JP2010164479A

JP2010164479A - Thermal flow rate sensor

Info

Publication number: JP2010164479A
Application number: JP2009007868A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Kosugi; 津代志小杉
Original assignee: Star Micronics Co Ltd
Current assignee: Star Micronics Co Ltd
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure sufficiently accuracy of flow rate detection, even when an environmental temperature is changed, in a thermal flow rate sensor for detecting a flow rate of test fluid by using a heating resistor and a pair of temperature-measuring resistors. <P>SOLUTION: The heating resistor 22 is energized by periodical on-off driving, and a temperature difference generated between the pair of temperature-measuring resistors 24, 26 is outputted as an AC signal, and a voltage Vs which is a sensor output is calculated based on the amplitude of a temperature difference output Vb. Then, the heating resistor 22 and each temperature-measuring resistor 24, 26 have constitutions formed on a glass substrate 12 having a small thermal expansion coefficient. Thus, generation of thermal strain on the glass substrate 12 caused by on-off driving is suppressed effectively, and a change of each resistance value of each temperature-measuring resistor 24, 26 caused thereby is reduced sufficiently, and the temperature difference output Vb is hardly influenced by thermal strain. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。 The present invention relates to a thermal flow sensor configured to detect a flow rate of a fluid to be detected using a heating resistor and a pair of temperature measuring resistors.

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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a thermal flow sensor is known as a type of flow sensor that detects a flow rate of a fluid to be detected. For example, “Patent Document 1” includes a heating resistor arranged in the flow path of the fluid to be tested, and a pair of temperature measuring resistors arranged in the flow path in the vicinity of the upstream side and the vicinity of the downstream side thereof. A thermal flow sensor is described.

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。 In this thermal type flow sensor, by energizing the heating resistor, the resistance difference generated between the pair of temperature measuring resistors is detected as a temperature difference in a state where the test fluid flowing through the flow path is heated, A flow rate is detected by obtaining a voltage corresponding to the temperature difference as a sensor output.

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。 Further, in “Patent Document 2”, in such a thermal flow sensor, in order to enable detection of a flow rate over a wide range of flow, it is detected when the heating resistor is driven at a constant voltage in a low flow rate. While the flow rate is detected based on the temperature difference between the pair of resistance temperature detectors, in the high flow rate range, the phase difference between the drive signal when the heating resistor is driven with an AC voltage and the temperature difference detection signal. Is configured to perform flow rate detection based on the above.

さらに「特許文献３」には、一方の測温抵抗体が第１の温度まで上昇したときに発熱抵抗体への通電を停止するとともに、その後、他方の測温抵抗体が第２の温度まで降下したときに発熱抵抗体への通電を再開する動作を繰り返し、その際の周期に基づいて流量検出を行うように構成された熱式流量センサが記載されている。 Further, in “Patent Document 3”, when one of the resistance temperature detectors rises to the first temperature, the energization to the heating resistor is stopped, and thereafter, the other resistance temperature detector reaches the second temperature. There is described a thermal flow sensor configured to repeat the operation of resuming energization to the heating resistor when it is lowered and to detect the flow rate based on the period at that time.

特開２００２−３１０７６２号公報JP 2002-310762 A 特開２００７−３０９９２４号公報JP 2007-309924 A 特開２００８−１４７２９号公報JP 2008-14729 A

上記「特許文献１」に記載されているような、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熱式流量センサにおいては、これら１対の測温抵抗体の特性が不揃いであると、環境温度の変化（具体的には、流路を流れる被検流体の温度の変化と熱式流量センサの外部からの熱影響による温度の変化との和）に伴って、そのセンサ出力となる電圧にズレが生じてくる。すなわち、環境温度が変化すると、被検流体の流量がゼロのときのセンサ出力となる電圧も変化する。この被検流体の流量がゼロのときのセンサ出力は、センサ出力の基準となるため、正確な流量検出を行うことができなくなってしまう。 In a thermal type flow sensor that detects a flow rate based on a temperature difference between a pair of resistance temperature detectors as described in the above-mentioned “Patent Document 1”, the characteristics of the pair of resistance temperature detectors Is uneven, along with a change in the environmental temperature (specifically, the sum of the change in the temperature of the fluid under test flowing through the flow path and the change in temperature due to the thermal effect from the outside of the thermal flow sensor) Deviation occurs in the voltage that becomes the sensor output. That is, when the environmental temperature changes, the voltage that becomes the sensor output when the flow rate of the fluid to be detected is zero also changes. Since the sensor output when the flow rate of the fluid to be detected is zero serves as a reference for the sensor output, accurate flow rate detection cannot be performed.

そこで、このような熱式流量センサにおいては、その温度補償を図るため、センサ出力のゼロ点校正が行われるようになっている。しかしながら、このゼロ点校正を行っている間は、発熱抵抗体への通電が停止された状態となるので、その間は被検流体の流量検出を行うことができなくなってしまう、という問題がある。 Therefore, in such a thermal flow sensor, a zero point calibration of the sensor output is performed in order to compensate for the temperature. However, while the zero point calibration is being performed, the energization of the heating resistor is stopped, and there is a problem that the flow rate of the fluid to be detected cannot be detected during that time.

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。 Such a problem is a problem that may occur in the same manner even when the configuration of the thermal flow sensor described in the above-mentioned “Patent Document 2” or “Patent Document 3” is adopted.

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、環境温度が変化した場合であっても、流量検出の精度を十分に確保す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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a thermal flow sensor configured to detect a flow rate of a fluid under test using a heating resistor and a pair of temperature measuring resistors. An object of the present invention is to provide a thermal flow sensor that can sufficiently ensure the accuracy of flow rate detection even when the environmental temperature changes.

本願発明は、１対の測温抵抗体相互間の温度差自体に基づいて流量検出を行うのではなく、その温度差の変化の度合に基づいて流量検出を行う構成とすることにより、上記目的達成を図るようにしたものである。 The present invention does not detect the flow rate based on the temperature difference itself between the pair of resistance temperature detectors, but detects the flow rate based on the degree of change in the temperature difference. It is intended to achieve.

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１対の測温抵抗体と、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１対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駆動制御部と、上記温度差の出力に基づいてセンサ出力となる電圧を算出する検出処理部とを備えており、
上記駆動制御部が、上記オンオフの駆動を、上記発熱抵抗体への通電をオンまたはオフにした時点から上記温度差の出力が飽和する前の所定の時点までの時間を半周期として行うように構成されており、
上記検出処理部が、上記オンオフの駆動により出力される交流信号の振幅に基づいて、上記センサ出力となる電圧を算出するように構成されており、
上記発熱抵抗体および上記各測温抵抗体が、ガラス基板上に形成されている、ことを特徴とするものである。 That is, the thermal flow sensor according to the present invention is
By energizing the heating resistor disposed in the flow path of the test fluid, the pair of temperature measuring resistors disposed in the flow path in the vicinity of the heating resistor, and the heating resistor, the flow Detection control means configured to detect a temperature difference generated between the pair of resistance temperature detectors in a state where the fluid to be tested flowing through the path is heated, and to obtain a voltage corresponding to the temperature difference as a sensor output. In a thermal flow sensor comprising:
The detection control means includes a drive control unit that performs energization of the heating resistor by periodic on / off driving, and a detection processing unit that calculates a voltage that becomes a sensor output based on the output of the temperature difference. And
The drive control unit performs the on / off drive in a half period from the time when the energization to the heating resistor is turned on or off to a predetermined time before the output of the temperature difference is saturated. Configured,
The detection processing unit is configured to calculate a voltage to be the sensor output based on an amplitude of an AC signal output by the on / off driving,
The heating resistor and the temperature measuring resistors are formed on a glass substrate.

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。 The type of the “test fluid” is not particularly limited as long as it is a fluid. For example, a liquid such as methanol or water, or a gas such as air or hydrogen can be used.

上記「所定の時点」は、上記温度差の出力の値が飽和する前の時点であれば、その具体的な時点は特に限定されるものではない。 If the “predetermined time point” is a time point before the output value of the temperature difference is saturated, the specific time point is not particularly limited.

上記「上記オンオフの駆動により出力される交流信号の振幅に基づいて、上記センサ出力となる電圧を算出する」ための具体的な方法は特に限定されるものではなく、例えば、上記交流信号の振幅自体を検出することにより算出する方法、上記交流信号に対して位相検波および平滑化を行うことにより算出する方法、上記交流信号の値を２乗平均することにより算出する方法、等が採用可能である。 The specific method for “calculating the voltage to be the sensor output based on the amplitude of the AC signal output by the on / off driving” is not particularly limited, and for example, the amplitude of the AC signal A method of calculating by detecting itself, a method of calculating by performing phase detection and smoothing on the AC signal, a method of calculating by averaging the values of the AC signal, etc. can be adopted. is there.

上記「ガラス基板」の形状、板厚、組成等の具体的な構成については、特に限定されるものではない。 The specific configuration of the “glass substrate” such as shape, plate thickness, composition, etc. is not particularly limited.

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、その検出制御手段が、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駆動制御部と、１対の測温抵抗体相互間の温度差を検出し、この温度差の出力に基づいてセンサ出力となる電圧を算出する検出処理部とを備えており、その駆動制御部において、上記オンオフの駆動を、発熱抵抗体への通電をオンまたはオフにした時点から、上記温度差の出力（以下、単に「温度差出力」という）が飽和する前の所定の時点までの時間を半周期として行うとともに、その検出処理部において、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の振幅に基づいて、センサ出力となる電圧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。 As shown in the above configuration, the thermal flow sensor according to the present invention includes a drive control unit in which the detection control means energizes the heating resistor by periodic on / off driving and a pair of temperature measuring resistors. A detection processing unit that detects a temperature difference between them and calculates a voltage that becomes a sensor output based on the output of the temperature difference, and in the drive control unit, the on / off drive is applied to the heating resistor. The time from when the current is turned on or off to the predetermined time before the output of the temperature difference (hereinafter simply referred to as “temperature difference output”) is saturated as a half cycle. Since the voltage which becomes the sensor output is calculated based on the amplitude of the temperature difference output obtained as an AC signal by the on / off driving, the following operational effects can be obtained.

すなわち、一般に、発熱抵抗体に印加される電圧（以下「駆動電圧」という）をステップ入力により変化させたときの、温度差出力の変化の度合は、被検流体の流量（正確には流速）が大きくなるほど大きくなる。そこで、発熱抵抗体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から温度差出力が飽和する前の所定の時点までの時間を半周期として行うようにすれば、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の振幅を、被検流体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、この振幅に基づいてセンサ出力となる電圧を算出することにより、流量検出を行うことができる。 That is, in general, when the voltage applied to the heating resistor (hereinafter referred to as “driving voltage”) is changed by step input, the degree of change in the temperature difference output is determined by the flow rate of the fluid to be detected (precisely the flow velocity). The larger the is, the larger it becomes. Therefore, the energization of the heating resistor is performed by on / off driving, and the time from the time when the on / off driving is turned on to the predetermined time before the temperature difference output is saturated is half a cycle. If this is performed, the amplitude of the temperature difference output obtained as an AC signal by this on / off drive can be obtained as a larger value as the flow rate of the fluid to be detected increases. Therefore, the flow rate can be detected by calculating the voltage that becomes the sensor output based on this amplitude.

その際、本願発明においては、従来のように温度差出力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、被検流体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。 In this case, in the present invention, the flow rate detection is not performed based on the temperature difference output itself as in the prior art, but the flow rate detection is performed based on the amplitude (that is, the degree of change in the temperature difference output). Therefore, the flow rate can be detected without using the sensor output when the flow rate of the fluid to be tested is zero as a reference for the sensor output. For this reason, even if the characteristics of the pair of resistance temperature detectors are uneven and the ambient temperature changes, the risk of affecting the voltage that becomes the sensor output can be eliminated. Thus, substantially accurate flow rate detection can be performed.

しかも、本願発明に係る熱式流量センサは、その発熱抵抗体および各測温抵抗体が、ガラス基板上に形成されているので、次のような作用効果を得ることができる。 Moreover, since the heat flow sensor and each resistance temperature sensor are formed on the glass substrate, the thermal flow sensor according to the present invention can obtain the following effects.

すなわち、本願発明のように、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した場合において、発熱抵抗体および各測温抵抗体が、仮に、樹脂基板等の熱膨張率が大きい材料で構成された基板の表面に形成されていたとすると、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生しやすくなる。そして、このような熱歪が発生すると、各測温抵抗体の抵抗値が変化することとなるので、温度差出力も熱歪の影響を受けてしまうこととなり、したがって流量検出の精度を高める上で新たな障害となる。 That is, when the heating resistor is energized by periodic on / off driving as in the present invention, the heating resistor and each resistance temperature detector have a coefficient of thermal expansion such as a resin substrate. If it is formed on the surface of a substrate made of a large material, thermal strain is likely to occur on the substrate with on / off driving. When such a thermal strain occurs, the resistance value of each resistance temperature detector changes, so that the temperature difference output is also affected by the thermal strain, thus improving the accuracy of flow rate detection. It becomes a new obstacle.

その点、本願発明のように、熱膨張率が小さいガラスで構成された基板上に発熱抵抗体および各測温抵抗体が形成された構成とすれば、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生してしまうのを効果的に抑制することができる。そして、この熱歪の発生に起因する各測温抵抗体の抵抗値の変化も十分小さくすることができるので、温度差出力が熱歪の影響を受けてしまうのを効果的に抑制することができ、これにより流量検出の精度を高めることができる。 In that respect, if the heating resistor and each resistance temperature detector are formed on a substrate made of glass having a low coefficient of thermal expansion as in the present invention, heat is applied to the substrate with on / off driving. It is possible to effectively suppress the occurrence of distortion. And since the change in the resistance value of each resistance temperature detector due to the occurrence of this thermal strain can be made sufficiently small, it is possible to effectively suppress the temperature difference output from being affected by the thermal strain. This can improve the accuracy of flow rate detection.

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、環境温度が変化した場合であっても、流量検出の精度を十分に確保することができる。 As described above, according to the present invention, in the thermal flow sensor configured to detect the flow rate of the fluid to be detected using the heating resistor and the pair of temperature measuring resistors, the environmental temperature is changed. However, sufficient accuracy of flow rate detection can be ensured.

しかも、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、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。 In addition, in the thermal flow sensor according to the present invention, the zero point calibration of the sensor output that is performed in order to ensure the accuracy of the flow detection in the conventional thermal flow sensor is not required, so the flow detection is continuously performed. Can be done.

また、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、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なってので、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。 Moreover, in the thermal type flow sensor according to the present invention, since the heating resistor is energized by periodic on / off driving, the power consumption is significantly larger than that of the conventional thermal type flow sensor. Can be reduced.

さらに、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、発熱抵抗体および各測温抵抗体がガラス基板上に形成されているので、次のような作用効果も得ることができる。 Furthermore, in the thermal type flow sensor according to the present invention, since the heating resistor and each resistance temperature detector are formed on the glass substrate, the following effects can be obtained.

すなわち、発熱抵抗体および各測温抵抗体の電極に対してワイヤボンディングにより配線をするようにした場合において、発熱抵抗体および各測温抵抗体が、仮に弾性率が小さい樹脂基板等の表面に形成されていたとすると、ワイヤボンディングのための超音波溶着を行う際、溶着面形状が安定しないため、超音波溶着を行うことが困難となる。これに対し、本願発明のように弾性率が大きいガラス基板を採用することにより、溶着面形状を安定させることができ、これにより超音波溶着を容易に行うことが可能となる。 That is, when wiring is performed by wire bonding to the electrodes of the heating resistor and each temperature measuring resistor, the heating resistor and each temperature measuring resistor are temporarily placed on the surface of a resin substrate or the like having a low elastic modulus. If it is formed, it is difficult to perform ultrasonic welding because the shape of the welding surface is not stable when performing ultrasonic welding for wire bonding. On the other hand, by adopting a glass substrate having a large elastic modulus as in the present invention, the shape of the welding surface can be stabilized, and ultrasonic welding can be easily performed.

また本願発明のように、ガラス基板を用いることにより、セラミック基板を用いた場合に比して、表面の平滑性を高めることができるので、発熱抵抗体および各測温抵抗体を構成する薄膜の形成を精度良く行うことができ、かつ、コスト低減を図ることができる。 Moreover, since the smoothness of the surface can be improved by using a glass substrate as in the present invention, compared to the case of using a ceramic substrate, the thin film constituting the heating resistor and each resistance temperature detector Formation can be performed with high accuracy and cost reduction can be achieved.

上記構成において、ガラス基板として、無アルカリガラスで構成されたものとすれば、その熱膨張率をより小さくすることができる。また、このように、ガラス基板を無アルカリガラスで構成することにより、アルカリ金属イオンが、ガラス基板上の発熱抵抗体および各測温抵抗体を構成する薄膜中に拡散して膜特性を劣化させてしまうおそれをなくすことができ、さらに、薄膜形成工程の高温環境下での、ガラスの変形に伴う熱歪の発生についても、効果的に抑制することができる。 In the above configuration, if the glass substrate is made of non-alkali glass, the coefficient of thermal expansion can be further reduced. In addition, by configuring the glass substrate with non-alkali glass in this way, alkali metal ions diffuse into the heating resistors on the glass substrate and the thin film constituting each resistance temperature detector, thereby deteriorating the film characteristics. Further, the occurrence of thermal strain accompanying the deformation of the glass under the high temperature environment in the thin film forming process can be effectively suppressed.

上記構成において、被検流体の種類が特に限定されないことは上述したとおりであるが、被検流体が液体である場合には、発熱抵抗体の駆動電圧をステップ入力により変化させたときに、上記温度差の出力が略直線的に変化する領域が得られ、かつ、その応答性は被検流体の流量によって異なったものとなるので、被検流体の流量を交流信号の振幅に精度良く反映させることができる。そしてこれにより、センサ出力となる電圧の算出精度を十分に確保して、流量検出をより正確に行うことが可能となる。 In the above configuration, the type of the fluid to be tested is not particularly limited as described above, but when the fluid to be tested is a liquid, when the driving voltage of the heating resistor is changed by step input, A region in which the output of the temperature difference changes approximately linearly is obtained, and its responsiveness varies depending on the flow rate of the test fluid. Therefore, the flow rate of the test fluid is accurately reflected in the amplitude of the AC signal. be able to. As a result, the calculation accuracy of the voltage that becomes the sensor output can be sufficiently secured, and the flow rate can be detected more accurately.

上記構成において、検出処理部として、上記交流信号として得られる温度差の出力に対して、オンオフの駆動の周期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を算出する構成とすれば、上記交流信号の波形をセンサ出力となる電圧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。 In the above configuration, as the detection processing unit, the sensor output is obtained by performing phase detection on the output of the temperature difference obtained as the AC signal at the same cycle as the ON / OFF drive cycle, and then performing smoothing. If the configuration is such that the voltage to be calculated is calculated, the waveform of the AC signal can be accurately reflected in the calculation of the voltage to be the sensor output, thereby making it possible to detect the flow rate more accurately.

上記構成において、検出処理部として、位相検波後の平滑化を行う際、上記温度差の出力に対して、オンオフの駆動の周期と同一の周期で移動平均処理を施す構成とすれば、その平滑化を精度良く行うことができる。 In the above configuration, when performing smoothing after phase detection as the detection processing unit, if the moving average processing is performed on the output of the temperature difference at the same cycle as the on / off drive cycle, the smoothing is performed. Can be accurately performed.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。 FIG. 1 is a block diagram showing a thermal flow sensor 10 according to an embodiment of the present invention.

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。 As shown in the figure, the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment includes a sensor body 10A and a control unit 10B connected to the sensor body 10A.

図２は、この熱式流量センサ１０のセンサ本体１０Ａを示す斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view showing a sensor main body 10A of the thermal flow sensor 10. As shown in FIG.

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。 As shown in the figure, the sensor main body 10A constitutes a laminated substrate unit 100 together with two substrates 102 and 104, and is arranged in the flow path 2 of the fluid to be detected formed between the substrates 102 and 104. It is to be used in the state that has been done.

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。 The multilayer substrate unit 100 is incorporated as a part of a fuel cell system (not shown) for small electronic equipment such as a notebook personal computer. In this case, in this fuel cell system, each flow path of methanol, air, and hydrogen and an electronic circuit for controlling the flow rate of each flow path are formed so as to be incorporated in the multilayer substrate. A part of the flow path formed in the multilayer substrate is configured by the flow path 2 of the multilayer substrate unit 100.

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燃料カートリッジ（図示せず）からメタノールを供給するための流路であって、幅２ｍｍ、高さ１ｍｍの矩形状断面で、所定長にわたって直線状に延びるように形成されている。なお、同図においては、流路２を２点鎖線で示しており、メタノールの流れる向きを２点鎖線の矢印で示している。この流路２内を流れるメタノールは、毎分０．１〜０．５ミリリットル程度の流量で送液されるようになっている。 The flow path 2 of the multilayer substrate unit 100 is a flow path for supplying methanol from a fuel cartridge (not shown) in the fuel cell system, and has a rectangular cross section with a width of 2 mm and a height of 1 mm, and has a predetermined length. It extends so as to extend linearly. In the figure, the flow path 2 is indicated by a two-dot chain line, and the direction in which methanol flows is indicated by a two-dot chain arrow. Methanol flowing through the flow path 2 is sent at a flow rate of about 0.1 to 0.5 milliliters per minute.

本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、この流路２を流れるメタノールを被検流体として、その流量検出を行うようになっている。 The thermal flow sensor 10 according to the present embodiment detects the flow rate of methanol flowing through the flow path 2 as a test fluid.

この熱式流量センサ１０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の上流側近傍および下流側近傍において流路２に配置された１対の測温抵抗体２４、２６と、これら発熱抵抗体２２および１対の測温抵抗体２４、２６から流れ方向上流側に離れた位置に配置された基準抵抗体２８とを備えてなっている。 The sensor body 10A of the thermal flow sensor 10 includes a heating resistor 22 disposed in the flow path 2 and a pair of measurement elements disposed in the flow path 2 in the vicinity of the upstream side and the downstream side of the heating resistor 22. The temperature resistors 24 and 26, and the heating resistor 22 and the pair of temperature measuring resistors 24 and 26 are provided with a reference resistor 28 disposed at a position away from the upstream side in the flow direction.

このセンサ本体１０Ａは、矩形状のガラス基板１２と、このガラス基板１２の片面１２ａに所定の配線パターンで形成された導電膜１４と、この導電膜１４を部分的に被覆する保護膜１６とからなるカード状センサとして構成されている。そして、このセンサ本体１０Ａにおける導電膜１４の一部として、発熱抵抗体２２、１対の測温抵抗体２４、２６および基準抵抗体２８が構成されている。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。 This sensor main body 10A is composed of a rectangular glass substrate 12, a conductive film 14 formed in a predetermined wiring pattern on one surface 12a of the glass substrate 12, and a protective film 16 partially covering the conductive film 14. It is comprised as a card-shaped sensor. As a part of the conductive film 14 in the sensor main body 10A, a heating resistor 22, a pair of temperature measuring resistors 24 and 26, and a reference resistor 28 are configured. At this time, the heating resistor 22, the resistance temperature detectors 24 and 26, and the reference resistor 28 are all formed to have the same resistance value.

ガラス基板１２は、無アルカリガラス（例えばコーニング社製「７０５９」（商品名））で構成された薄板であって、長辺の長さ１１ｍｍ、短辺の長さ５．５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍに設定されている。そして、このガラス基板１２は、その長辺の方向をメタノールの流れ方向に向けた状態で用いられるようになっている。 The glass substrate 12 is a thin plate made of alkali-free glass (for example, “7059” (trade name) manufactured by Corning), which has a long side length of 11 mm, a short side length of 5.5 mm, and a thickness of 0.5 mm. It is set to 4 mm. And this glass substrate 12 is used in the state which orient | assigned the long side to the flow direction of methanol.

導電膜１４は、金属をスパッタリングすることにより形成されており、その膜厚は０．１μｍに設定されている。 The conductive film 14 is formed by sputtering a metal, and its film thickness is set to 0.1 μm.

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。 As shown in FIG. 1, the control unit 10B of the thermal type flow sensor 10 according to the present embodiment includes a microprocessor 52, a heating resistor driving circuit 54, a reference resistor driving circuit 56, a differential amplifier 58, A / D converter 60 is provided.

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。 The microprocessor 52 includes a drive control unit 62 and a detection processing unit 64.

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。 The drive control unit 62 is connected to the heating resistor 22 via the heating resistor driving circuit 54 and is connected to the reference resistor 28 via the reference resistor driving circuit 56. The detection processing unit 64 is connected to the drive control unit 62 and is connected to each of the pair of temperature measuring resistors 24 and 26 via the A / D converter 60 and the differential amplifier 58. At this time, the pair of resistance temperature detectors 24 and 26 constitute a part of a bridge circuit, and a voltage corresponding to a resistance difference generated between the pair is input to the differential amplifier 58 from the bridge circuit. It has become so.

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。 The flow rate detection by the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment is performed in the following procedure.

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、流路２を流れるメタノールの液温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、流路２を流れるメタノールの液温が局所的に上昇するが、その際、１対の測温抵抗体２４、２６は、メタノールに流れがあるため、上流側の測温抵抗体２４よりも下流側の測温抵抗体２６の方が温度が高くなり、その抵抗値も相対的に高くなる。これら１対の測温抵抗体２４、２６相互間に生じる抵抗差は、メタノールの流量に応じて変化する。そして、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。 That is, the drive controller 62 energizes the heating resistor 22 through the heating resistor driving circuit 54, and heats the heating resistor 22 to a temperature higher than the liquid temperature of methanol flowing through the flow path 2. Due to the heating of the heating resistor 22, the liquid temperature of the methanol flowing through the flow path 2 locally increases. At this time, the pair of temperature measuring resistors 24 and 26 has a flow in the methanol, so that the upstream side The temperature measuring resistor 26 on the downstream side of the temperature measuring resistor 24 has a higher temperature, and its resistance value also becomes relatively higher. The difference in resistance generated between the pair of resistance temperature detectors 24 and 26 varies depending on the flow rate of methanol. Then, the output voltage of the bridge circuit generated by the resistance difference is amplified by the differential amplifier 58 and then input as the temperature difference output Vb to the detection processing unit 64 via the A / D converter 60.

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、メタノール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。 At that time, the heating resistor 22 is energized by periodic on / off driving, and a voltage indicating the flow rate of methanol is calculated based on the amplitude of the temperature difference output Vb obtained as an AC signal. The voltage Vs thus calculated is output from the detection processing unit 64 to the outside as a sensor output.

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を流れるメタノールの液温を、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。 In the thermal type flow sensor 10, the drive control unit 62 energizes the reference resistor 28 through the reference resistor drive circuit 56 to drive the reference resistor 28 at a constant current. By this voltage, the liquid temperature of methanol flowing through the flow path 2 is accurately detected on the upstream side of the heating resistor 22. The liquid temperature detected in this way is used as a reference temperature for heating the heating resistor 22.

図３は、上記流量検出に関連する波形を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing waveforms related to the flow rate detection.

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。 The heating resistor 22 is heated by applying a rectangular wave driving voltage Vh as shown in FIG. 5A to the heating resistor 22 by periodic on / off driving by the drive control unit 62.

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。 By this periodic on / off drive, the temperature difference output Vb is output as an AC signal as shown in FIG.

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。 At this time, the temperature difference output Vb increases rapidly with a certain degree of linearity immediately after the rising time point ton when the energization of the heating resistor 22 is turned on as a response curve to the step input of the drive voltage Vh. After that, as indicated by the two-dot chain line, the degree of increase gradually decreases and becomes saturated. On the other hand, immediately after the falling point toff when the energization to the heating resistor 22 is turned off, the value of the temperature difference is It decreases rapidly with a certain degree of linearity, and then gradually decreases and becomes saturated as shown by a two-dot chain line.

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、メタノール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。 The on / off driving is performed from the rising time point ton to the predetermined time point t1 before the temperature difference output Vb is saturated (or from the falling time point toff to the predetermined time point t2 before the temperature difference output Vb is saturated). Time) is set as a half cycle T / 2. As a result, the temperature difference output Vb has a substantially sawtooth waveform in which response curves for on / off step inputs are connected at the same time interval as the period T. At that time, as shown by the broken line in FIG. 5B, when the flow rate of methanol is increased, the response of the temperature difference output Vb is improved, and accordingly, the amplitude is also increased.

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、メタノールの流量が大きくなると、電圧Ｖｓの値も大きくなる。 Next, phase detection is performed on the temperature difference output Vb obtained as the AC signal at the same cycle as the on / off drive cycle T. This phase detection is performed at a phase delayed by 90 ° from the rising time point ton of the drive voltage Vh. Then, smoothing is performed on the phase-detected signal to obtain a constant voltage Vs that provides a sensor output as shown in FIG. At that time, as indicated by a broken line in FIG. 5C, when the flow rate of methanol increases, the value of the voltage Vs also increases.

以上詳述したように、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、その検出制御手段としてのマイクロプロセッサ５２が、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駆動制御部６２と、１対の測温抵抗体２４、２６相互間の温度差を検出し、その温度差出力Ｖｂに基づいてセンサ出力となる電圧Ｖｓを算出する検出処理部６４とを備えており、その駆動制御部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。 As described above in detail, in the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment, the microprocessor 52 as the detection control means performs the energization to the heating resistor 22 by the periodic on / off drive. And a detection processing unit 64 that detects a temperature difference between the pair of resistance temperature detectors 24 and 26 and calculates a voltage Vs that becomes a sensor output based on the temperature difference output Vb. In the control unit 62, the on / off driving is performed for a time (or a falling time toff) from a time t on when the energization to the heating resistor 22 is turned on to a predetermined time t2 before the value of the temperature difference output Vb is saturated. To a predetermined time point t2 before the value of the temperature difference output Vb is saturated) is set as a half cycle T / 2, and the detection processing unit 64 generates an alternating current signal by the on / off driving. Based on the amplitude of the temperature difference output Vb to be, so has a configuration to calculate the voltage Vs as the sensor output, it is possible to obtain the following effects.

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、メタノールの流量（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、メタノール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。 That is, in view of the fact that the degree of change in the temperature difference output Vb when the drive voltage Vh of the heating resistor 22 is changed by step input increases as the methanol flow rate (precisely the flow rate) increases. In the embodiment, the energization of the heating resistor 22 is performed by on / off driving, and the value of the temperature difference output Vb is changed from the time ton (or toff) when the on / off driving is turned on (or off). Since the time until the predetermined time point t1 (or t2) before saturation is performed as a half cycle T / 2, the amplitude of the temperature difference output Vb obtained as an AC signal by this on / off driving is set to be equal to that of methanol. A larger value can be obtained as the flow rate increases. Therefore, the flow rate can be detected by calculating the voltage Vs serving as the sensor output based on the amplitude of the temperature difference output Vb.

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、メタノール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。 In this case, in the present embodiment, the flow rate detection is not performed based on the temperature difference output Vb itself as in the conventional case, but the flow rate detection is performed based on the amplitude (that is, the degree of change of the temperature difference output Vb). Therefore, the flow rate can be detected without using the sensor output when the methanol flow rate is zero as the sensor output reference. For this reason, even if the characteristics of the pair of resistance temperature detectors 24 and 26 are uneven and the ambient temperature changes, there is a possibility that the voltage Vs as the sensor output may be affected. Accordingly, the flow rate can be detected almost accurately.

しかも、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、その発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、ガラス基板１２上に形成されているので、次のような作用効果を得ることができる。 Moreover, the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment has the heating resistor 22 and the resistance temperature detectors 24 and 26 formed on the glass substrate 12, so that the following operational effects can be obtained. Can do.

すなわち、本実施形態のように、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ようにした場合において、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、仮に、樹脂基板等の熱膨張率が大きい材料で構成された基板の表面に形成されていたとすると、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生しやすくなる。そして、このような熱歪が発生すると、各測温抵抗体２４、２６の抵抗値が変化することとなるので、温度差出力Ｖｂも熱歪の影響を受けてしまうこととなり、したがって流量検出の精度を高める上で新たな障害となる。 That is, in the case where the heating resistor 22 is energized by periodic on / off driving as in the present embodiment, the heating resistor 22 and each of the temperature measuring resistors 24 and 26 are assumed to be resin substrates. If it is formed on the surface of a substrate made of a material having a large coefficient of thermal expansion, such as a material, thermal strain is likely to occur on the substrate with on / off driving. When such thermal strain occurs, the resistance values of the resistance temperature detectors 24 and 26 change, and the temperature difference output Vb is also affected by thermal strain. This is a new obstacle to improving accuracy.

その点、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、熱膨張率が小さいガラス基板１２上に発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が形成された構成となっているので、オンオフの駆動に伴ってガラス基板１２上に熱歪が発生してしまうのを効果的に抑制することができる。そして、この熱歪の発生に起因する各測温抵抗体２４、２６の抵抗値の変化も十分小さくすることができるので、温度差出力Ｖｂが熱歪の影響を受けてしまうのを効果的に抑制することができ、これにより流量検出の精度を高めることができる。 In that respect, the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment has a configuration in which the heating resistor 22 and the temperature measuring resistors 24 and 26 are formed on the glass substrate 12 having a small coefficient of thermal expansion. It is possible to effectively suppress the occurrence of thermal strain on the glass substrate 12 with the driving of. And since the change of the resistance value of each resistance temperature detector 24 and 26 resulting from this thermal strain generation can also be made sufficiently small, it is effective that the temperature difference output Vb is affected by the thermal strain. This can be suppressed, and the accuracy of flow rate detection can be increased.

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を用いてメタノールの流量検出を行うように構成された熱式流量センサ１０において、環境温度が変化した場合であっても、流量検出の精度を十分に確保することができる。 As described above, according to the present embodiment, in the thermal flow sensor 10 configured to detect the flow rate of methanol using the heating resistor 22 and the pair of temperature measuring resistors 24 and 26, the environmental temperature changes. Even in this case, it is possible to sufficiently ensure the accuracy of flow rate detection.

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。 Moreover, in the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment, the zero point calibration of the sensor output that is performed in order to ensure the accuracy of the flow detection in the conventional thermal flow sensor is not required, so the flow detection is performed. Can be done continuously.

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。 Further, in the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment, since the heating resistor 22 is energized by periodic on / off driving, the power consumption is higher than that of the conventional thermal flow sensor. The amount can be greatly reduced.

さらに、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および各測温抵抗体２４、２６が、ガラス基板１２上に形成されているので、次のような作用効果も得ることができる。 Furthermore, in the thermal type flow sensor 10 according to the present embodiment, since the heating resistor 22 and the resistance temperature detectors 24 and 26 are formed on the glass substrate 12, the following effects can be obtained. Can do.

すなわち、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６の電極に対してワイヤボンディングにより配線をするようにした場合において、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、仮に弾性率が小さい樹脂基板等の表面に形成されていたとすると、ワイヤボンディングのための超音波溶着を行う際、溶着面形状が安定しないため、超音波溶着を行うことが困難となる。これに対し、本実施形態のように弾性率が大きいガラス基板１２を採用することにより、溶着面形状を安定させることができ、これにより超音波溶着を容易に行うことが可能となる。 That is, in the case where wiring is performed by wire bonding to the electrodes of the heating resistor 22 and the temperature measuring resistors 24 and 26, the heating resistor 22 and the temperature measuring resistors 24 and 26 have a modulus of elasticity. If it is formed on the surface of a small resin substrate or the like, it is difficult to perform ultrasonic welding because the welded surface shape is not stable when performing ultrasonic welding for wire bonding. On the other hand, by adopting the glass substrate 12 having a large elastic modulus as in the present embodiment, it is possible to stabilize the weld surface shape, thereby making it easy to perform ultrasonic welding.

また本実施形態のように、ガラス基板１２を用いることにより、セラミック基板を用いた場合に比して、表面の平滑性を高めることができるので、導電膜１４の形成を精度良く行うことができ、かつ、コスト低減を図ることができる。 Moreover, since the smoothness of the surface can be improved by using the glass substrate 12 as in this embodiment, compared to the case of using a ceramic substrate, the conductive film 14 can be formed with high accuracy. And cost reduction can be aimed at.

特に、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、そのガラス基板１２が無アルカリガラスで構成されているので、その熱膨張率をより小さくすることができる。すなわち、熱膨張率α(1/℃)は、ポリイミド樹脂がα＝２．７e-５であるのに対し、一般ガラスがα＝８．５e-６であり、無アルカリガラスがα＝３．２e-６である。また、このように、ガラス基板１２を無アルカリガラスで構成することにより、アルカリ金属イオンが、ガラス基板１２上の発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６を構成する薄膜（すなわち導電膜１４）中に拡散して膜特性を劣化させてしまうおそれをなくすことができ、さらに、薄膜形成工程の高温環境下での、ガラスの変形に伴う熱歪の発生についても、効果的に抑制することができる。 In particular, the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment can have a smaller thermal expansion coefficient because the glass substrate 12 is made of non-alkali glass. That is, the coefficient of thermal expansion α (1 / ° C.) is that the polyimide resin has α = 2.7e-5, while the general glass has α = 8.5e-6, and the alkali-free glass has α = 3. 2e-6. In addition, when the glass substrate 12 is made of alkali-free glass as described above, the alkali metal ions are thin films (that is, conductive films) constituting the heating resistor 22 and the resistance temperature detectors 24 and 26 on the glass substrate 12. 14) It is possible to eliminate the possibility of diffusing into the film and deteriorating the film characteristics, and to effectively suppress the occurrence of thermal strain accompanying the deformation of the glass in the high temperature environment of the thin film forming process. be able to.

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。 Further, in the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment, the detection processing unit 64 performs phase detection on the temperature difference output Vb obtained as an AC signal at the same cycle as the on / off drive cycle T. After that, the voltage Vs as the sensor output is calculated by performing smoothing, so that the temperature difference output Vb obtained as an AC signal is accurately reflected in the calculation of the voltage Vs as the sensor output. As a result, the flow rate can be detected more accurately.

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。 At that time, the detection processing unit 64 is configured to perform the phase detection with a phase delayed by 90 ° from the time point ton when the energization of the heating resistor 22 is turned on. Therefore, the temperature difference output obtained as an AC signal is provided. The waveform of Vb can be reflected to the maximum in the calculation of the voltage Vs that becomes the sensor output.

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。 In addition, when performing the smoothing after the phase detection, the detection processing unit 64 performs a moving average process on the temperature difference output Vb obtained as an AC signal at the same cycle as the on / off drive cycle T. Therefore, the smoothing can be performed with high accuracy.

ところで、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、メタノールを被検流体として流量検出を行うように構成されているので、次のような作用効果を得ることができる。 By the way, since the thermal flow sensor 10 according to the present embodiment is configured to detect the flow rate using methanol as a fluid to be tested, the following effects can be obtained.

すなわち、被検流体がメタノールあるいは水等のような液体である場合には、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に、温度差出力Ｖｂが略直線的に変化する領域が得られ、かつ、その応答性は被検流体の流量によって異なったものとなるので、被検流体の流量を交流信号の振幅に精度良く反映させることができる。そしてこれにより、センサ出力となる電圧Ｖｓの算出精度を十分に確保して、流量検出をより正確に行うことが可能となる。 That is, when the test fluid is a liquid such as methanol or water, a region in which the temperature difference output Vb changes substantially linearly when the drive voltage Vh of the heating resistor 22 is changed by step input. And the responsiveness varies depending on the flow rate of the test fluid, so that the flow rate of the test fluid can be accurately reflected in the amplitude of the AC signal. As a result, the calculation accuracy of the voltage Vs as the sensor output is sufficiently ensured, and the flow rate can be detected more accurately.

上記実施形態においては、ガラス基板１２の厚さが、０．４ｍｍ程度の値に設定されているものとして説明したが、このガラス基板１２の厚さは、極端に薄い場合（例えば０．１ｍｍ以下）でなければ、センサ本体１０Ａの特性にはほとんど影響しないものと考えられる。したがって、このガラス基板１２の厚さは、センサ本体１０Ａの動作という観点よりも、その作製時のハンドリングのしやすさという観点から決めることも可能である。その際、薄すぎれば割れ、厚すぎればセンサ本体１０Ａとしての厚さ増加と高コスト化につながるので、割れない範囲内でできるだけ薄くすることが望ましいということとなる。これは、ガラス基板１２の作製をどのサイズのウエハで行うかということに依存するが、その厚さの目安としては０．１〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度であると考えられる。 In the said embodiment, although the thickness of the glass substrate 12 was demonstrated as what was set to the value about 0.4 mm, when the thickness of this glass substrate 12 is extremely thin (for example, 0.1 mm or less) If not, it is considered that the characteristics of the sensor body 10A are hardly affected. Therefore, the thickness of the glass substrate 12 can be determined from the viewpoint of ease of handling at the time of manufacture rather than the viewpoint of the operation of the sensor body 10A. At that time, if it is too thin, it will crack, and if it is too thick, it will lead to an increase in thickness and cost of the sensor body 10A, so it is desirable to make it as thin as possible within the range where it does not crack. This depends on the size of the wafer on which the glass substrate 12 is manufactured, but the thickness is about 0.1 to 1 mm, more preferably about 0.2 to 0.5 mm. it is conceivable that.

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メタノールの流路２に配置された状態で、メタノール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、上記多層基板の他の部分に配置された積層基板ユニット１００において、その流路２を流れる空気あるいは水素の流量検出を行うものとすることも可能である。あるいは、この熱式流量センサ１０を、メタノール以外の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。 In the above embodiment, the thermal flow sensor 10 is disposed in the methanol flow path 2 formed inside the multilayer substrate unit 100 configured to be incorporated as a part of the multilayer substrate in the fuel cell system. In the multilayer substrate unit 100 arranged in the other part of the multilayer substrate, the flow rate of air or hydrogen flowing through the flow path 2 is described as detecting the methanol flow rate. It is also possible to perform detection. Alternatively, the thermal flow sensor 10 can be used to detect the flow rate of a liquid such as water other than methanol.

以下、この点について、被検流体が液体である場合の例として水を取り上げるとともに、被検流体が気体である場合の例として空気を取り上げて、両者を対比して説明する。 Hereinafter, this point will be described by comparing water as an example when the test fluid is a liquid and taking air as an example when the test fluid is a gas.

図４は、被検流体の流量に対する温度差出力Ｖｂの応答周波数（すなわち、１／応答時間）をグラフで示す図である。 FIG. 4 is a graph showing the response frequency (that is, 1 / response time) of the temperature difference output Vb with respect to the flow rate of the test fluid.

同図において、実線のグラフで示すように、被検流体が水の場合の応答周波数は、流量の増大に比例して増大するのに対し、破線のグラフで示すように、被検流体が空気の場合の応答周波数は、流量が増大しても一定のままである。 In the figure, as shown by the solid line graph, the response frequency when the test fluid is water increases in proportion to the increase in the flow rate, whereas as shown by the broken line graph, the test fluid is air. The response frequency in this case remains constant as the flow rate increases.

図５〜８は、図２に示すセンサ本体１０Ａを流路２に配置した状態で、この流路２に被検流体を流して、発熱抵抗体２２に通電したときの、流量検出の結果を示す図である。 5 to 8 show the results of flow rate detection when the test fluid is passed through the flow path 2 and the heating resistor 22 is energized with the sensor body 10A shown in FIG. FIG.

図５は、発熱抵抗体２２への通電を常時オンの状態に維持したときの、温度差出力Ｖｂの平衡値（すなわち温度差出力Ｖｂが飽和したときの値）を測定した結果を示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の結果を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の結果を示している。 FIG. 5 is a diagram showing a result of measuring an equilibrium value of the temperature difference output Vb (that is, a value when the temperature difference output Vb is saturated) when energization to the heating resistor 22 is always kept on. is there. In that case, the same figure (a) has shown the result in case the test fluid is water, and the same figure (b) has shown the result in the case where the test fluid is air.

同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、流路２に流量が発生すると、温度差出力Ｖｂが一気に上昇するが、その後は、流量の大小にかかわらず、温度差出力Ｖｂの値は略一定の値に維持される。 As shown in FIG. 5A, when the fluid to be tested is water, when a flow rate is generated in the flow path 2, the temperature difference output Vb rises at a stretch. The value of the difference output Vb is maintained at a substantially constant value.

一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、流路２に流量が発生すると、温度差出力Ｖｂの値は比較的急激に上昇し、その後も流量の増大に伴って温度差出力Ｖｂも上昇するが、その上昇率は徐々に減少する。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the fluid to be detected is air, when the flow rate is generated in the flow path 2, the value of the temperature difference output Vb rises relatively abruptly, and thereafter the flow rate increases. Along with this, the temperature difference output Vb also rises, but the rate of increase gradually decreases.

図６は、発熱抵抗体２２への通電を、オンオフの駆動により行ったときの温度差出力Ｖｂの値を測定した結果を示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の結果を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の結果を示している。なお、いずれの場合も、オンオフの駆動の周期Ｔは、Ｔ＝１秒で行った。 FIG. 6 is a diagram showing a result of measuring the value of the temperature difference output Vb when the heating resistor 22 is energized by on / off driving. In that case, the same figure (a) has shown the result in case the test fluid is water, and the same figure (b) has shown the result in the case where the test fluid is air. In either case, the on / off driving period T was T = 1 second.

同図に示すように、被検流体が水の場合でも空気の場合でも、その流量が大きくなるほど温度差出力Ｖｂの変化の度合は大きくなり、その振幅も大きくなる。ただし、その原因は、以下に説明するように、被検流体が水の場合と空気の場合とで異なっている。 As shown in the figure, regardless of whether the test fluid is water or air, the degree of change in the temperature difference output Vb increases as the flow rate increases, and the amplitude also increases. However, the cause is different depending on whether the test fluid is water or air, as will be described below.

図７は、図６に示す波形を、その（最大−最小）が１になるように規格化して示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の波形を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の波形を示している。 FIG. 7 is a diagram showing the waveform shown in FIG. 6 normalized so that its (maximum-minimum) is 1. In FIG. In this case, FIG. 9A shows a waveform when the test fluid is water, and FIG. 10B shows a waveform when the test fluid is air.

同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、流量の大小によって波形が異なっており、流量が大きくなるほどオンオフの駆動に対する応答性が向上していることが分かる。 As shown in FIG. 5A, when the fluid to be tested is water, the waveform varies depending on the flow rate, and it can be seen that the response to on / off driving improves as the flow rate increases.

一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、流量の大小にかかわらず波形はほぼ重なっており、オンオフの駆動に対する応答性は略一定であることが分かる。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the fluid to be detected is air, the waveforms are almost overlapped regardless of the flow rate, and it can be seen that the response to on / off driving is substantially constant.

図４および５から、図６に示す温度差出力Ｖｂの流量の大小による変化は、被検流体が水の場合には、温度差出力Ｖｂの応答周波数の変化により生じ、一方、被検流体が空気の場合には、温度差出力Ｖｂの平衡値の変化により生じていることが分かる。なお、オンオフの駆動により生じる温度差出力Ｖｂの振幅は、近似的に温度差出力Ｖｂの平衡値と応答周波数の積に比例する。 4 and 5, the change due to the magnitude of the flow rate of the temperature difference output Vb shown in FIG. 6 is caused by a change in the response frequency of the temperature difference output Vb when the test fluid is water, while the test fluid is In the case of air, it turns out that it has arisen by the change of the equilibrium value of the temperature difference output Vb. The amplitude of the temperature difference output Vb generated by the on / off drive is approximately proportional to the product of the equilibrium value of the temperature difference output Vb and the response frequency.

図８は、交流信号として得られた温度差出力Ｖｂ（図６参照）に対して位相検波および平滑化を行うことにより得られたセンサ出力となる電圧Ｖｓと、被検流体の流量との関係をグラフで示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の関係を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の関係を示している。 FIG. 8 shows the relationship between the voltage Vs, which is a sensor output obtained by performing phase detection and smoothing on the temperature difference output Vb (see FIG. 6) obtained as an AC signal, and the flow rate of the fluid to be tested. FIG. In this case, FIG. 9A shows the relationship when the test fluid is water, and FIG. 10B shows the relationship when the test fluid is air.

同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、センサ出力となる電圧Ｖｓの流量依存性を示すグラフは、図４に実線で示す特性に似た形状となる。特に、流量が小さい領域では、図４に実線で示す特性が強く反映された略直線形状となり、熱式流量センサとして望ましい特性を示すものとなる。 As shown in FIG. 4A, when the fluid to be tested is water, the graph showing the flow rate dependence of the voltage Vs as the sensor output has a shape similar to the characteristic shown by the solid line in FIG. In particular, in a region where the flow rate is small, a substantially straight line shape in which the characteristic indicated by the solid line in FIG. 4 is strongly reflected, and the characteristic desirable as a thermal flow sensor is exhibited.

一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、図５（ｂ）に示す特性に似た形状となる。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the test fluid is air, the shape is similar to the characteristics shown in FIG.

なお、図８（ａ）に示すセンサ出力となる電圧Ｖｓ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°遅れた位相で行うことにより得られたものである。その際、このような位相で位相検波を行うようにしたのは、図６（ａ）に示す交流信号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ためである。 The voltage Vs as the sensor output shown in FIG. 8A is obtained by performing the phase detection with a phase delayed by 90 ° from the time point ton when the energization of the heating resistor 22 is turned on. is there. At this time, the reason why the phase detection is performed in such a phase is to reflect the waveform of the AC signal shown in FIG. 6A to the maximum in the calculation of the voltage Vs as the sensor output.

一方、図８（ｂ）に示すセンサ出力となる電圧Ｖｓ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３５°遅れた位相で行うことにより得られたものである。その際、このような位相で位相検波を行うようにしたのは、図６（ｂ）に示す交流信号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ためである。 On the other hand, the voltage Vs as the sensor output shown in FIG. 8B is obtained by performing the phase detection with a phase delayed by 35 ° from the time point ton when the energization to the heating resistor 22 is turned on. is there. At this time, the reason why the phase detection is performed in such a phase is to reflect the waveform of the AC signal shown in FIG. 6B to the maximum in the calculation of the voltage Vs as the sensor output.

上記実施形態においては、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂに対して位相検波および平滑化を行うことにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出するものとして説明したが、これ以外の算出方法を採用することも可能である。 In the above embodiment, the temperature difference output Vb obtained as an AC signal has been described as calculating the voltage Vs as the sensor output by performing phase detection and smoothing, but other calculation methods are employed. It is also possible to do.

例えば、図３において、発熱抵抗体２２への通電をオンにした直後（すなわち、立ち上がり時点ｔonの直後）における温度差出力Ｖｂの値と、発熱抵抗体２２への通電をオフにする直前（すなわち、立ち下がり時点ｔoff の直前）における温度差出力Ｖｂの値との差（すなわち、同図（ｂ）に示す波形（あるいは、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す波形）における（最大−最小）の値）から、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する構成とすれば、その算出処理を容易に行うことができる。 For example, in FIG. 3, the value of the temperature difference output Vb immediately after the energization of the heating resistor 22 is turned on (that is, immediately after the rising time point ton), and immediately before the energization of the heating resistor 22 is turned off (that is, (Immediately before the falling time point toff) (maximum) in the difference from the value of the temperature difference output Vb (that is, the waveform shown in FIG. 6B (or the waveform shown in FIGS. 6A and 6B)) If the configuration is such that the voltage Vs to be the sensor output is calculated from the (minimum) value), the calculation process can be easily performed.

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。 In the above embodiment, the thermal flow sensor 10 has been described as being used as a part of the multilayer substrate unit 100. However, the thermal flow sensor 10 may be used in other modes. Of course it is possible.

上記実施形態においては、１対の測温抵抗体２４、２６が、発熱抵抗体２２の上流側近傍および下流側近傍に配置されているものとして説明したが、被検流体の流量発生により１対の測温抵抗体２４、２６相互間に温度差が生じ得る配置であれば、これ以外の配置を採用することも可能であり、その際、発熱抵抗体２２の上流側または下流側の一方のみに両測温抵抗体２４、２６が配置された構成とすることも可能である。 In the above-described embodiment, the pair of temperature measuring resistors 24 and 26 is described as being disposed in the vicinity of the upstream side and the downstream side of the heating resistor 22. It is possible to adopt other arrangements as long as a temperature difference between the resistance temperature detectors 24 and 26 can occur. In this case, only one of the upstream side and the downstream side of the heating resistor 22 can be adopted. It is also possible to adopt a configuration in which both the resistance temperature detectors 24 and 26 are arranged.

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。 In addition, the numerical value shown as a specification in the said embodiment is only an example, and of course, you may set these to a different value suitably.

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The block diagram which shows the thermal type flow sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 上記熱式流量センサのセンサ本体を示す斜視図The perspective view which shows the sensor main body of the said thermal type flow sensor. 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The figure which shows the waveform relevant to the flow volume detection in the said embodiment. 被検流体の流量に対する温度差出力の応答周波数をグラフで示す図A graph showing the response frequency of the temperature difference output against the flow rate of the test fluid 発熱抵抗体への通電を常時オンの状態に維持したときの、温度差出力の平衡値を測定した結果を示す図The figure which shows the result of measuring the equilibrium value of the temperature difference output when energization to the heating resistor is always kept on 発熱抵抗体への通電を、オンオフの駆動により行ったときの温度差出力の値を測定した結果を示す図The figure which shows the result of having measured the value of the temperature difference output when energization to a heating resistor is performed by on-off driving 図６に示す波形を、その（最大−最小）が１になるように規格化して示す図FIG. 6 shows the waveform shown in FIG. 6 normalized so that (maximum-minimum) is 1 センサ出力となる電圧と被検流体の流量との関係をグラフで示す図A graph showing the relationship between the sensor output voltage and the flow rate of the test fluid

２流路
１０熱式流量センサ
１０Ａセンサ本体
１０Ｂ制御ユニット
１２ガラス基板
１２ａ片面
１４導電膜
１６保護膜
２２発熱抵抗体
２４、２６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
６０Ａ／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 2 flow path 10 thermal flow sensor 10A sensor body 10B control unit 12 glass substrate 12a single side 14 conductive film 16 protective film 22 heating resistor 24, 26 resistance temperature detector 28 reference resistor 52 microprocessor (detection control means)
54 Heat Resistor Drive Circuit 56 Reference Resistor Drive Circuit 58 Differential Amplifier 60 A / D Converter 62 Drive Control Unit 64 Detection Processing Unit 100 Multilayer Substrate Unit 102, 104 Substrate

Claims

By energizing the heating resistor disposed in the flow path of the test fluid, the pair of temperature measuring resistors disposed in the flow path in the vicinity of the heating resistor, and the heating resistor, the flow Detection control means configured to detect a temperature difference generated between the pair of resistance temperature detectors in a state where the fluid to be tested flowing through the path is heated, and to obtain a voltage corresponding to the temperature difference as a sensor output. In a thermal flow sensor comprising:
The detection control means includes a drive control unit that performs energization of the heating resistor by periodic on / off driving, and a detection processing unit that calculates a voltage that becomes a sensor output based on the output of the temperature difference. And
The drive control unit performs the on / off drive in a half period from the time when the energization to the heating resistor is turned on or off to a predetermined time before the output of the temperature difference is saturated. Configured,
The detection processing unit is configured to calculate a voltage to be the sensor output based on an amplitude of an output of the temperature difference obtained as an AC signal by the on / off driving,
The thermal flow sensor, wherein the heating resistor and each of the temperature measuring resistors are formed on a glass substrate.

The thermal flow sensor according to claim 1, wherein the glass substrate is made of alkali-free glass.

The thermal flow sensor according to claim 1 or 2, wherein a flow rate is detected by using a liquid as the test fluid.

The detection processing unit performs phase detection on the output of the temperature difference at the same cycle as the on / off drive cycle, and then performs a moving average process at the same cycle as the on / off drive cycle. The thermal flow sensor according to claim 1, wherein the thermal flow sensor is configured to calculate a voltage that becomes the sensor output by smoothing.

The detection processing unit is configured to perform the smoothing by performing a moving average process on the output of the temperature difference subjected to the phase detection in the same cycle as the on / off driving cycle. The thermal flow sensor according to claim 4, wherein