JP2010164478A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体および１対の測温抵抗体を用いて被検流体の流量検出を行う熱式流量センサにおいて、流量検出の精度を十分に高める。
【解決手段】空気の流路２を、本流路２Ｍと、この本流路２Ｍと平行に延びるとともに上流端および下流端において本流路２Ｍと連通する副流路２Ｓとで構成し、かつ、両者を互いに線対称の断面形状で形成する。そして、発熱抵抗体２２を、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓに跨るように配置し、１対の測温抵抗体２４、２６を、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓの各々において、発熱抵抗体２２から互いに等距離の位置に配置する。これにより、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓを同一の環境温度に設定した上で、本流路２Ｍを流れる空気の流量に対して副流路２Ｓを流れる空気の流量を小さくし、両測温抵抗体２４、２６相互間に生じる抵抗差として検出される温度差を、空気流量の変化に対して略直線的に変化する値として得るようにする。
【選択図】図２

Description

本願発明は、発熱抵抗体および１対の測温抵抗体を用いて被検流体の流量検出を行うように構成された熱式流量センサに関するものである。

従来より、被検流体の流量を検出する流量センサの一形式として、熱式流量センサが知られている。例えば「特許文献１」には、被検流体の流路に配置された発熱抵抗体と、その上流側近傍および下流側近傍において流路に配置された１対の測温抵抗体とを備えた熱式流量センサが記載されている。

この熱式流量センサにおいては、発熱抵抗体に通電することにより、流路を流れる被検流体を加熱した状態で、１対の測温抵抗体相互間に生じる抵抗差を温度差として検出し、この温度差に応じた電圧をセンサ出力として得ることにより、流量検出を行うように構成されている。

また「特許文献２」には、このような熱式流量センサにおいて、広範囲の流量域にわたる流量検出を可能とするため、低流量域では、発熱抵抗体を定電圧で駆動したときに検出される１対の測温抵抗体相互間の温度差に基づいて流量検出を行う一方、高流量域では、発熱抵抗体を交流電圧で駆動したときの駆動信号と上記温度差の検出信号との位相差に基づいて流量検出を行うように構成されたものが記載されている。

さらに「特許文献３」には、被検流体の流路を、本流路と副流路とからなる構成とした上で、本流路に大流量測定用の測温抵抗体を配置するとともに副流路に小流量測定用の測温抵抗体を配置した構成が記載されている。

特開２００２−３１０７６２号公報 特開２００７−３０９９２４号公報 特開２００３−７５２１０号公報

上記「特許文献１」に記載されているような、被検流体の流路において発熱抵抗体の上流側近傍および下流側近傍に１対の測温抵抗体が配置された熱式流量センサにおいては、その１対の測温抵抗体が同じ流れの中に配置されているので、１対の測温抵抗体相互間に生じる温度差を、被検流体の流量の変化に対して直線的に変化する値として検出することが容易でない。特に、被検流体が気体の場合には、その直線性を高めることが困難である。このため、従来の熱式流量センサにおいては、流量検出の精度を十分に高めることができない、という問題がある。

このような問題は、上記「特許文献２」あるいは「特許文献３」に記載された熱式流量センサの構成を採用した場合においても、同様に生じ得る問題である。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発熱抵抗体および１対の測温抵抗体を用いて被検流体の流量検出を行うように構成された熱式流量センサにおいて、流量検出の精度を十分に高めることができる熱式流量センサを提供することを目的とするものである。

本願発明は、被検流体の流路を、本流路と所定の副流路とからなる構成とした上で、これら本流路および副流路に発熱抵抗体を配置するとともに、１対の測温抵抗体をこれら本流路および副流路の各々において発熱抵抗体から互いに等距離の位置に配置することにより、上記目的達成を図るようにしたものである。

すなわち、本願発明に係る熱式流量センサは、
被検流体の流路に配置された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍において上記流路に配置された第１および第２の測温抵抗体と、上記発熱抵抗体に通電することにより、上記流路を流れる被検流体を加熱した状態で、上記両測温抵抗体相互間に生じる温度差を検出し、この温度差に応じた電圧をセンサ出力として得るように構成された検出制御手段と、を備えてなる熱式流量センサにおいて、
上記流路が、本流路と、この本流路と平行に延びるとともに上流端および下流端において該本流路と連通するように形成された副流路とからなり、
上記本流路と上記副流路とが、互いに線対称の断面形状で形成されており、
上記発熱抵抗体が、上記本流路および上記副流路に配置されており、
上記第１の測温抵抗体が、上記本流路に配置されるとともに、上記第２の測温抵抗体が、上記副流路に配置されており、
上記第１の測温抵抗体と上記第２の測温抵抗体とが、被検流体の流れ方向に関して上記発熱抵抗体から互いに等距離の位置に配置されている、ことを特徴とするものである。

上記「被検流体」は、流体であればその種類は特に限定されるものではなく、例えばメタノールや水等の液体あるいは空気や水素等の気体が採用可能である。

上記「発熱抵抗体」は、本流路および副流路の各々に対して１つずつ配置されたものとしてもよいし、本流路および副流路に跨る単一の発熱抵抗体で構成されたものとしてもよい。

上記「第１の測温抵抗体」および「第２の測温抵抗体」は、被検流体の流れ方向に関して発熱抵抗体から互いに等距離の位置に配置されていれば、これら各測温抵抗体は、発熱抵抗体に対して上流側に配置されていてもよいし下流側に配置されていてもよい。

上記構成に示すように、本願発明に係る熱式流量センサは、被検流体の流路に配置された発熱抵抗体を加熱した状態で、この発熱抵抗体の近傍に配置された第１および第２の測温抵抗体相互間に生じる温度差を検出し、この温度差に応じた電圧をセンサ出力として得るように構成されているが、その流路は本流路とこの本流路と平行に延びるとともに上流端および下流端において該本流路と連通するように形成された副流路とからなり、かつ、これら本流路および副流路は互いに線対称の断面形状で形成されているので、両者を同一の環境温度に設定した上で、本流路を流れる被検流体の流量に対して副流路を流れる被検流体の流量を小さくすることができる。

その上で、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、発熱抵抗体が本流路および副流路に配置されており、また、第１の測温抵抗体が本流路に配置されるとともに、第２の測温抵抗体が副流路に配置されており、かつ、これら第１および第２の測温抵抗体は、被検流体の流れ方向に関して発熱抵抗体から互いに等距離の位置に配置されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、本流路および副流路の各々において発熱抵抗体を同一の条件で加熱することにより、この発熱抵抗体から等距離の位置にある第１および第２の測温抵抗体の抵抗値は、流量ゼロの場合には、互いに同じ値となり、流量が発生している場合には、相対的に流量が大きい本流路に配置された第１の測温抵抗体の方が、相対的に流量が小さい副流路に配置された第２の測温抵抗体よりも、大きく変化することとなる。

その際、本流路および副流路は同一の環境温度に設定されているので、第１の測温抵抗体の抵抗値と第２の測温抵抗体の抵抗値との間に、環境温度の要因による差異が生じてしまうのを未然に防止することができる。

したがって、これら第１および第２の測温抵抗体相互間に生じる抵抗差を温度差として検出する際、この温度差の出力（以下、単に「温度差出力」という）を、被検流体の流量の変化に対して略直線的に変化する値として得ることができ、これにより流量検出の精度を十分に高めることができる。

このように本願発明によれば、発熱抵抗体および１対の測温抵抗体を用いて被検流体の流量検出を行うように構成された熱式流量センサにおいて、流量検出の精度を十分に高めることができる。

上記構成において、発熱抵抗体を、本流路および副流路に跨る単一の発熱抵抗体で構成すれば、本流路および副流路を同一の条件で加熱することが容易に可能となり、これにより流量検出の精度をより高めることができる。

上記構成において、第１の測温抵抗体が、発熱抵抗体に対して上流側、下流側いずれに配置されていてもよいことは上述したとおりであるが、発熱抵抗体よりも上流側に配置された構成とすれば、第１の測温抵抗体の抵抗値を被検流体の流量の変化に対して感度良く変化させることができ、これにより流量検出の精度をより高めることができる。

この場合において、第２の測温抵抗体が発熱抵抗体よりも上流側に配置された構成とすれば、第１および第２の測温抵抗体を同一の条件で配置することができるので、流量検出の精度をさらに高めることができる。ただし、副流路を流れる被検流体の流量を十分小さく設定することができていれば、第２の測温抵抗体が発熱抵抗体よりも下流側に配置された構成とした場合においても、流量検出の精度を高めることが可能である。

上記構成において、副流路の上流端および下流端における本流路との連通部分の開口面積を、該副流路の断面積よりも小さい値に設定すれば、副流路を流れる被検流体の流量を十分小さくすることが可能となる。そしてこれにより、被検流体の流量の変化に対する温度差出力の変化を、より直線的なものとすることができる。

この場合において、上記検出制御手段の構成として、発熱抵抗体への通電を周期的なオンオフの駆動により行う構成とした上で、副流路の上流端および下流端における本流路との連通部分の開口面積を、該副流路に流入した被検流体を、上記オンオフの駆動の周期と略同じ時間で、該副流路から流出させるような値に設定すれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、副流路を流れる被検流体を上記周期毎に入れ換えることができるので、副流路を流れる被検流体の温度を本流路を流れる被検流体の温度と同じ値に維持することができ、これにより温度差出力の検出精度を高めることができる。そして、このように副流路を流れる被検流体の温度を本流路を流れる被検流体の温度と同じ値に維持可能な範囲内で、副流路を流れる被検流体の流量を最小限に抑えることができるので、被検流体の流量の変化に対する温度差出力の変化を最大限に直線的なものとすることができる。

以下、図面を用いて、本願発明の実施の形態について説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係る熱式流量センサ１０を示すブロック図である。

同図に示すように、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、センサ本体１０Ａと、このセンサ本体１０Ａに接続された制御ユニット１０Ｂとからなっている。

図２は、この熱式流量センサ１０のセンサ本体１０Ａを、被検流体の流路２と共に示す斜視図である。

同図に示すように、このセンサ本体１０Ａは、２枚の基板１０２、１０４と共に積層基板ユニット１００を構成しており、両基板１０２、１０４間に形成される被検流体の流路２に配置された状態で用いられるようになっている。

この積層基板ユニット１００は、例えばノート型パソコン等のような小型電子機器用の燃料電池システム（図示せず）の一部として組み込まれるようになっている。その際、この燃料電池システムにおいては、メタノール、空気、水素の各流路と、これら各流路の流量を制御するための電子回路とが、多層基板に組み込まれるようにして形成されている。そして、この多層基板内に形成される流路の一部分が、積層基板ユニット１００の流路２により構成されるようになっている。

この積層基板ユニット１００の流路２は、上記燃料電池システムにおいて空気ポンプ（図示せず）から吐出される空気の流路として構成されている。そして、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、この流路２を流れる空気を被検流体として、その流量検出を行うようになっている。

なお、同図においては、流路２を実線で示しており、両基板１０２、１０４を２点鎖線で示しており、空気の流れる向きを破線の矢印で示している。

センサ本体１０Ａについて説明する前に、積層基板ユニット１００に形成された流路２の構成について説明する。

図３（ａ）は、積層基板ユニット１００を示す平断面図であり、同図（ｂ）は、その側断面図である。その際、同図（ａ）は、同図（ｂ）のａ−ａ線断面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。

同図にも示すように、流路２は、本流路２Ｍと副流路２Ｓとからなっている。

本流路２Ｍは、幅１ｍｍ、高さ１ｍｍの正方形断面で、直線状に延びるように形成されている。

一方、副流路２Ｓは、本流路２Ｍに近接した位置において、全長５ｍｍにわたって直線状に延びるように形成されている。その際、この副流路２Ｓは、幅１ｍｍ、高さ１ｍｍの正方形断面で、本流路２Ｍと平行に延びており、その上流端および下流端において本流路２Ｍと連通するように形成されている。

これら本流路２Ｍおよび副流路２Ｓは、下側の基板１０２の上面に、凹溝部として形成されている。その際、この基板１０２は、板厚１．５ｍｍ、幅３．５ｍｍに設定されている。そしてこれにより、この基板１０２における本流路２Ｍの下面壁部分は肉厚０．５ｍｍに設定されており、また、この基板１０２における本流路２Ｍと副流路２Ｓとの間の中間壁部分は肉厚０．５ｍｍに設定されており、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓの両側の側面壁部分は、それぞれ肉厚０．５ｍｍに設定されている。

副流路２Ｓの上流端および下流端における本流路２Ｍとの連通部分２ａ、２ｂは、いずれも本流路２Ｍおよび副流路２Ｓが延びる方向（すなわち空気の流れ方向）と直交する方向に延びるように形成されている。その際、これら各連通部分２ａ、２ｂは、その開口面積が、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓの断面積よりも小さい値に設定されており、これら本流路２Ｍおよび副流路２Ｓをその上部において連通するようにして凹溝状に形成されている。具体的には、これら各連通部分２ａ、２ｂの断面形状は、幅０．２ｍｍ、高さ０．５ｍｍの縦長矩形状に設定されている。

そしてこれにより、本流路２Ｍを流れる空気の流量に対して、副流路２Ｓを流れる空気の流量が、十分小さくなるように設定されている。具体的には、本流路２Ｍを流れる空気は、毎分０．０１〜０．１リットル程度の流量で送気されるようになっている。一方、副流路２Ｓを流れる空気は、その上流端の連通部分２ａを介して本流路２Ｍから流入した空気が、約１秒後に、その下流端の連通部分２ｂを介して本流路２Ｍへ流出するようになっている。

この点について、さらに具体的に説明すると、以下のとおりである。

すなわち、例えば、本流路２Ｍを流れる空気の流量が毎分０．０６リットルであるとすると、本流路２Ｍの断面積は１ミリ平方メートルであるので、その流速は秒速１ｍとなる。一方、副流路２Ｓを流れる空気が１秒で入れ換わるとすると、副流路２Ｓの長さは５ｍｍであるので、その流速は秒速５ｍｍとなる。したがって、本流路２Ｍを流れる空気に対して、副流路２Ｓを流れる空気は、その流速が１／２００となり、相対的に十分小さい値となる。

本実施形態においては、副流路２Ｓを流れる空気が約１秒で入れ換わるようにするため、各連通部分２ａ、２ｂは、その断面形状が上述したような幅０．２ｍｍ、高さ０．５ｍｍの縦長矩形状に設定されている。その際、各連通部分２ａ、２ｂの開口面積は、０．１ミリ平方メートルとなり、副流路２Ｓの断面積（１ミリ平方メートル）に対して１／１０の値となっている。

上側の基板１０４は、板厚０．５ｍｍ、幅３．５ｍｍで平板状に形成されており、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓの上面壁部分を形成するようになっている。

以上の構成により、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓは、互いに同一かつ線対称の断面形状で形成されたものとなっている。また、積層基板ユニット１００における本流路２Ｍおよび副流路２Ｓを囲む周壁部分も、互いに線対称の断面形状で形成されている。

次に、センサ本体１０Ａの構成について説明する。

このセンサ本体１０Ａは、流路２に配置された発熱抵抗体２２と、この発熱抵抗体２２の近傍において流路２に配置された第１および第２の測温抵抗体２４、２６と、これら発熱抵抗体２２および測温抵抗体２４、２６から流れ方向上流側に十分離れた位置において流路２に配置された基準抵抗体２８とを備えてなっている。

発熱抵抗体２２は、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓに跨る単一の発熱抵抗体で構成されている、その際、この発熱抵抗体２２は、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓが延びる方向と直交する方向に、幅２０μｍで帯状に延びるようにして配置されている。

第１の測温抵抗体２４は、本流路２Ｍにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されており、第２の測温抵抗体２６は、副流路２Ｓにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されている。そして、測温抵抗体２４は、本流路２Ｍが延びる方向と直交する方向に、幅２０μｍで帯状に延びるようにして配置されており、測温抵抗体２６は、副流路２Ｓが延びる方向と直交する方向に、幅２０μｍで帯状に延びるようにして配置されている。その際、これら１対の測温抵抗体２４、２６は、空気の流れ方向に関して発熱抵抗体２２から互いに等距離の位置に配置されている。具体的には、これら各測温抵抗体２４、２６と発熱抵抗体２２との中心間距離は、いずれも２５０μｍに設定されている。

基準抵抗体２８は、本流路２Ｍにおいて発熱抵抗体２２から流れ方向上流側に十分離れた位置に配置されている。この基準抵抗体２８は、本流路２Ｍが延びる方向と直交する方向に、幅２０μｍで帯状に延びるようにして配置されている。

これらセンサ本体１０Ａを構成する発熱抵抗体２２、各測温抵抗体２４、２６および基準抵抗体２８は、上側の基板１０４の下面に、膜厚０．２μｍの導電膜として形成されている。その際、これら発熱抵抗体２２、各測温抵抗体２４、２６および基準抵抗体２８は、いずれも同じ抵抗値となるように形成されている。

次に、制御ユニット１０Ｂの構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る熱式流量センサ１０の制御ユニット１０Ｂは、マイクロプロセッサ５２と、発熱抵抗体駆動回路５４と、基準抵抗体駆動回路５６と、差動増幅器５８と、Ａ／Ｄ変換器６０とを備えてなっている。

マイクロプロセッサ５２は、駆動制御部６２と検出処理部６４とを備えている。

駆動制御部６２は、発熱抵抗体駆動回路５４を介して発熱抵抗体２２に接続されるとともに、基準抵抗体駆動回路５６を介して基準抵抗体２８に接続されている。検出処理部６４は、この駆動制御部６２に接続されるとともに、Ａ／Ｄ変換器６０および差動増幅器５８を介して１対の測温抵抗体２４、２６の各々に接続されている。その際、これら１対の測温抵抗体２４、２６は、ブリッジ回路の一部を構成しており、両者間に生じる抵抗差に応じた電圧が、このブリッジ回路から差動増幅器５８に入力されるようになっている。

本実施形態に係る熱式流量センサ１０による流量検出は、次のような手順で行われるようになっている。

すなわち、駆動制御部６２により、発熱抵抗体駆動回路５４を介して発熱抵抗体２２に通電し、この発熱抵抗体２２を、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓを流れる空気の温度よりも高い温度に加熱する。この発熱抵抗体２２の加熱によって、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓを流れる空気は、その温度が局所的に上昇する。その際、本流路２Ｍにおける空気の流量は大きいのに対し、副流路２Ｓにおける空気の流量は小さいので、副流路２Ｓにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に配置された測温抵抗体２６は、本流路２Ｍにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に配置された測温抵抗体２４よりも温度が高くなり、したがって、その抵抗値も相対的に高くなる。そして、これら１対の測温抵抗体２４、２６相互間に生じる抵抗差は、流路２を流れる空気の流量が増大するに従って増加する。

この抵抗差により生じるブリッジ回路の出力電圧は、差動増幅器５８で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６０を介して検出処理部６４に、温度差出力Ｖｂとして入力される。

その際、発熱抵抗体２２への通電を、周期的なオンオフの駆動により行い、このとき交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの振幅に基づいて、空気の流量を示す電圧を算出する。そして、このようにして算出された電圧Ｖｓが、センサ出力として、検出処理部６４から外部へ出力される。

なお、この熱式流量センサ１０においては、その駆動制御部６２により、基準抵抗体駆動回路５６を介して基準抵抗体２８に通電して、この基準抵抗体２８を定電流駆動し、その際印加される電圧により、流路２を流れる空気の温度を、発熱抵抗体２２よりも上流側において正確に検出するようになっている。そして、このようにして検出された液温を、発熱抵抗体２２を加熱する際の基準温度とするようになっている。

図４は、上記流量検出に関連する波形を示す図である。

発熱抵抗体２２の加熱は、駆動制御部６２による周期的なオンオフの駆動により、同図（ａ）に示すような矩形波状の駆動電圧Ｖｈを発熱抵抗体２２に印加することにより行う。

この周期的なオンオフの駆動により、温度差出力Ｖｂは、同図（ｂ）に示すような交流信号として出力される。

その際、この温度差出力Ｖｂは、駆動電圧Ｖｈのステップ入力に対する応答曲線として、発熱抵抗体２２への通電がオンになった立ち上がり時点ｔonの直後は、ある程度の直線性を持って急激に増大し、その後、２点鎖線で示すように徐々に増大の度合が小さくなって飽和し、一方、発熱抵抗体２２への通電がオフになった立ち下がり時点ｔoff の直後は、温度差の値がある程度の直線性を持って急激に減少し、その後、２点鎖線で示すように徐々に減少の度合が小さくなって飽和する。

上記オンオフの駆動は、立ち上がり時点ｔonから、温度差出力Ｖｂが飽和する前の所定の時点ｔ１までの時間（または、立ち下がり時点ｔoff から温度差出力Ｖｂが飽和する前の所定の時点ｔ２までの時間）を半周期Ｔ／２として行う。これにより、温度差出力Ｖｂは、オンオフの各ステップ入力に対する応答曲線を、周期Ｔと同じ時間間隔で繋げた略鋸歯状の波形を有するものとなる。その際、同図（ｂ）において破線で示すように、空気の流量が大きくなると、温度差出力Ｖｂの応答性が向上するため、これに伴ってその振幅も大きくなる。

次に、この交流信号として得られる温度差出力Ｖｂに対して、上記オンオフの駆動の周期Ｔと同一の周期で位相検波を行う。この位相検波は、駆動電圧Ｖｈの立ち上がり時点ｔonから９０°遅れた位相で行う。そして、この位相検波された信号に対して平滑化を行うことにより、同図（ｃ）に示すようなセンサ出力となる一定の電圧Ｖｓを得るようにする。その際、同図（ｃ）において破線で示すように、空気の流量が大きくなると、電圧Ｖｓの値も大きくなる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、空気の流路２に配置された発熱抵抗体２２を加熱した状態で、この発熱抵抗体２２の近傍に配置された第１および第２の測温抵抗体２４、２６相互間に生じる抵抗差を温度差として検出し、この温度差出力Ｖｂに応じた電圧Ｖｓをセンサ出力として得るように構成されているが、その流路２は本流路２Ｍとこの本流路２Ｍと平行に延びるとともに上流端および下流端において該本流路２Ｍと連通するように形成された副流路２Ｓとからなり、かつ、これら本流路２Ｍおよび副流路２Ｓは互いに線対称の断面形状で形成されているので、両者を同一の環境温度に設定した上で、本流路２Ｍを流れる空気の流量に対して副流路２Ｓを流れる空気の流量を小さくすることができる。

その上で、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、発熱抵抗体２２が本流路２Ｍおよび副流路２Ｓに配置されており、また、第１の測温抵抗体２４が本流路２Ｍに配置されるとともに、第２の測温抵抗体２６が副流路２Ｓに配置されており、かつ、これら１対の測温抵抗体２４、２６は、空気の流れ方向に関して発熱抵抗体２２から互いに等距離の位置に配置されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓの各々において発熱抵抗体２２を同一の条件で加熱することにより、この発熱抵抗体２２から等距離の位置にある１対の測温抵抗体２４、２６の抵抗値は、流量ゼロの場合には、互いに同じ値となり、流量が発生している場合には、相対的に流量が大きい本流路２Ｍに配置された測温抵抗体２４の方が、相対的に流量が小さい副流路２Ｓに配置された測温抵抗体２６よりも、大きく変化することとなる。

その際、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓは同一の環境温度に設定されているので、測温抵抗体２４の抵抗値と測温抵抗体２６の抵抗値との間に、環境温度の要因による差異が生じてしまうのを未然に防止することができる。

したがって、これら１対の測温抵抗体２４、２６相互間に生じる抵抗差を温度差として検出する際、その温度差出力Ｖｂを、空気の流量の変化に対して略直線的に変化する値として検出することができ、これにより流量検出の精度を十分に高めることができる。

このように本実施形態によれば、発熱抵抗体２２および１対の測温抵抗体２４、２６を用いて空気の流量検出を行うように構成された熱式流量センサにおいて、流量検出の精度を十分に高めることができる。

しかも本実施形態においては、発熱抵抗体２２が、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓに跨る単一の発熱抵抗体として構成されているので、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓを同一の条件で加熱することが容易に可能となり、これにより流量検出の精度をより高めることができる。

その際、本実施形態においては、本流路２Ｍの測温抵抗体２４が発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されているので、この測温抵抗体２４の抵抗値を空気の流量の変化に対して感度良く変化させることができ、これにより流量検出の精度をより高めることができる。

また本実施形態においては、副流路２Ｓの測温抵抗体２６が発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されているので、１対の測温抵抗体２４、２６を同一の条件で配置することができ、これにより流量検出の精度をさらに高めることができる。なお本実施形態においては、副流路２Ｓを流れる空気の流量が十分小さい値（すなわち毎秒５ｍｍの流速）に設定されているので、測温抵抗体２６が発熱抵抗体２２よりも下流側に配置された構成とした場合においても、流量検出の精度を高めることが可能である。

さらに本実施形態においては、副流路２Ｓの上流端および下流端における本流路２Ｍとの連通部分２ａ、２ｂの開口面積が、副流路２Ｓの断面積よりも小さい値に設定されているので、副流路２Ｓを流れる空気の流量を上述したように十分小さくすることができ、これにより、空気の流量の変化に対する温度差出力Ｖｂの変化を、より直線的なものとすることができる。

その際、本実施形態においては、その検出制御手段としてのマイクロプロセッサ５２の駆動制御部６２により、発熱抵抗体２２への通電を周期的なオンオフの駆動により行う構成となっているが、副流路２Ｓの上流端および下流端における本流路２Ｍとの連通部分２ａ、２ｂは、その開口面積が、副流路２Ｓに流入した空気を、上記オンオフの駆動の周期Ｔと略同じ時間で、副流路２Ｓから流出させるような値に設定されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、副流路２Ｓを流れる空気を周期Ｔ毎に入れ換えることができるので、副流路２Ｓを流れる空気の温度を本流路２Ｍを流れる空気の温度と同じ値に維持することができ、これにより温度差出力Ｖｂの検出精度を高めることができる。そして、このように副流路２Ｓを流れる空気の温度を本流路２Ｍを流れる空気の温度と同じ値に維持可能な範囲内で、副流路２Ｓを流れる空気の流量を最小限に抑えることができるので、空気の流量の変化に対する温度差出力Ｖｂの変化を最大限に直線的なものとすることができる。

図５は、本実施形態の作用効果を確認するために行った実験の結果をグラフで示す図である。

同図において、実線で示すグラフは、本実施形態のように、測温抵抗体２４を、本流路２Ｍにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に配置するとともに、測温抵抗体２６を、副流路２Ｓにおいて発熱抵抗体２２よりも上流側に、測温抵抗体２４と同じ距離だけ離して配置した状態において、空気の流量を変化させたときの、両測温抵抗体２４、２６相互間に生じる温度差を測定した結果を示すグラフである。

また、同図において、破線で示すグラフは、本実施形態とは逆に、測温抵抗体２４を、本流路２Ｍにおいて発熱抵抗体２２よりも下流側に配置するとともに、測温抵抗体２６を、副流路２Ｓにおいて発熱抵抗体２２よりも下流側に、測温抵抗体２４と同じ距離だけ離して配置した状態での、同様の測定結果を示すグラフである。

さらに、同図において、２点鎖線で示すグラフは、従来例として、単一の流路２において、測温抵抗体２４を発熱抵抗体２２よりも下流側に配置するとともに、測温抵抗体２６を発熱抵抗体２２よりも上流側に、測温抵抗体２４と同じ距離だけ離して配置した状態での、同様の測定結果を示すグラフである。

従来例の構成では、２点鎖線のグラフで示すように、空気の流量が０〜０．０２L/min の微量流量域では、空気の流量が増大するのに伴って温度差も直線的に増加するが、空気の流量がそれよりも大きい０．０２〜０．０５L/min の流量域では、空気流量の増大に対して温度差の増加率が急激に鈍化し、０．０５L/min
以上の流量領域では、空気流量の増大に対して温度差が僅かずつ増加するに過ぎないものとなる。このため、本実施形態において流量検出の対象としている０．０１〜０．１L/min の流量域において、空気流量の増大に対して温度差が直線的に増加する特性を得ることはできない。

これに対し、本実施形態においては、実線のグラフで示すように、空気の流量が０〜０．０３L/min の微量流量域では、空気の流量が増大するのに伴って温度差も直線的に増加し、空気の流量がそれよりも大きくなると、空気流量の増大に対して温度差の増加率が徐々に鈍化するが、本実施形態において流量検出の対象としている０．０１〜０．１L/min の流量域において、空気流量の増大に対して温度差が略直線的に増加する特性を得ることができる。

一方、本実施形態とは逆の配置にした場合においては、破線のグラフで示すように、本実施形態において流量検出の対象としている０．０１〜０．１L/min の流量域のうち、０．０１〜０．０２L/min の微量流量域を除く流領域では、空気流量の増大に対して温度差が略直線的に増加する特性を得ることができる。ただし、実線のグラフに比して、空気流量の増大に対する温度差の増加の度合が小さいものとなり、やや感度が劣るものとなる。

ところで、本実施形態においては、マイクロプロセッサ５２の駆動制御部６２において、上記オンオフの駆動を、発熱抵抗体２２への通電をオンにした時点ｔonから温度差出力Ｖｂの値が飽和する前の所定の時点ｔ２までの時間（または、立ち下がり時点ｔoff から温度差出力Ｖｂの値が飽和する前の所定の時点ｔ２までの時間）を半周期Ｔ／２として行うとともに、その検出処理部６４において、上記オンオフの駆動により交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの振幅に基づいて、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する構成となっているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、発熱抵抗体２２の駆動電圧Ｖｈをステップ入力により変化させたときの、温度差出力Ｖｂの変化の度合は、空気の流量（正確には流速）が大きくなるほど大きくなることに鑑み、本実施形態においては、発熱抵抗体２２への通電をオンオフの駆動により行うようにした上で、このオンオフの駆動を、オン（またはオフ）にした時点ｔon（またはｔoff ）から温度差出力Ｖｂの値が飽和する前の所定の時点ｔ１（またはｔ２）までの時間を半周期Ｔ／２として行うようになっているので、このオンオフの駆動により交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの振幅を、空気の流量が大きくなるほど大きい値として得ることができる。したがって、この温度差出力Ｖｂの振幅に基づいて、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出することにより、流量検出を行うことができる。

その際、本実施形態においては、従来のように温度差出力Ｖｂ自体に基づいて流量検出を行うのではなく、その振幅（すなわち温度差出力Ｖｂの変化の度合）に基づいて流量検出を行う構成となっているので、空気の流量がゼロのときのセンサ出力をセンサ出力の基準として用いることなく流量検出を行うことができる。このため、たとえ１対の測温抵抗体２４、２６の特性が不揃いであり、かつ環境温度が変化するようなことがあっても、センサ出力となる電圧Ｖｓにその影響が及んでしまうおそれをなくすことができ、これにより略正確な流量検出を行うことができる。

しかも、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、従来の熱式流量センサにおいて流量検出の精度を確保するために行われているセンサ出力のゼロ点校正が不要となるので、流量検出を連続して行うことができる。

また、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、発熱抵抗体２２への通電を周期的なオンオフの駆動により行う構成となっているので、従来の熱式流量センサに比して電力消費量を大幅に削減することができる。

さらに、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、その検出処理部６４が、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂに対して、オンオフの駆動の周期Ｔと同一の周期で位相検波を行った後、平滑化を行うことにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する構成となっているので、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂをセンサ出力となる電圧Ｖｓの算出に精度良く反映させることができ、これにより流量検出をより正確に行うことが可能となる。

その際、検出処理部６４は、上記位相検波を、発熱抵抗体２２への通電をオンにした時点ｔonから９０°遅れた位相で行う構成となっているので、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの波形をセンサ出力となる電圧Ｖｓの算出に最大限に反映させることができる。

しかも、この検出処理部６４は、上記位相検波後の平滑化を行う際、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂに対して、オンオフの駆動の周期Ｔと同一の周期で移動平均処理を施すようになっているので、その平滑化を精度良く行うことができる。

上記実施形態においては、本流路２Ｍおよび副流路２Ｓが、いずれも幅１ｍｍ、高さ１ｍｍの正方形断面で形成されているものとして説明したが、これら本流路２Ｍおよび副流路２Ｓは、互いに線対称の断面形状で形成されていれば、正方形以外の断面形状（例えば、逆三角形、Ｕ字形等の断面形状）で形成されたものとしてもよく、このようにした場合においても上記実施形態の場合と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施形態においては、測温抵抗体２４、２６が、いずれも発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されているものとして説明したが、発熱抵抗体２２から互いに等距離の位置であれば、これら測温抵抗体２４、２６のうちの一方が発熱抵抗体２２よりも上流側に配置されるとともに他方が発熱抵抗体２２よりも下流側に配置された構成とすることも可能である。

上記実施形態においては、熱式流量センサ１０が、燃料電池システムにおける多層基板の一部として組み込まれるように構成された積層基板ユニット１００の内部に形成される空気の流路２に配置された状態で、空気の流量検出を行うものとして説明したが、この熱式流量センサ１０を、空気以外の水素等の気体の流量検出を行うため、あるいはメタノールや水等の液体の流量検出を行うために用いるようにすることも可能である。

上記実施形態においては、熱式流量センサ１０が、積層基板ユニット１００の一部として組み込まれた状態で用いられるものとして説明したが、この熱式流量センサ１０を、これ以外の態様で用いることももちろん可能である。

なお、上記実施形態において諸元として示した数値は一例にすぎず、これらを適宜異なる値に設定してもよいことはもちろんである。

本願発明の一実施形態に係る熱式流量センサを示すブロック図 上記熱式流量センサのセンサ本体を、被検流体の流路と共に示す斜視図 （ａ）は、上記熱式流量センサの積層基板ユニットを示す平断面図、（ｂ）は、その側断面図 上記実施形態における流量検出に関連する波形を示す図 上記実施形態の作用効果を確認するために行った実験の結果をグラフで示す図

２ 流路
２Ｍ 本流路
２Ｓ 副流路
２ａ、２ｂ 連通部分
１０ 熱式流量センサ
１０Ａ センサ本体
１０Ｂ 制御ユニット
２２ 発熱抵抗体
２４ 第１の測温抵抗体
２６ 第２の測温抵抗体
２８ 基準抵抗体
５２ マイクロプロセッサ（検出制御手段）
５４ 発熱抵抗体駆動回路
５６ 基準抵抗体駆動回路
５８ 差動増幅器
６０ Ａ／Ｄ変換器
６２ 駆動制御部
６４ 検出処理部
１００ 積層基板ユニット
１０２、１０４ 基板

Claims (6)

1. 被検流体の流路に配置された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍において上記流路に配置された第１および第２の測温抵抗体と、上記発熱抵抗体に通電することにより、上記流路を流れる被検流体を加熱した状態で、上記両測温抵抗体相互間に生じる温度差を検出し、この温度差に応じた電圧をセンサ出力として得るように構成された検出制御手段と、を備えてなる熱式流量センサにおいて、
   上記流路が、本流路と、この本流路と平行に延びるとともに上流端および下流端において該本流路と連通するように形成された副流路とからなり、
   上記本流路と上記副流路とが、互いに線対称の断面形状で形成されており、
   上記発熱抵抗体が、上記本流路および上記副流路に配置されており、
   上記第１の測温抵抗体が、上記本流路に配置されるとともに、上記第２の測温抵抗体が、上記副流路に配置されており、
   上記第１の測温抵抗体と上記第２の測温抵抗体とが、被検流体の流れ方向に関して上記発熱抵抗体から互いに等距離の位置に配置されている、ことを特徴とする熱式流量センサ。
2. 上記発熱抵抗体が、上記本流路および上記副流路に跨る単一の発熱抵抗体で構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の熱式流量センサ。
3. 上記第１の測温抵抗体が、上記発熱抵抗体よりも上流側に配置されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の熱式流量センサ。
4. 上記第２の測温抵抗体が、上記発熱抵抗体よりも上流側に配置されている、ことを特徴とする請求項３記載の熱式流量センサ。
5. 上記副流路の上流端および下流端における上記本流路との連通部分の開口面積が、該副流路の断面積よりも小さい値に設定されている、ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の熱式流量センサ。
6. 上記検出制御手段が、上記発熱抵抗体への通電を周期的なオンオフの駆動により行うように構成されており、
   上記連通部分の開口面積が、該副流路に流入した被検流体を、上記オンオフの駆動の周期と略同じ時間で、該副流路から流出させるような値に設定されている、ことを特徴とする請求項５記載の熱式流量センサ。

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