特開 2023-74870 フローセンサおよびガス検知器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023074870

(43)【公開日】2023-05-30

(54)【発明の名称】フローセンサおよびガス検知器

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/696 20060101AFI20230523BHJP

【ＦＩ】

G01F1/696 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021188027

(22)【出願日】2021-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000190301

【氏名又は名称】新コスモス電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104433

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 博一

(74)【代理人】

【識別番号】100155608

【弁理士】

【氏名又は名称】大日方 崇

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼島 裕正

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 洋

(72)【発明者】

【氏名】大岩 史奈

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035EA04

2F035EA08

2F035EA09

(57)【要約】

【課題】部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体の流量を測定することが可能なフローセンサを提供する。
【解決手段】このフローセンサ１００は、流体１の流量の変化に伴って抵抗値が変化する検知素子２０と、検知素子２０に印加する電圧を制御する制御部３０と、を備える。制御部３０は、検知素子２０に印加する電圧を、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第１の電圧Ｖ_Ｈよりも低い第２の電圧Ｖ_Ｌと、に切り替えるとともに、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯと、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて取得される周辺温度Ｔと、に基づいて、流体１の流量を測定するように構成されている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体の流量の変化に伴って抵抗値が変化する検知素子と、
前記検知素子に印加する電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記検知素子に印加する電圧を、第１の電圧と、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧と、に切り替えるとともに、前記第１の電圧を印加した時の前記検知素子の出力と、前記第２の電圧を印加した時の前記検知素子の出力に基づいて取得される周辺温度と、に基づいて、前記流体の流量を測定するように構成されている、フローセンサ。

【請求項2】

前記第１の電圧は、前記検知素子が前記流体よりも高い温度となる電圧である、請求項１に記載のフローセンサ。

【請求項3】

前記第２の電圧は、前記検知素子が前記流体の流量に対して影響を受けない温度となる電圧である、請求項１または２に記載のフローセンサ。

【請求項4】

前記制御部は、前記第１の電圧と、前記第２の電圧とを交互に切り替えながら、前記流体の流量を測定するように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のフローセンサ。

【請求項5】

前記制御部は、前記周辺温度に基づいて、前記第１の電圧を印加した時の前記検知素子の出力に対して、前記流体の流量がゼロの時の前記検知素子の出力の温度依存性を補正するベース温度補正を行うとともに、前記流体の流量が測定対象量の時の前記検知素子の出力の温度依存性を補正する流量温度補正を行うように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のフローセンサ。

【請求項6】

前記検知素子は、加熱された状態で前記流体と接触することによる前記流体への熱伝導に応じて抵抗値が変化する気体熱伝導素子である、請求項１～５のいずれか１項に記載のフローセンサ。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載のフローセンサと、
ガスセンサと、を備える、ガス検知器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、フローセンサおよびガス検知器に関し、特に、検知素子を備えたフローセンサおよびガス検知器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、検知素子を備えたフローセンサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【0003】

上記特許文献１には、温度センサおよびヒータを備えた熱式フローセンサが開示されている。温度センサは、測定用流路内の流体の温度を測定し、測定結果を制御回路に送信する。ヒータは、制御回路からの指令信号により発熱し、流体を加熱する。また、制御回路は、ヒータの放散熱量の変化を測定する。上記特許文献１の熱式フローセンサでは、温度センサの測定結果とヒータの放散熱量の変化とに基づいて、温度補正した流体の流量を測定していると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６１７２４７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１に記載された熱式フローセンサでは、温度センサおよびヒータを設けているため、温度補正した流体の流量を測定するための部品点数が増加するという問題点がある。

【0006】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体の流量を測定することが可能なフローセンサおよびガス検知器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるフローセンサは、流体の流量の変化に伴って抵抗値が変化する検知素子と、検知素子に印加する電圧を制御する制御部と、を備え、制御部は、検知素子に印加する電圧を、第１の電圧と、第１の電圧よりも低い第２の電圧と、に切り替えるとともに、第１の電圧を印加した時の検知素子の出力と、第２の電圧を印加した時の検知素子の出力に基づいて取得される周辺温度と、に基づいて、流体の流量を測定するように構成されている。

【0008】

この発明の第１の局面によるフローセンサでは、制御部を、検知素子に印加する電圧を、第１の電圧と、第１の電圧よりも低い第２の電圧と、に切り替えるとともに、第１の電圧を印加した時の検知素子の出力と、第２の電圧を印加した時の検知素子の出力に基づいて取得される周辺温度と、に基づいて、流体の流量を測定するように構成する。これにより、１つの検知素子で流体の温度検知と流体の流量測定との両方を行うことができるので、流体の温度検知のために別個に温度検知素子を設ける必要が無い。その結果、温度検知素子を別個に設ける場合に比べて、部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体の流量を測定することができる。

【0009】

上記第１の局面によるフローセンサにおいて、好ましくは、第１の電圧は、検知素子が流体よりも高い温度となる電圧である。このように構成すれば、検知素子が流体よりも高い温度となるので、検知素子から流体に熱量を与えることができる。その結果、流体の流量が変化した場合に、与える熱量の変化を発生させることができるので、検知素子の出力を容易に変化させることができる。これにより、流体の流量を容易に測定することができる。

【0010】

上記第１の局面によるフローセンサにおいて、好ましくは、第２の電圧は、検知素子が流体の流量に対して影響を受けない温度となる電圧である。このように構成すれば、検知素子が流体の流量に対して影響を受けない温度となるので、流体の流量によらず、第２の電圧を印加した時の検知素子の出力に基づいて周辺温度を正確に取得することができる。その結果、流体の流量によらず、温度補正を正確に行うことができる。

【0011】

上記第１の局面によるフローセンサにおいて、好ましくは、制御部は、第１の電圧と、第２の電圧とを交互に切り替えながら、流体の流量を測定するように構成されている。このように構成すれば、第１の電圧と、第２の電圧とを交互に切り替えながら、流体の流量が測定されるので、流体の流量や温度が変化した場合にも、流体の流量や温度の変化を測定結果に迅速に反映することができる。

【0012】

上記第１の局面によるフローセンサにおいて、好ましくは、制御部は、周辺温度に基づいて、第１の電圧を印加した時の検知素子の出力に対して、流体の流量がゼロの時の検知素子の出力の温度依存性を補正するベース温度補正を行うとともに、流体の流量が測定対象量の時の検知素子の出力の温度依存性を補正する流量温度補正を行うように構成されている。このように構成すれば、ベース温度補正による温度補正後に、測定対象量の時の検知素子の出力の温度依存性が残存する場合にも、流量温度補正により測定対象量の時の検知素子の出力の温度依存性を補正することができる。その結果、流体の温度補正を精度良く行うことができるとともに、温度補正した流体の流量を精度良く測定することができる。

【0013】

上記第１の局面によるフローセンサにおいて、好ましくは、検知素子は、加熱された状態で流体と接触することによる流体への熱伝導に応じて抵抗値が変化する気体熱伝導素子である。このように構成すれば、簡素な構成の気体熱伝導素子を用いて、流体の温度検知と流体の流量測定とを行うことができる。

【0014】

この発明の第２の局面によるガス検知器は、上記第１の局面によるフローセンサと、ガスセンサと、を備える。

【0015】

この発明の第２の局面によるガス検知器では、上記第１の局面によるフローセンサを備える。これにより、上記第１の局面によるフローセンサと同様に、部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体の流量を測定することが可能なガス検知器を提供することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、上記のように、部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体の流量を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一実施形態によるフローセンサを示した模式図である。

【図2】一実施形態による気体熱伝導素子の構成例を示した模式的な断面図である。

【図3】図２に示した気体熱伝導素子の検知領域を示した模式的な平面図である。

【図4】一実施形態によるフローセンサの検知回路の例を示した図である。

【図5】一実施形態による第１の電圧と第２の電圧との切替制御を説明するための図である。

【図6】一実施形態による温度補正を説明するための図である。

【図7】流体の流量に対する検知素子の出力特性を各電圧で測定した実験結果を示したグラフである。

【図8】図７の低電圧側の実験結果を示したグラフである。

【図9】第２の電圧における環境温度に対する検知素子の出力特性を各流量条件で測定した実験結果を示したグラフである。

【図10】図９のグラフの出力の平均値を示したグラフである。

【図11】第１の電圧における環境温度に対する検知素子の出力特性を各流量条件で測定した実験結果を示したグラフである。

【図12】図１１のグラフの出力に対してベース温度補正を行った結果を示したグラフである。

【図13】図１２のグラフの出力に対して流量温度補正を行った結果を示したグラフ（１）である。

【図14】図１２のグラフの出力に対して流量温度補正を行った結果を示したグラフ（２）である。

【図15】一実施形態によるフローセンサを備えたガス検知器の構成例を示した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0019】

図１～図１４を参照して、一実施形態によるフローセンサ１００の構成について説明する。

【0020】

（フローセンサの構成）
本実施形態のフローセンサ１００は、流路１０内に供給された流体１の流量を測定する装置である。流量の測定対象となる流体１は、気体（ガス）である。

【0021】

図１に示すように、フローセンサ１００は、流路１０と、検知素子２０と、制御部３０（図６参照）と、を備える。

【0022】

流路１０は、流体１が流通する通路である。流路１０は、中空の管状構造を有する。

【0023】

検知素子２０は、流路１０内に配置されている。検知素子２０は、流体１の流量の変化に伴って抵抗値が変化する検知素子である。具体的には、検知素子２０は、加熱された状態で流体１と接触することによる流体１への熱伝導に応じて抵抗値が変化する気体熱伝導素子である。

【0024】

図２および図３は、検知素子２０に用いられる気体熱伝導素子５０の一構成例を示す。気体熱伝導素子５０は、半導体製造プロセスを用いて半導体基板中に機械的構造を形成するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により形成されている。すなわち、気体熱伝導素子５０は、ＭＥＭＳセンサであり、たとえば、一辺の大きさが０．１ｍｍ程度のサイズを有している。

【0025】

検知素子２０としての気体熱伝導素子５０は、電源部６１（図４参照）に接続され、電源部６１から電流が供給される。気体熱伝導素子５０は、電源部６１（図４参照）に接続される一対の電極部５０ａを含む。

【0026】

気体熱伝導素子５０は、絶縁性支持層５１と、抵抗体パターン５２と、不活性被覆層５３と、を含む。図２の例では、絶縁性支持層５１と抵抗体パターン５２と不活性被覆層５３とが、半導体製造プロセスによって母材層５４に形成されている。

【0027】

母材層５４は、たとえばＳｉ（シリコン）である。母材層５４は、エッチングにより形成された凹部５４ａを有する。凹部５４ａは、後述する検知領域ＳＡの下部全体に亘って形成されている。凹部５４ａの形成範囲内に存在する絶縁性支持層５１は、母材層５４から離れて母材層５４とは非接触状態で設けられている。

【0028】

絶縁性支持層５１は、母材層５４の表面に形成され、絶縁体により構成されている。絶縁性支持層５１は、平面視で、検知領域ＳＡを構成する矩形状の保持部５１ａ（図３参照）と、保持部５１ａを支持するための梁部５１ｂ（図３参照）と、外周部５１ｃとを含む。図３の例では、複数（４つ）の梁部５１ｂが、それぞれ保持部５１ａと外周部５１ｃとに接続し、保持部５１ａを支持している。絶縁性支持層５１は、たとえば、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）などの絶縁体の単一層または複合層（複数種類の絶縁体の積層構造）からなる。

【0029】

図２に示すように、抵抗体パターン５２は、絶縁性支持層５１の表面に形成され、導電体により構成されている。図３に示すように、抵抗体パターン５２は、保持部５１ａ上に形成されたヒータ部５２ａと、梁部５１ｂ上に形成された配線部５２ｂとを含む。ヒータ部５２ａは、一本の線状構造をミアンダ状に折り返して、保持部５１ａの略全体に分布するように形成したものである。配線部５２ｂは、ヒータ部５２ａの一端と他端とを、それぞれ梁部５１ｂ上を通って、一対の電極部５０ａに１本ずつ接続している。一対の電極部５０ａからの電流供給により、ヒータ部５２ａが発熱する。抵抗体パターン５２を構成する導電体は、たとえばＰｔ（白金）からなる。抵抗体パターン５２の構造は、単一層構造でもよいし、導電体（Ｐｔなど）と絶縁体（Ｔａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）など）との複合層構造であってもよい。なお、図３では、便宜的に抵抗体パターン５２にハッチングを付して示している。

【0030】

図２に示すように、不活性被覆層５３は、絶縁性支持層５１および抵抗体パターン５２の表面を被覆するように形成されている。不活性被覆層５３は、少なくともヒータ部５２ａの表面全体を被覆する。不活性被覆層５３は、抵抗体パターン５２により加熱された状態においてもガスに対する反応性が低い不活性物質からなる。不活性物質は、たとえばＳｉＯ_２である。なお、図３では、便宜的に不活性被覆層５３の図示を省略している。不活性被覆層５３は、図３における絶縁性支持層５１および抵抗体パターン５２の全体を被覆している。

【0031】

図３に示すように、検知領域ＳＡは、保持部５１ａ、ヒータ部５２ａおよびこれらを覆う不活性被覆層５３により構成されている。ヒータ部５２ａが発熱すると、検知領域ＳＡと周囲のガスとの接触に伴う熱伝導により熱が放出される。気体熱伝導素子５０に流体１が供給されている状況下では、検知領域ＳＡが流体１と接触することにより、流量に応じて放熱量が変化する。この際、ヒータ部５２ａの温度変化に対応してヒータ部５２ａ（抵抗体パターン５２）の電気抵抗が変化する。気体熱伝導素子５０では、ヒータ部５２ａ（抵抗体パターン５２）の電気抵抗の変化に基づいて、温度変化をもたらした流体１の流量を算出することが可能である。また、熱伝導率が温度に依存することから、気体熱伝導素子５０は、流体１の温度（環境温度）に影響される。

【0032】

〈検知回路〉
図４を参照して、フローセンサ１００における検知素子２０の検知回路６０の構成例を示す。検知回路６０は、検知素子２０と、電源部６１と、固定抵抗６２と、電圧検知部６３と、を含む。

【0033】

電源部６１は、制御部３０（図６参照）の制御の下、検知素子２０に電圧を印加する。制御部３０は、電源部６１を制御することにより、検知素子２０に印加する電圧を制御する。電源部６１による電圧の印加により、検知素子２０が加熱される。検知素子２０は、電源部６１の正極に接続されている。

【0034】

固定抵抗６２は、検知素子２０に一方端が接続され、電源部６１の負極に他方端が接続されている。

【0035】

電圧検知部６３は、検知素子２０の抵抗値に応じて変化する固定抵抗６２の両端間の電圧値を検知する。制御部３０は、検知素子２０の出力として、固定抵抗６２の両端間の電圧値を電圧検知部６３から取得する。

【0036】

〈制御部〉
次に、図５および図６を参照して、制御部３０による流体１の流量の測定に関する処理を説明する。

【0037】

制御部３０は、検知素子２０の出力信号を取得し、流路１０内に供給された流体１の流量を測定する。制御部３０は、ＣＰＵなどのプロセッサにより構成されている。

【0038】

ここで、本実施形態では、制御部３０は、検知素子２０に印加する電圧を、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第１の電圧Ｖ_Ｈよりも低い第２の電圧Ｖ_Ｌと、に切り替えるとともに、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯと、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて取得される周辺温度Ｔと、に基づいて、流体１の流量を測定する。なお、周辺温度Ｔとは、検知素子２０の周辺の温度であり、検知素子２０の周辺に流体１が流通している場合、流体１の温度が反映される。

【0039】

本実施形態では、第１の電圧Ｖ_Ｈは、検知素子２０が流体１よりも高い温度となる電圧である。すなわち、第１の電圧Ｖ_Ｈは、検知素子２０から流体１への放熱量が比較的大きくなる電圧に設定されている。第１の電圧Ｖ_Ｈは、たとえばフローセンサ１００の使用温度範囲や検知素子２０の寿命に基づいて決定されている。また、第１の電圧Ｖ_Ｈは、第２の電圧Ｖ_Ｌよりも高い一定電圧である。第２の電圧Ｖ_Ｌは、検知素子２０が流体１の流量に対して影響を受けない温度となる電圧である。すなわち、第２の電圧Ｖ_Ｌは、検知素子２０から流体１への放熱量が比較的小さくなる（ほとんどない）電圧に設定されている。第２の電圧Ｖ_Ｌは、後述する実験などに基づいて決定されている。また、第２の電圧Ｖ_Ｌは、第１の電圧Ｖ_Ｈよりも低い一定電圧である。なお、第１の電圧Ｖ_Ｈおよび第２の電圧Ｖ_Ｌは、特に限られない。後述する実験では、一例として、第１の電圧Ｖ_Ｈが２５００ｍＶで、検知素子２０の温度が２００℃となり、第２の電圧Ｖ_Ｌが３７５ｍＶで、検知素子２０の温度が３４℃となっている。

【0040】

本実施形態では、制御部３０は、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第２の電圧Ｖ_Ｌとを交互に切り替えながら、流体１の流量を測定する。この際、制御部３０は、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第２の電圧Ｖ_Ｌとに切り替える定電圧制御手段として機能する。制御部３０は、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第２の電圧Ｖ_Ｌとを交互に検知素子２０に印加することにより、検知素子２０をパルス駆動するように構成されている。パルス駆動では、検知素子２０に、第１の電圧Ｖ_Ｈが時間Ｈで印加されることと、第２の電圧Ｖ_Ｌが時間Ｌで印加されることとが繰り返される。時間Ｈおよび時間Ｌは、同じ長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。時間Ｈおよび時間Ｌは、たとえば、共に５０μｓである。

【0041】

制御部３０は、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて、出力Ｖ_ＬＯに対応する周辺温度Ｔを取得する。この際、制御部３０は、出力Ｖ_ＬＯと周辺温度Ｔとを対応付ける第１換算情報から、出力Ｖ_ＬＯに対応する周辺温度Ｔを取得する。第１換算情報は、実験などに基づいて予め作成されている。

【0042】

制御部３０は、周辺温度Ｔに基づいて、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯに対して、温度補正を行う。本実施形態では、制御部３０は、周辺温度Ｔに基づいて、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯに対して、流体１の流量がゼロの時の検知素子２０の出力の温度依存性を補正するベース温度補正を行うとともに、流体１の流量が測定対象量の時の検知素子２０の出力の温度依存性を補正する流量温度補正を行う。

【0043】

ベース温度補正では、制御部３０は、周辺温度Ｔに基づいて、周辺温度Ｔと流体１の流量がゼロの時の検知素子２０の出力とを対応付ける第２換算情報から、周辺温度Ｔに対応するベース温度補正の補正値Ｖ１を取得する。第２換算情報は、実験などに基づいて予め作成されている。制御部３０は、出力Ｖ_ＨＯから補正値Ｖ１を減算することにより、出力Ｖ_ＨＯに対して、ベース温度補正を行う。

【0044】

流量温度補正では、制御部３０は、周辺温度Ｔに基づいて、周辺温度Ｔと流体１の流量が測定対象流量の時の検知素子２０の出力とを対応付ける第３換算情報から、周辺温度Ｔに対応する流量温度補正の補正値Ｖ２を取得する。第３換算情報は、実験などに基づいて予め作成されている。制御部３０は、ベース温度補正後の出力Ｖ_ＨＯから補正値Ｖ２を減算することにより、ベース温度補正後の出力Ｖ_ＨＯに対して、流量温度補正を行う。

【0045】

制御部３０は、ベース温度補正および流量温度補正後の出力Ｖ_ＨＯとして、補正出力値Ｖ_ｃを取得する。制御部３０は、補正出力値Ｖ_ｃに基づいて、補正出力値Ｖ_ｃと流体１の流量値とを対応付ける第４換算情報から、補正出力値Ｖ_ｃに対応する流体１の流量値を取得する。第４換算情報は、実験などに基づいて予め作成されている。

【0046】

（検知素子の出力の温度補正）
次に、図７～図１４を参照して、本実施形態のフローセンサ１００による検知素子２０の出力に基づく温度補正を実験結果とともに説明する。

【0047】

図７は、流体１の流量に対する検知素子２０の出力特性を各電圧で測定した実験結果を示したグラフである。図７のグラフは、横軸がフローセンサ１００に供給された流体１の流量［ｍＬ／ｍｉｎ］であり、縦軸が検知素子２０の出力電圧値［ｍＶ］である。縦軸の出力電圧値は、流量５００ｍＬ／ｍｉｎにおける出力電圧値からの差分値ΔＶで示している。図７のグラフには、検知素子２０への印加電圧として、３７５ｍＶ、５００ｍＶ、６２５ｍＶ、７５０ｍＶ、１０００ｍＶ、１５００ｍＶ、２０００ｍＶ、および、２５００ｍＶ、の８種類を用いた実験結果をそれぞれプロットしてある。

【0048】

図７のグラフから、検知素子２０は、どの印加電圧でも、流体１の流量の増大に応じて差分値ΔＶが上昇する出力特性を有することが分かる。また、検知素子２０は、印加電圧が高いほど差分値ΔＶの絶対値が大きくなり、印加電圧が低いほど差分値ΔＶの絶対値が小さくなる出力特性を有することが分かる。すなわち、検知素子２０では、印加電圧が高いほど出力の流量依存性が高く、印加電圧が低いほど出力の流量依存性が低くなっている。このため、印加電圧を低くすれば、流量の影響を受けない検知素子２０の出力を得ることが可能である。

【0049】

図８は、図７の低電圧側（３７５ｍＶ、５００ｍＶ、６２５ｍＶ、７５０ｍＶ、および、１０００ｍＶの５種類）の実験結果を示したグラフである。図８のグラフの横軸および縦軸は、図７のグラフの横軸および縦軸と同じである。

【0050】

図８のグラフから、特に、検知素子２０の温度が５０℃以下（すなわち、３７５ｍＶ、５００ｍＶ、６２５ｍＶ）で、出力の流量依存性が低く、流量が変化しても出力がほとんど変化しなくなっている。このため、たとえば、検知素子２０の温度が５０℃以下となる印加電圧を、流量の影響を受けない第２の電圧Ｖ_Ｌとすることが可能である。以降の実験では、第２の電圧Ｖ_Ｌを３７５ｍＶとしている。

【0051】

図９は、第２の電圧Ｖ_Ｌ＝３７５ｍＶにおける環境温度（流体１の温度）に対する検知素子２０の出力特性を各流量条件で測定した実験結果を示したグラフである。図９のグラフは、横軸が環境温度［℃］であり、縦軸が検知素子２０の出力電圧値［ｍＶ］である。縦軸の出力電圧値は、環境温度２０℃、流量５００ｍＬ／ｍｉｎにおける出力電圧値からの差分値ΔＶで示している。図９のグラフには、流量３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、および、１０００ｍＬ／ｍｉｎ、の３種類の流量条件での実験結果をグラフにプロットしている。

【0052】

図９のグラフから、検知素子２０は、環境温度に対して概ね線形の出力特性を有することが分かる。すなわち、どの流量条件であっても、環境温度が低いほど差分値ΔＶが高くなり、環境温度が高いほど差分値ΔＶが低くなっている。また、検知素子２０は、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した状態であれば、流量条件に依存せず、環境温度に対する出力特性（出力値）が同等であることが分かる。このため、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯから、周辺温度Ｔ（環境温度）を得ることが可能である。

【0053】

図１０は、図９のグラフの３種類の流量条件での出力の平均値を示したグラフである。図１０のグラフの横軸および縦軸は、図９のグラフの横軸および縦軸と同じである。

【0054】

図１０のグラフから、最小二乗法などの回帰分析を用いて、出力Ｖ_ＬＯと周辺温度Ｔ（環境温度）との相関関係を表す式ｙ＝－ａｘ＋ｂを得られることが分かる。ｙは出力Ｖ_ＬＯを表す変数であり、ｘは周辺温度Ｔを表す変数であり、ａは傾きを表す係数であり、ｂは切片を表す係数である。たとえば、式ｙ＝－ａｘ＋ｂに基づいて第１換算情報を作成することが可能である。

【0055】

図１１は、第１の電圧Ｖ_H＝２５００ｍＶにおける環境温度に対する検知素子２０の出力特性を各流量条件で測定した実験結果を示したグラフである。図１１のグラフの横軸および縦軸は、図９のグラフの横軸および縦軸と同じである。図１１のグラフには、流量０ｍｌ／ｍｉｎ、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、および、１０００ｍＬ／ｍｉｎ、の４種類の流量条件での実験結果をグラフにプロットしている。

【0056】

図１１のグラフから、検知素子２０は、第１の電圧Ｖ_Hを印加した状態であれば、流量条件によって、環境温度に対する出力特性（出力値）が大きく異なることが分かる。また、検知素子２０は、どの流量条件であっても、環境温度に対して概ね線形の出力特性を有することが分かる。すなわち、どの流量条件であっても、環境温度が低いほど差分値ΔＶが高くなり、環境温度が高いほど差分値ΔＶが低くなっている。検知素子２０の出力が温度依存しているため、正確な流量を測定するためには温度補正を行う必要がある。

【0057】

また、図１１のグラフから、最小二乗法などの回帰分析を用いて、流体１の流量が０ｍｌ／ｍｉｎの時の検知素子２０の出力と周辺温度Ｔ（環境温度）との相関関係を表す、ベース温度補正のための式ｙ＝－ｃｘ＋ｄを得られることが分かる。ｙは検知素子２０の出力を表す変数であり、ｘは周辺温度Ｔを表す変数であり、ｃは傾きを表す係数であり、ｄは切片を表す係数である。たとえば、式ｙ＝－ｃｘ＋ｄに基づいて第２換算情報を作成することが可能である。

【0058】

図１２は、図１１のグラフの出力に対してベース温度補正を行った結果を示したグラフである。図１２のグラフでは、０ｍＬ／ｍｉｎ、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件での出力から、図１１の式ｙ＝－ｃｘ＋ｄにより算出した補正値Ｖ１を減算することにより、ベース温度補正を行っている。図１２のグラフの横軸および縦軸は、図１１のグラフの横軸および縦軸と同じである。

【0059】

図１２のグラフから、０ｍＬ／ｍｉｎの流量条件での出力は、環境温度に依存せずに略一定となっていることが分かる。また、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件でも、環境温度による出力変動（プロットの傾き）が図１１よりも低減されている。また、流量条件ごとの出力は互いに縦軸方向に明確に分離しており、流体１の流量に応じた出力特性が損なわれていないことが分かる。このため、ベース温度補正により、流体１の流量に応じた出力特性を損なうことなく、温度依存性を補正できることが分かる。一方、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件では、わずかに温度依存性が残っている。このため、図１３に示すグラフでは、流量温度補正を行っている。

【0060】

また、図１２のグラフから、最小二乗法などの回帰分析を用いて、流体の流量が５００ｍｌ／ｍｉｎの時の検知素子２０の出力と周辺温度Ｔ（環境温度）との相関関係を表す、流量温度補正のための式ｙ＝－ｅｘ＋ｆを得られることが分かる。ｙは検知素子２０の出力を表す変数であり、ｘは周辺温度Ｔを表す変数であり、ｅは傾きを表す係数であり、ｆは切片を表す係数である。たとえば、式ｙ＝－ｅｘ＋ｆに基づいて第３換算情報を作成することが可能である。また、詳細な説明は省略するが、図１２のグラフから、流体の流量が３００ｍｌ／ｍｉｎの時の検知素子２０の出力と周辺温度Ｔ（環境温度）との相関関係を表す、流量温度補正のための式ｙ＝－ｇｘ＋ｈ、および、流体の流量が１０００ｍｌ／ｍｉｎの時の検知素子２０の出力と周辺温度Ｔ（環境温度）との相関関係を表す、流量温度補正のための式ｙ＝－ｉｘ＋ｊを得られることが分かる。たとえば、式ｙ＝－ｅｘ＋ｆ、式ｙ＝－ｇｘ＋ｈ、式ｙ＝－ｉｘ＋ｊに基づいて第３換算情報を作成することが可能である。

【0061】

図１３は、図１２のグラフの出力に対して流量温度補正を行った結果を示したグラフである。図１３のグラフでは、測定対象流量である５００ｍｌの流量条件での出力を基準として、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件での出力に対して、流量温度補正を行っている。ここでは、図１２の式ｙ＝－ｅｘ＋ｆにより算出した温度ｘの時の出力から、式ｙ＝－ｅｘ＋ｆにより算出した基準温度２０℃の時の出力を減算することにより、各温度での補正値Ｖ２を算出している。そして、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件での出力から、補正値Ｖ２を減算することにより、流量温度補正を行っている。図１３のグラフの横軸および縦軸は、図１２のグラフの横軸および縦軸と同じである。

【0062】

図１３のグラフから、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件で、環境温度による出力変動（プロットの傾き）が図１２よりも低減されている。特に、測定対象流量である５００ｍＬ／ｍｉｎの流量条件での出力は、環境温度に依存せずに略一定となっていることが分かる。また、流量条件ごとの出力は互いに縦軸方向により明確に分離しており、流体１の流量に応じた出力特性が損なわれていないことが分かる。このため、流量温度補正により、流体１の流量に応じた出力特性を損なうことなく、温度依存性をより正確に補正できることが分かる。

【0063】

図１４は、図１２のグラフの出力に対して流量条件ごとに流量温度補正を行った結果を示したグラフである。すなわち、図１４のグラフでは、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎを測定対象流量とし、３００ｍＬ／ｍｉｎの流量条件では、図１２の式ｙ＝－ｇｘ＋ｈを用いて流量温度補正を行い、５００ｍＬ／ｍｉｎの流量条件では、図１２の式ｙ＝－ｅｘ＋ｆを用いて流量温度補正を行い、１０００ｍＬ／ｍｉｎの流量条件では、図１２の式ｙ＝－ｉｘ＋ｊを用いて流量温度補正を行っている。各流量条件での流量温度補正は、図１３で説明した流量温度補正と同様であるので、詳細な説明は省略する。図１４のグラフの横軸および縦軸は、図１２のグラフの横軸および縦軸と同じである。

【0064】

図１４のグラフから、３００ｍＬ／ｍｉｎ、５００ｍＬ／ｍｉｎ、１０００ｍＬ／ｍｉｎの各流量条件で、出力が環境温度に依存せずに略一定となっていることが分かる。このため、流量温度補正により、図１３よりも温度依存性をより一層正確に補正できることが分かる。なお、図１４で説明した流量温度補正は、図１３で説明した流量温度補正よりも正確な補正が行える一方、補正処理が煩雑になる。このため、測定対象流量が５００ｍｌ／ｍｉｎなどに予め決まっている場合には、図１３で説明した流量温度補正で、簡便かつ正確に補正を行えばよい。

【0065】

（ガス検知器の構成）
次に、図１５を参照して、本実施形態のフローセンサ１００の適用例として、フローセンサ１００を備えたガス検知器２００について説明する。

【0066】

ガス検知器２００は、本実施形態によるフローセンサ１００と、ガスセンサ１２１と、を備える。図１５に示した構成例では、ガス検知器２００は、フローセンサ１００を含む流量検知部１１０と、ガスセンサ１２１を含むガス検知部１２０とを備え、ポンプ１３０、制御部１４０、記憶部１４１および通信部１４２をさらに備えている。ガス検知器２００は、ガス検知の対象となる流体１を導入する導入口１０１ａと、流体１を導出する導出口１０１ｂと、を結ぶガス流路１０１を備えている。ガス流路１０１には、ガスセンサ１２１、フローセンサ１００、ポンプ１３０がこの順で設けられている。導入口１０１ａからガス流路１０１内に導入された流体１は、ガスセンサ１２１、フローセンサ１００、ポンプ１３０を順番に通過して、導出口１０１ｂから外部へ導出される。

【0067】

図１５に示すガス検知器２００は、監視対象環境の雰囲気（空気）を取り込み、雰囲気中に含有される検知対象ガスの検知を行うガス検知器である。ガス検知器２００は、採取ガス中の検知対象ガス濃度が予め設定された所定値以上の高濃度である場合に、高濃度の検知対象ガスが検知されたことを報知する機能を有する。検知対象ガスは、特に限定されないが、人体に対する毒性を有するガスや、可燃性を有するガスなど、監視が必要とされるガスである。

【0068】

流量検知部１１０は、フローセンサ１００、検知回路６０（図４参照）を含む。図１５では、フローセンサ１００の制御部３０は、制御部１４０として設けられている。

【0069】

ガス検知部１２０は、ガスセンサ１２１と、ガスセンサ１２１の出力を取得するためのガス検知回路とを含む。ガスセンサ１２１の種類、検知原理は特に限定されず、任意である。ポンプ１３０は、ガス流路１０１の導入口１０１ａ側のガスを吸引し、導出口１０１ｂ側へ吐出するガスポンプである。流体１は、ポンプ１３０が発生する負圧により導入口１０１ａ内に引き込まれ、強制流によって導出口１０１ｂから排出される。

【0070】

制御部１４０は、ＣＰＵなどのプロセッサにより構成されている。制御部１４０は、プログラムを実行することによる機能ブロックとして、ガス検知判定処理を行う判定部１４０ａを有する。

【0071】

制御部１４０は、ガス検知部１２０のガス検知回路への電力供給を制御することにより、ガスセンサ１２１によるガス検知動作を制御する。判定部１４０ａは、ガス検知部１２０の各出力に基づき、検知対象ガスの検知ガス濃度を取得する。判定部１４０ａは、検知対象ガスの濃度が予め設定された所定値（判定閾値）以上である場合、検知対象ガスの濃度に応じた所定の報知処理を実行する。所定の報知処理は、通信部１４２を介して報知信号（警報）を出力することを含む。

【0072】

制御部１４０は、流量検知部１１０の検知回路６０への電力供給を制御することにより、フローセンサ１００による流量検知動作を制御する。制御部１４０は、上記の通り、フローセンサ１００の第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯと、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯとを取得し、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯと、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて取得される周辺温度Ｔと、に基づいて、流体１の流量を測定する。

【0073】

制御部１４０は、ポンプ１３０への電力供給を制御することにより、ガス流路１０１内を流通する流体１の流量を制御する。制御部１４０は、測定された流体１の流量値に基づいて、ポンプ１３０を制御する。制御部１４０は、流体１の流量値が予め設定された所定値となるようにポンプ１３０を制御する。

【0074】

記憶部１４１は、検知ガス濃度の判定閾値、流量設定値などの各種設定情報、プロセッサが実行するプログラム等を記憶する。記憶部１４１は、たとえば半導体記憶素子を含む。通信部１４２は、外部機器とのインターフェースである。通信部１４２は、有線および／または無線により外部機器と接続され、外部機器に対する信号出力を行うとともに、外部機器からの信号入力を受け付ける。制御部１４０は、通信部１４２を介して、外部の報知機器に報知信号を出力することが可能である。制御部１４０は、通信部１４２を介して、上位コンピュータから設定情報などを取得して、判定部１４０ａの判定閾値や、ポンプ１３０の流量などの各種の設定処理を行うことが可能である。

【0075】

ガス検知器２００は、たとえば、検知対象ガスを使用する工場などに設置される。一例としては、ガス検知器２００は半導体製造工場に設置され、半導体材料ガス、水素ガス等の可燃性ガスの漏洩を検知する。この場合、ガス採取される監視対象環境は、たとえばガス供給装置の設置箇所、排気ダクト、作業員の作業領域などである。

【0076】

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

【0077】

本実施形態では、上記のように、フローセンサ１００は、流体１の流量の変化に伴って抵抗値が変化する検知素子２０と、検知素子２０に印加する電圧を制御する制御部３０と、を備え、制御部３０は、検知素子２０に印加する電圧を、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第１の電圧Ｖ_Ｈよりも低い第２の電圧Ｖ_Ｌと、に切り替えるとともに、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＨＯと、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて取得される周辺温度Ｔと、に基づいて、流体１の流量を測定するように構成されている。

【0078】

また、本実施形態では、ガス検知器２００は、フローセンサ１００と、ガスセンサ１２１と、を備える。

【0079】

上記構成により、１つの検知素子２０で流体１の温度検知と流体１の流量測定との両方を行うことができるので、流体１の温度検知のために別個に温度検知素子を設ける必要が無い。その結果、温度検知素子を別個に設ける場合に比べて、部品点数の増加を抑制しながら、温度補正した流体１の流量を測定することができる。

【0080】

また、本実施形態では、上記のように、第１の電圧Ｖ_Ｈは、検知素子２０が流体１よりも高い温度となる電圧である。これにより、検知素子２０が流体１よりも高い温度となるので、検知素子２０から流体１に熱量を与えることができる。その結果、流体１の流量が変化した場合に、与える熱量の変化を発生させることができるので、検知素子２０の出力を容易に変化させることができる。これにより、流体１の流量を容易に測定することができる。

【0081】

また、本実施形態では、上記のように、第２の電圧Ｖ_Ｌは、検知素子２０が流体１の流量に対して影響を受けない温度となる電圧である。これにより、検知素子２０が流体１の流量に対して影響を受けない温度となるので、流体１の流量によらず、第２の電圧Ｖ_Ｌを印加した時の検知素子２０の出力Ｖ_ＬＯに基づいて周辺温度Ｔを正確に取得することができる。その結果、流体１の流量によらず、温度補正を正確に行うことができる。

【0082】

また、本実施形態では、上記のように、制御部３０は、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第２の電圧Ｖ_Ｌとを交互に切り替えながら、流体１の流量を測定するように構成されている。これにより、第１の電圧Ｖ_Ｈと、第２の電圧Ｖ_Ｌとを交互に切り替えながら、流体１の流量が測定されるので、流体１の流量や温度が変化した場合にも、流体１の流量や温度の変化を測定結果に迅速に反映することができる。

【0083】

また、本実施形態では、上記のように、制御部３０は、周辺温度Ｔに基づいて、第１の電圧Ｖ_Ｈを印加した時の検知素子２０の出力に対して、流体１の流量がゼロの時の検知素子２０の出力の温度依存性を補正するベース温度補正を行うとともに、流体１の流量が測定対象量の時の検知素子２０の出力の温度依存性を補正する流量温度補正を行うように構成されている。これにより、ベース温度補正による温度補正後に、測定対象量の時の検知素子２０の出力の温度依存性が残存する場合にも、流量温度補正により測定対象量の時の検知素子２０の出力の温度依存性を補正することができる。その結果、流体１の温度補正を精度良く行うことができるとともに、温度補正した流体１の流量を精度良く測定することができる。

【0084】

また、本実施形態では、上記のように、検知素子２０は、加熱された状態で流体１と接触することによる流体１への熱伝導に応じて抵抗値が変化する気体熱伝導素子５０である。これにより、簡素な構成の気体熱伝導素子５０を用いて、流体１の温度検知と流体１の流量測定とを行うことができる。

【0085】

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

【0086】

たとえば、上記実施形態では、第１の電圧と、第２の電圧とを交互に切り替えながら、流体の流量を測定する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、温度補正した流体の流量を使用可能な精度で測定可能であれば、第１の電圧と、第２の電圧とを交互に切り替えなくてもよい。たとえば、第１の電圧の検知素子への印加と、第２の電圧の検知素子への印加とを間欠的に繰り返してもよい。

【0087】

また、上記実施形態では、周辺温度に基づいて、ベース温度補正と、流量温度補正とを行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、温度補正した流体の流量を使用可能な精度で測定可能であれば、ベース温度補正と、流量温度補正のいずれか一方のみを行ってもよい。

【0088】

また、上記実施形態では、検知素子が気体熱伝導素子である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、検知素子は、流体の流量の変化に伴って抵抗値（出力）が変化する検知素子であれば、どのような構造、検出原理の検知素子であってもよい。

【0089】

また、上記実施形態において示した気体熱伝導素子の構造はあくまでも一例であり、これに限定されない。気体熱伝導素子はどのような構造を有していてもよい。たとえば抵抗体パターンの形状などは任意である。絶縁性支持層、抵抗体パターン、不活性被覆層の構成材料も特に限定されない。

【0090】

また、上記実施形態では、検知素子が、ＭＥＭＳセンサである例を示したが、本発明はこれに限られない。検知素子が半導体製造プロセスを用いない従来型の（大型の）検知素子であってもよい。たとえば気体熱伝導素子は、セラミックスなどの絶縁性基板上に、白金線などの抵抗体パターンを形成し、ガラスなどの不活性被覆材によって抵抗体パターンを被覆した構造を有していてもよい。

【0091】

また、上記実施形態では、フローセンサにより測定した流量値に基づいてポンプを制御するガス検知器の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ガス検知器がポンプを備えなくてもよい。この場合、フローセンサにより測定した流量に応じて、ガスセンサの出力を補正してもよい。すなわち、ガスセンサに供給する流体の流量を一定にする代わりに、ガスセンサの出力から、流量に起因する変動成分を除去する補正を行ってもよい。

【符号の説明】

【0092】

１ 流体
２０ 検知素子
３０ 制御部
５０ 気体熱伝導素子
１００ フローセンサ
１２１ ガスセンサ
２００ ガス検知器
Ｖ_Ｈ 第１の電圧
Ｖ_Ｌ 第２の電圧
Ｖ_ＨＯ 第１の電圧を印加した時の検知素子の出力
Ｖ_ＬＯ 第２の電圧を印加した時の検知素子の出力
Ｔ 周辺温度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】