
て被検知流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温体１
２−７による感温が実行される。そして、該感温の結果
として、図１に示すブリッジ回路１０４のａ，ｂ点の電
圧Ｖａ，Ｖｂの差が得られる。

【００３３】（Ｖａ−Ｖｂ）の値は、流体の流量に応じ
て流量検知用感温体１０４−１の温度が変化すること
で、変化する。予め可変抵抗１０４−３，１０４−４の
抵抗値を適宜設定することで、基準となる所望の流体流
量の場合において（Ｖａ−Ｖｂ）の値を零とすることが
できる。この基準流量では、差動増幅回路１０６の出力
は零であり、積分回路１０８の出力が一定となり、トラ
ンジスター１１０の抵抗値も一定となる。その場合に
は、発熱体に印加される分圧も一定となり、この時の流
量出力が上記基準流量を示すものとなる。

【００３４】流体流量が基準流量から増減すると、差動
増幅回路１０６の出力は（Ｖａ−Ｖｂ）の値に応じて極
性（流量検知用感温体１０４−１の抵抗−温度特性の正
負により異なる）及び大きさが変化し、これに応じて積
分回路１０８の出力が変化する。積分回路１０８の出力
の変化の速さは差動増幅回路１０６の可変抵抗１０６ａ
による増幅率設定により調節することができる。これら
積分回路１０８と差動増幅回路１０６とにより、制御系
の応答特性が設定される。

【００３５】流体流量が増加した場合には流量検知用感
温体１０４−１の温度が低下するので、発熱体１１２の
発熱量を増加させる（即ち電流量を増加させる）よう、
積分回路１０８からはトランジスター１１０のベースに
対して、トランジスター１１０の抵抗を低下させるよう
な制御入力がなされる。

【００３６】他方、流体流量が減少した場合には流量検
知用感温体１０４−１の温度が上昇するので、発熱体１
１２の発熱量を減少させる（即ち電流量を減少させる）
よう、積分回路１０８からはトランジスター１１０のベ
ースに対して、トランジスター１１０の抵抗を増加させ
るような制御入力がなされる。

【００３７】以上のようにして、流体流量の変化によら
ず、常に流量検知用感温体１０４−１により検知される
温度が目標値となるように、発熱体１１２の発熱がフィ
ードバック制御される（流量検知用感温体１０４−１の
抵抗−温度特性の正負に応じて、必要な場合には差動増
幅回路１０６の出力の極性を適宜反転させる）。そし
て、その際に発熱体１１２に印加される電圧は流体流量
に対応しているので、これを流量出力として取り出す。

【００３８】以上の本実施形態によれば、被検知流体の
流量の如何にかかわらず、発熱体１１２周囲の流量検知
用感温体１０４−１の温度がほぼ一定に維持されるの
で、流量センサーの経時劣化が少なく、また可燃性の被
検知流体の着火爆発の発生を防止することができる。

【００３９】また、本実施例においては、発熱体１１２
には定電圧回路が不要であるので、ブリッジ回路１０４
のための低出力の定電圧回路１０２を用いれば良いとい
う利点がある。このため、定電圧回路の発熱量を小さく
でき、流量センサーを小型化しても流量検知精度を良好
に維持することができる。

【００４０】図６に、上記実施形態の流量センサーのブ
リッジ回路１０４の変形例を示す。この変形例のもの
は、上記実施形態のものと差動増幅回路１０６への出力
（Ｖａ−Ｖｂ）の変化の特性が異なるが、同様なフィー
ドバック制御が可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量セン
サーによれば、被検知流体の流量の如何にかかわらず、
発熱体周囲の流量検知用感温体の温度がほぼ一定に維持
されるので、流量センサーの経時劣化が少なく、また可
燃性の被検知流体の着火爆発の発生を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による流量センサーの一実施形態を示す
回路構成図である。

【図２】本発明による流量センサーの一実施形態の構造
部分を示す一部切欠側面図である。

【図３】本発明による流量センサーの一実施形態の構造
部分を示す断面図である。

【図４】本発明による流量センサーの一実施形態の構造
部分を示す一部切欠平面図である。

【図５】本発明による流量センサーの一実施形態の流量
検知部の分解斜視図である。

【図６】本発明による流量センサーのブリッジ回路の変
形例を示す図である。

【符号の説明】

２ケーシング本体部４管路６ａ，６ｂ接続部８ケーシング蓋体部１２流量検知部１２−１基板１２−２絶縁層１２−３薄膜発熱体１２−４，１２−５電極層１２−６絶縁層１２−７流量検知用薄膜感温体１２−８絶縁層１３ハウジング１４，１４’ フィンプレート１４” 熱伝達用部材１６，１６’ 接合材１８ガラスシール２０樹脂被覆２２流体温度検知部２４樹脂被覆２６配線基板２８ボンディングワイヤ３０外部リード線１０２定電圧回路１０４ブリッジ回路１０４−１流量検知用感温体１０４−２温度補償用感温体１０４−３，１０４−４可変抵抗１０６差動増幅回路１０６ａ可変抵抗１０８積分回路１１０トランジスター１１２発熱体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱体と該発熱体の発熱の影響を受ける
ように配置された流量検知用感温体とを有しており、前
記発熱体からの熱が被検知流体に伝達され吸熱されるよ
うに該被検知流体のための流通経路が形成されており、
前記発熱体の発熱に基づき前記被検知流体による吸熱の
影響を受けた感温が前記流量検知用感温体において実行
され、前記発熱体に電流を供給する経路に前記発熱体の
発熱を制御する発熱制御手段が接続されており、該発熱
制御手段は前記感温の結果が目標と一致するように該感
温の結果に基づき前記発熱体へ供給する電流を制御し、
前記発熱制御手段による制御状態に基づき前記被検知流
体の流量を検知することを特徴とする流量センサー。
【請求項２】前記流量検知用感温体を用いてブリッジ
回路が形成されており、該ブリッジ回路から前記感温の
結果を示す出力が得られ、この出力に基づき前記発熱制
御手段が制御されることを特徴とする、請求項１に記載
の流量センサー。
【請求項３】前記ブリッジ回路は前記被検知流体の温
度補償のための温度補償用感温体を含むことを特徴とす
る、請求項２に記載の流量センサー。
【請求項４】前記発熱制御手段は可変抵抗体であるこ
とを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流量
センサー。
【請求項５】前記可変抵抗体としてトランジスターが
用いられており、該トランジスターの制御入力に前記感
温の結果を示す出力に基づく信号が用いられることを特
徴とする、請求項４に記載の流量センサー。
【請求項６】前記発熱制御手段による制御状態を示す
ものとして前記発熱体に印加される電圧を用いることを
特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の流量セン
サー。
【請求項７】前記感温の結果を示す出力が応答性設定
手段を介して前記発熱制御手段に入力されることを特徴
とする、請求項１〜６のいずれかに記載の流量センサ
ー。
【請求項８】前記応答性設定手段は差動増幅回路とそ
の出力が入力される積分回路とを含んでいることを特徴
とする、請求項７に記載の流量センサー。
【請求項９】前記感温の結果を示す出力が積分回路を
経て前記発熱制御手段に入力されることを特徴とする、
請求項１〜６のいずれかに記載の流量センサー。
【請求項１０】前記積分回路の前段に差動増幅回路が
接続されていることを特徴とする、請求項９に記載の流
量センサー。
【請求項１１】前記発熱体及び前記流量検知用感温体
はいずれも薄膜からなり、これら発熱体及び流量検知用
感温体は基板上にて絶縁層を介して積層されていること
を特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の流量
センサー。