JP6706871B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、流量センサに関する。

流体の流量に対応した発熱体の放熱を利用して流体の流量を検知する流量センサが知られている。この種の流量センサは、発熱用抵抗（発熱体）と温度補償用抵抗が公知の抵抗ブリッジ回路を構成している。そして、発熱用抵抗は流体の温度より一定温度高くなるように加熱制御される。そして、温度補償用抵抗は流体そのものの温度を検知し、流体温度の変化の影響を補償するために用いられる。

このような技術に基いて、共にチップ抵抗器である発熱用抵抗と温度補償用抵抗を、絶縁基板面上に近接して配置する流量センサが提案されている（特許文献１および２参照）。

特開平９−５３９６７号公報 特開平８−３５９７８号公報

しかしながら、上記特許文献に記載されている形態で、共にチップ抵抗器である発熱用抵抗と温度補償用抵抗を、絶縁基板面上に近接して配置する流量センサは、通常流体の流れに対する応答性および感度が劣る。

そこで、本発明の目的は、発熱用抵抗と温度補償用抵抗として絶縁基板面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、流体の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制することが可能な流量センサを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の流量センサは、発熱用抵抗と温度補償用抵抗からの信号を処理する信号処理部を有し、発熱用抵抗の放熱を利用して流体の流速を検知し、発熱用抵抗と温度補償用抵抗が、絶縁基板面上に配置されるチップ抵抗器であり、絶縁基板の一方の面に発熱用抵抗を配置し、絶縁基板の一方の面とは反対側の他方の面に温度補償用抵抗を配置し、絶縁基板を保持する保持部材を備え、該保持部材は、有底の凹部を有する容器状であり、温度補償用抵抗が凹部に向かい、発熱用抵抗が凹部の外側に向かうように絶縁基板を保持部材に保持したことを特徴とする。
ここで、絶縁基板には、スリットが形成され、絶縁基板の一方の面と、他方の面とを繋げていても良い。

ここで、温度補償用抵抗は、発熱用抵抗が配置される面とは逆の絶縁基板面上に配置されることとしても良い。

また、絶縁基板を保持する保持部材をさらに有し、保持部材は凹部を有し、温度補償用抵抗が配置される絶縁基板面が、凹部と対向するように絶縁基板が凹部に嵌め合わされることとしても良い。

また、温度補償用抵抗の一部または全部を覆う断熱材を有することとしても良い。

本発明では、発熱用抵抗と温度補償用抵抗として絶縁基板面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、流体の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制することが可能な流量センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る流量センサの平面図である。 本発明の実施の形態に係る流量センサを構成する回路の概略図である。 本発明の実施の形態に係る絶縁基板と、それを保持する保持部材を示す図である。 本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａと比較流量センサおよび基準風速計に対して、風洞を用い、その外部からの制御によって同一の強さの風を送風した際の流量センサ１ａと比較流量センサおよび基準風速計が出力した風速の経時変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る流量センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る流量センサの平面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る流量センサを構成する回路の概略図である。

本発明の実施の形態に係る流量センサ１は、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３からの信号を処理する信号処理部４を有している。この信号処理部４は、図１で図示を省略している。ここで、発熱用抵抗２は、その放熱を利用して流体の流速を検知するものである。また、温度補償用抵抗３は、流体そのものの温度を検知し、流体温度の変化の影響を補償するものである。

発熱用抵抗２は、樹脂製の絶縁基板５の表面５ａ上に配置されるチップ抵抗器である。また、温度補償用抵抗３は、絶縁基板５の裏面５ｂ上に配置されるチップ抵抗器である。このような発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の配置状態では、発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に、温度補償用抵抗３が配置されていることとなる。なお、信号処理部４は、絶縁基板５とは別に設けた絶縁基板５と同じ外形の絶縁基板５ｅ（後述の図３に図示）に配置されている。また、絶縁基板５には、スリット５ｃ，５ｃ，５ｄ，５ｄが形成されている。このスリット５ｃ，５ｃ，５ｄ，５ｄは、発熱用抵抗２から温度補償用抵抗３への絶縁基板５を介した熱の伝達しやすさ（熱抵抗）が好適なものとなるように調整するためのものである。

発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に、温度補償用抵抗３を配置しているのは、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の双方をチップ状のものとし、絶縁基板５に配置していることに起因する。このようなチップ抵抗器は、周囲の風によってのみジュール熱が放散されるのではなく、対となる端子電極を通じて絶縁基板５へ放散する熱もある。仮に温度補償用抵抗３の温度が発熱用抵抗２の放熱と無関係に流体の温度と等しくなるよう配置した場合には、発熱用抵抗２の温度制御には絶縁基板５の熱容量に起因する熱時定数がまるまる含まれるため応答性が著しく劣化する。温度補償用抵抗３を発熱用抵抗２の放熱の経路上に配置し、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の端子部温度を極力同等にすると、絶縁基板５の熱容量に起因する熱時定数の影響が低減され、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３との温度差を常に一定となるよう制御する信号処理部４の制御の応答性を高く維持できる。

ここで、流量センサ１に保持部材６を付加した本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａについて説明する。図３は、絶縁基板５および絶縁基板５ｅと、それを保持する保持部材６を示す図である。図３（ａ）では、絶縁基板５を図１と同様に平面図で図示している。本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａは、絶縁基板５を保持する保持部材６をさらに有している。保持部材６は凹部７を有している。そして絶縁基板５の裏面５ｂが、凹部７と対向するように絶縁基板５が凹部７に嵌め合わされ、固定されている。

図３（ａ）では、絶縁基板５および絶縁基板５ｅを矢印方向に移動させ、保持部材６の凹部７に嵌め合わせる様子を示している。また、絶縁基板５および絶縁基板５ｅが凹部７に嵌め合わせられた後の図３（ａ）のＡ−Ａ断面図が図３（ｂ）である。図３（ｂ）に示すように、信号処理部４が配置されている絶縁基板５ｅは、保持部材６から露出しないようにされ、且つ絶縁基板５と重ね合わせて凹部７に嵌め合わされ、固定されている。なお図３（ｂ）では、信号処理部４およびスリット５ｃ，５ｄの図示を省略している。

このように発熱用抵抗２は、凹部７と対向していないため、外気に露出している。そのため、絶縁基板５の表面５ａ側に対して送風した場合には、絶縁基板５は、発熱用抵抗２と風（流体）との接触機会よりも、温度補償用抵抗３と風との接触機会を少なくする障壁部材として機能することが可能である。すなわちこの場合には絶縁基板５は、障壁部材を兼ねている。このことは、保持部材６を有さない流量センサ１についても同様である。

ここで、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３とを絶縁基板５の表裏にそれぞれ配置した場合に、必ず絶縁基板５が障壁部材となるわけではない。たとえば、上述の特許文献１に記載されている流量センサは、絶縁基板の一部が開口されており、その開口部を挟んで発熱用抵抗と温度補償用抵抗とが絶縁基板の表裏にそれぞれ配置されている。このような絶縁基板は、発熱用抵抗と流体との接触機会よりも、温度補償用抵抗と流体との接触機会を少なくしないため、障壁部材とは言えない。

流量センサ１，１ａの発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３は、図２に示すようにチップ状の抵抗器８ａ，８ｂと共に公知の分圧回路を構成している。信号処理部４は、抵抗器８ａ，８ｂと、オペアンプ９と、トランジスタ１０等を有している（その他の信号処理部４の構成要素の図示は省略する）。ここで、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、抵抗器８ａ，８ｂのＴＣＲよりも大きい。

流量センサ１，１ａの絶縁基板５の表面５ａ側をうちわで扇いで風を送る。すると、発熱用抵抗２の温度が下がる。信号処理部４は、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３との温度差を常に一定となるように発熱用抵抗２に駆動電圧を印加する。流量センサ１ａは、この加熱に要する電圧の変化を利用して流体の流速（風速等）を換算し出力する。出力された流速（風速等）は、たとえば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の光量または発光色等によって、その強さ等が表現される。たとえば流速が速ければ、ＬＥＤの光量を大きく（明るく）し、流速が遅ければ、ＬＥＤの光量を小さく（暗く）表現するか、または流速を具体的な数値で表示する。

（実験）
本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａと、温度補償用抵抗２が絶縁基板５の表面５ａ上に配置されている以外は流量センサ１ａと同一構成の比較流量センサを用意する。この比較流量センサは、流量センサ１ａと同様に発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路には、温度補償用抵抗３が配置されている。

図４は、流量センサ１ａと比較流量センサおよび基準風速計に対して、風洞を用い、その外部からの制御によって同一の強さの風を送風した際の、流量センサ１ａと比較流量センサおよび基準風速計が出力した風速の経時変化を示す図である。

ここで基準風速計には、校正された風速計（日本カノマックス株式会社製 System6244）を用いた。図４では、基準風速計が出力した基準となる風速を破線（Ｓ）で示した。この基準となる風速は、上述の風洞を用い同じ条件で２回送風した場合に、図４の破線（Ｓ）とほぼ同じ風速を出力し、再現性が得られた。

比較流量センサの出力した風速（実線Ｂで示した）が、流量センサ１ａが出力した風速（実線Ａで示した）に比べて応答性および感度が劣ることが図４からわかる。特に、風速が安定し始める送風開始１０秒以降は、その傾向が明らかである。この理由は、発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に、温度補償用抵抗３を配置していることから、温度補償用抵抗３の温度が室温よりも高くなっていることに起因する。

すなわち、仮に温度補償用抵抗３を室温と同等の温度環境に置くことができれば、風との接触で大きな温度変化がし難いところ、高温環境下に温度補償用抵抗３を置いているため、風との接触がされやすいと大きな温度変化をしてしまう。すると、信号処理部４が行う、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３との温度差を常に一定となるように発熱用抵抗２に駆動電圧を印加する際に、誤った電圧を印加してしまうこととなる。このことが比較流量センサの応答性および感度が劣る原因である。

図４の流量センサ１ａの結果は、比較流量センサの温度補償用抵抗を、断熱材であるポリイミドフィルムを主な構成要素とする、いわゆるカプトン（登録商標）粘着テープで３周巻きつけて被覆したものの結果とほぼ同じだった。すなわち、温度補償用抵抗と風との接触機会を少なくすることが、本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａの応答性および感度を良好にしていると考えられる。

（本発明の実施の形態によって得られる主な効果）
本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、 発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３として絶縁基板５面上に配置されるチップ抵抗器を用いても、風（流体）の流れに対する応答性および感度の劣化を抑制することが可能である。

また、本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、 発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３に絶縁基板５面上に配置されるチップ抵抗器を用いている。流量センサに用いられる発熱用抵抗と温度補償用抵抗は、チップ抵抗器ではなく、リード付き抵抗器とするのが主流である。しかしながら、リード付き抵抗器は、機械的強度が弱い上に主な材料として白金を用いるため価格が高い。その点チップ抵抗器は機械的強度に優れ、安価に量産できる利点がある。

また流量センサ１および１ａは、発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に、温度補償用抵抗３を配置している。そのため、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の、特に端子部分の温度を揃えることができ、風速を計測する際および、特に無風の場合に発熱用抵抗２の温度制御の際の制御応答性を向上できる。

また、本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａは、絶縁基板５を保持する保持部材６を有し、保持部材６は凹部７を有している。そして絶縁基板５の裏面５ｂが、凹部７と対向するように絶縁基板５が凹部７に嵌め合わされ、固定されている。そのため発熱用抵抗２は外気に露出し、発熱用抵抗２は風との接触機会が多くなる。

（他の形態）
上述した本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変形実施が可能である。

たとえば、本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、発熱用抵抗２が絶縁基板５の表面５ａ上に配置され、温度補償用抵抗３が絶縁基板５の裏面５ｂ上に配置されている。しかしながら、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３は、上述の比較流量センサのように絶縁基板５の同じ面に配置されていても良い。

また、信号処理部４は、発熱用抵抗２および温度補償用抵抗３が配置される絶縁基板５とは別の絶縁基板ｅに配置されている。しかしながら、信号処理部４は、発熱用抵抗２および温度補償用抵抗３が配置される絶縁基板５に配置しても良い。

また、流量センサ１および１ａは、発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に温度補償用抵抗３を配置している。これは、発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の端子部の温度差を同等にしやすいためである。そのため、その状態を維持できるのであれば、発熱用抵抗２の絶縁基板５を経由する放熱の経路に温度補償用抵抗３を配置する必要はない。たとえば、信号処理部４が配置される絶縁基板５ｅに温度補償用抵抗３を配置する等しても良い。

また、絶縁基板５に形成されたスリット５ｃ，５ｃ，５ｄ，５ｄは、発熱用抵抗２から温度補償用抵抗３への絶縁基板５を介した熱の伝達しやすさ（熱抵抗）が好適であれば、設ける必要が無い場合がある。

また、本発明の実施の形態に係る流量センサ１ａは、絶縁基板５，５ｅを保持する保持部材６を有している。しかしながら、保持部材６は、必須の構成要素ではないため省略することができる。ただし、流量センサ１ａは、絶縁基板５を保持部材６に嵌め合わせる構成を採用しているため、絶縁基板５が障壁部材を兼務している。仮に保持部材６を省略するのであれば、発熱用抵抗２と風との接触機会よりも、温度補償用抵抗３と風との接触機会を少なくする工夫をする必要がある。

また、本発明の実施の形態では、障壁部材を絶縁基板５としたが、これに限定されない。たとえば、温度補償用抵抗３の一部または全部を覆う断熱材を障壁部材とすることもできる。この断熱材には、たとえば、粘着テープ、接着剤、ウレタンフォームのような発泡性材料等を用いることができる。

また、本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、流体として風（気体、空気、大気）を対象とした風速センサを想定して構成している。しかしながら本発明は、風以外の流体、たとえば水等の液体等を対象とした流量センサにも適用できる。

また、本発明の実施の形態に係る流量センサ１および１ａは、障壁部材を有している。しかし、流量センサ１の構成によっては、障壁部材によらない工夫により、発熱用抵抗２と風との接触機会よりも、温度補償用抵抗３と風との接触機会を少なくすることとしても良い。その工夫は、たとえば発熱用抵抗２と温度補償用抵抗３の配置位置等の工夫である。

１，１ａ 流量センサ
２ 発熱用抵抗
３ 温度補償用抵抗
４ 信号処理部
５ 絶縁基板（障壁部材を兼ねる）
５ａ 絶縁基板の表面
５ｂ 絶縁基板の裏面
６ 保持部材
７ 凹部

Claims (3)

1. 発熱用抵抗と温度補償用抵抗からの信号を処理する信号処理部を有し、前記発熱用抵抗の放熱を利用して流体の流速を検知し、
   前記発熱用抵抗と前記温度補償用抵抗が、絶縁基板面上に配置されるチップ抵抗器であり、
   前記絶縁基板の一方の面に前記発熱用抵抗を配置し、前記絶縁基板の一方の面とは反対側の他方の面に前記温度補償用抵抗を配置し、
   前記絶縁基板を保持する前記保持部材を備え、
   該保持部材は、有底の凹部を有する容器状であり、
   前記温度補償用抵抗が前記凹部に向かい、前記発熱用抵抗が前記凹部の外側に向かうように前記絶縁基板を前記保持部材に保持したことを特徴とする流量センサ。
2. 請求項１に記載の流量センサにおいて、
   前記温度補償用抵抗の一部または全部を覆う断熱材を有することを特徴とする流量センサ。
3. 請求項１または２に記載の流量センサにおいて、
   前記絶縁基板には、スリットが形成され、前記絶縁基板の前記一方の面と、前記他方の面とを繋げている流量センサ。