JP2017198496A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて、応答性を向上させた流量センサを提供することを目的とする。【解決手段】本発明における流量センサ（１）は、絶縁基板（２）と、流量検知用抵抗素子（３）と、温度補償用抵抗素子（４）と、を有し、前記温度補償用抵抗素子の端子温度を前記流量検知用抵抗素子の端子温度に近づけるように、前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子が夫々、前記絶縁基板に配置されることを特徴とする。これにより、応答性を向上させることができる。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、風速を計測可能な流量センサに関する。

加熱した流量検知用抵抗素子を流体に曝し、その際の放熱作用に基づいて流体の流量を検出する熱式の流量センサが知られている。ここで、熱式の流量センサでは、流体の温度変化の影響を抑制するために、流量検知用抵抗素子とは別に、流体そのものの温度を検知する温度補償用抵抗素子を設けて、温度補償を行っている。例えば、流量検知用抵抗素子と温度補償用抵抗素子は、同一の絶縁基板上に配置される（特許文献１を参照）。

特開平８−３５９７８号公報

ところで、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子との間の熱抵抗によって、流量検知用抵抗素子の端子温度と、温度補償用抵抗素子の端子温度に差が生じている場合、温度差の生じている領域の熱容量に起因する熱時定数により流量センサの応答性が決まる。すなわち、流量検知用抵抗素子と温度補償用抵抗素子との間の熱時定数が大きくなれば、応答性は低下する。

特許文献１に記載の発明によれば、両抵抗素子を熱分離した状態で同一基板上に配置している。この構成によれば、両抵抗素子の端子温度差は大きくなり、流量検知用抵抗素子と温度補償用抵抗素子との間の熱時定数は大きく、応答性を向上させることができない。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、従来に比べて、応答性を向上させた流量センサを提供することを目的とする。

本発明における流量センサは、絶縁基板と、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子と、を有し、前記温度補償用抵抗素子の端子温度を前記流量検知用抵抗素子の端子温度に近づけるように、前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子が夫々、前記絶縁基板に配置されることを特徴とする。これにより、両抵抗素子間の熱時定数を小さくでき、応答性を向上させることができる。

また、本発明における流量センサは、絶縁基板と、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子と、を有し、前記流量検知用抵抗素子は、前記絶縁基板の表面側に配置され、前記温度補償用抵抗素子は、前記絶縁基板の裏面側に配置され、前記絶縁基板を介して前記流量検知用抵抗素子と対向配置されることを特徴とする。このように、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子を、絶縁基板の表裏に対向配置することで、温度補償用抵抗素子の端子温度を、流量検知用抵抗素子の端子温度に近づけることができ、両抵抗素子間の熱時定数を小さくでき、応答性を向上させることができる。

また、本発明では、前記温度補償用抵抗素子は、流体との接触が前記流量検知用抵抗素子に比べて妨げられるように配置されることが好ましい。加熱された流量検知用抵抗素子からの放熱により、熱が絶縁基板に伝達し、温度補償用抵抗素子の温度も上昇する。このため、温度補償用抵抗素子が流体と接触すると、温度補償用抵抗素子自体も温度変化を生じやすく、感度が低下する。よって、本発明のように、温度補償用抵抗素子を、流体との接触を妨げるように配置することで、感度を維持しつつ、応答性を向上させることができる。

また、本発明では、前記絶縁基板は、素子設置部と、前記素子設置部と分離した支持部と、前記素子設置部と前記支持部との間を接続し、前記素子設置部よりも幅が細い接続部と、を有して構成され、前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子は、夫々、前記素子設置部内に配置されることが好ましい。本発明の構成によれば、幅細の接続部では熱抵抗が高い。そして、支持部から分離し、熱抵抗の高い接続部に接続された素子設置部内に、流量検知用抵抗素子及び、温度補償用抵抗素子を配置することで、両抵抗素子間の熱抵抗を小さくでき、温度補償用抵抗素子の端子温度を、流量検知用抵抗素子の端子温度に適切に近づけることができる。これにより、両抵抗素子間の熱時定数を小さくでき、応答性を向上させることができる。

また、本発明では、前記支持部は、スリットを介して前記素子設置部の周囲を囲んでおり、前記素子設置部と前記支持部との間は、複数の前記接続部により接続されていることが好ましい。これにより、素子設置部の機械的強度を高めることができる。

また、本発明では、前記素子設置部の裏面には、凹部を有する蓋体が設置されており、前記温度補償用抵抗素子は、前記素子設置部の裏面であって前記凹部内に配置されることが好ましい。これにより、温度補償用抵抗素子に流体が接触するのをより適切に防止することができる。このとき、温度補償用抵抗素子には外気（空気）が接触した状態を保つことができ、良好な感度を保つことができる。また、上記したスリットを有する構成にあっては、蓋体を、スリットを利用して絶縁基板に接続することができ、簡単に素子設置部の裏面に取付けることができる。

また、本発明では、前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子は、セラミック基板と、前記セラミック基板の表面に設けられた抵抗層と、前記抵抗層と電気的に接続し、前記セラミック基板の表面に設けられた端子と、を有して構成されることが好ましい。本発明における流量検知用抵抗素子及び、温度補償用抵抗素子は、セラミック基板、抵抗層及び、端子を具備したチップ型抵抗器である。本発明では、流量検知用抵抗素子及び温度補償用抵抗素子としてのチップ型抵抗器を、絶縁基板に配置した構成において、効果的に応答性を向上させることができる。

本発明の流量センサにおいては、両抵抗素子間の熱時定数を小さくでき、応答性を向上させることができる。

本実施の形態における流量センサの部分平面図である。 図１に示す流量センサのＡ−Ａ矢視の断面図である。 図２に示す流量センサの部分拡大断面図である。 本実施の形態の流量センサの回路図である。 本実施の形態の流量センサに蓋体を設けた構成を示す部分斜視図である。 図５Ａに示す流量センサのＢ−Ｂ矢視の断面図である。 図２とは別の実施の形態を示す流量センサの部分断面図である。 図１、図２とは別の実施の形態を示す流量センサを示し、図８Ａは、平面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示すＣ−Ｃ矢視の断面図である。 実験に使用した実施例の平面図（図９Ａ）と、裏面図（図９Ｂ）である。 実験に使用した比較例の平面図（図１０Ａ）と、裏面図（図１０Ｂ）である。 実施例と比較例の風速に対する応答性を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１は、本実施の形態における流量センサの部分平面図である。また、図２は、図１に示す流量センサのＡ−Ａ矢視の断面図である。

図１、図２に示す本実施の形態の流量センサ１は、熱式の流量センサ１であり、絶縁基板２と、絶縁基板２に配置された流量検知用抵抗素子３及び温度補償用抵抗素子４と、を有して構成される。なお、図１には、絶縁基板２の裏面に配置された温度補償用抵抗素子４は、図示されていない。

絶縁基板２を特に限定するものではないが、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた一般的なプリント基板であることが好ましく、例えば、ＦＲ４基板を提示することができる。

図２に示すように、絶縁基板２の表面２ａには、流量検知用抵抗素子３が配置されている。また、図２に示すように、絶縁基板２の裏面２ｂには、温度補償用抵抗素子４が配置されている。

流量検知用抵抗素子３は、発熱抵抗であり、例えば、任意に設定した周囲温度に対して所定温度高くなるように加熱制御されている。このため、流体が、流量検知用抵抗素子３に接触すると、流量検知用抵抗素子３の温度は低下する。本実施の形態の流量センサ１は、流量検知用抵抗素子３の放熱を利用して、流体の流量（流速）を検知するものである。

また、本実施の形態の流量センサ１は、温度補償用抵抗素子４にて、流体そのものの温度を検知し、流体の温度変化の影響を補償する。このように、流量センサ１に温度補償用抵抗素子４を配置することで、流体の温度変化が流量検知に影響するのを低減でき、流量検知を精度よく行うことができる。

図１、図２に示すように、絶縁基板２は、素子設置部２ｃと、素子設置部２ｃとスリット５を介して分離した支持部２ｄと、素子設置部２ｃと支持部２ｄとの間を接続する幅細の接続部２ｅ（図１参照）と、を有して構成される。支持部２ｄには、図示しない信号処理部（ＩＣ）が搭載されている。流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４は、信号処理部と電気的に接続されている。支持部２ｄは、素子設置部２ｃの周囲を切れ目なく囲んでいるが、一部に切れ目があってもよい。ただし、切れ目なく素子設置部２ｃの周囲を、支持部２ｄで囲むことで、素子設置部２ｃの機械的強度を上げることができる。

図１、図２に示すように、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４は、いずれも素子設置部２ｃ内であって、表面２ａ及び裏面２ｂに夫々、配置されている。

ここで、素子設置部２ｃの幅（径）は、例えば、数ｍｍ〜十ｍｍ以内程度、接続部２ｅの幅は、素子設置部２ｃの幅（径）に対して、例えば、数分の１〜１０分の１以内程度、である。また、絶縁基板２の厚みは、例えば、１ｍｍ以内程度である。ただし、上記に挙げた数値は一例であって、本実施の形態において、各部位の大きさや厚みを限定するものではない。

流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４の素子構造について図３を用いて説明する。図３は、図２に示す流量センサの部分拡大断面図である。

図３に示すように、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４は、チップ型抵抗器である。図３に示すように、流量検知用抵抗素子３は、セラミック基板６と、セラミック基板６の表面に形成された抵抗層７と、抵抗層７と電気的に接続され、セラミック基板６の表面に設けられた端子８と、を有して構成される。図３に示すように、端子８は、セラミック基板６の両側の側面に形成され、抵抗層７と電気的に接続する位置から側面を通って、絶縁基板２と対向する裏面位置まで延出している。同様に、温度補償用抵抗素子４も、セラミック基板９と、セラミック基板９の表面に形成された抵抗層１０と、抵抗層１０と電気的に接続され、セラミック基板９の表面に設けられた端子１１と、を有して構成される。図３に示すように、流量検知用抵抗素子３及び温度補償用抵抗素子４の各抵抗層７、１０の表面は保護層１２で覆われている。

図３に示すように、流量検知用抵抗素子３は、端子８の部分で、絶縁基板２の表面２ａに形成されたランド１３に半田層１４を介して面実装されている。同様に、温度補償用抵抗素子４も、端子１１の部分で、絶縁基板２の裏面２ｂに形成されたランド１３に半田層１４を介して面実装されている。

図１に示すように、配線パターン１５が絶縁基板２の表面２ａにて、素子設置部２ｃのランド１３から支持部２ｄにかけて引き出されている。また、図示しないが、同様に裏面２ｂにおいても、ランド１３から配線パターン１５が引き出されている。そして、各配線パターン１５は、支持部２ｄに設けられた信号処理部に接続されている。

図４は、本実施の形態の流量センサの回路図である。図４に示すように、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４と、抵抗器１６、１７とでブリッジ回路１８を構成している。図４に示すように、流量検知用抵抗素子３と抵抗器１６とで第１の直列回路１９を構成し、温度補償用抵抗素子４と抵抗器１７とで第２の直列回路２０を構成している。そして、第１の直列回路１９と第２の直列回路２０とが、並列に接続されてブリッジ回路１８を構成している。

図４に示すように、第１の直列回路１９の出力部２１と、第２の直列回路２０の出力部２２とが、夫々、差動増幅器（アンプ）２３に接続されている。ブリッジ回路１８には、差動増幅器２３を含めたフィードバック回路２４が接続されている。フィードバック回路２４には、トランジスタ（図示せず）等が含まれる。

抵抗器１６、１７は、流量検知用抵抗素子３、及び温度補償用抵抗素子４よりも抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さい。流量検知用抵抗素子３は、例えば、所定の周囲温度よりも所定値だけ高くなるように制御された加熱状態で、所定の抵抗値Ｒｓ１を有し、また、温度補償用抵抗素子４は、例えば、前記の周囲温度にて、所定の抵抗値Ｒｓ２を有するように制御されている。なお、抵抗値Ｒｓ１は、抵抗値Ｒｓ２よりも小さい。限定するものではないが、例えば、抵抗値Ｒｓ２は、抵抗値Ｒｓ１の数倍〜十数倍程度である。流量検知用抵抗素子３と第１の直列回路１９を構成する抵抗器１６は、例えば、流量検知用抵抗素子３の抵抗値Ｒｓ１と同様の抵抗値Ｒ１を有する固定抵抗器である。また、温度補償用抵抗素子４と第２の直列回路２０を構成する抵抗器１７は、例えば、温度補償用抵抗素子４の抵抗値Ｒｓ２と同様の抵抗値Ｒ２を有する固定抵抗器である。

本実施の形態の流量センサ１は、例えば、風速センサである。無風状態では、差動増幅器２３からの差動出力がほぼゼロとなるように制御されている。無風状態から風が吹くと、発熱抵抗である流量検知用抵抗素子３の温度は低下するため、流量検知用抵抗素子３が接続された第１の直列回路１９の出力部２１の電位が変動する。これにより、差動増幅器２３により差動出力が得られる。そして、フィードバック回路２４では、差動出力に基づいて、流量検知用抵抗素子３に駆動電圧を印加する。流量センサ１は、流量検知用抵抗素子３の加熱に要する電圧の変化に基づいて風速を換算し出力することができる。風速が変化すると、それに伴い、流量検知用抵抗素子３の温度が変化するため、風速を検知することができる。

このように、本実施の形態の流量センサ１により、風速を検知することができ、例えば、風速の変化により、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）の色を変化させたり、明暗を変えたりするアプリケーションを提供することができる。本実施の形態の流量センサ１を用いたアプリケーションを、例えば、ＩＯＴのセンサネットワークの一例として用いることができる。

本実施の形態の流量センサ１は、温度補償用抵抗素子４の端子１１の温度（以下、「端子温度」と称する）を、流量検知用抵抗素子３の端子８の温度（以下、「端子温度」と称する）に近づけるように、流量検知用抵抗素子３及び温度補償用抵抗素子４が夫々、絶縁基板２に配置される点に特徴的部分がある。ここで「近づける」とは、両抵抗素子に多少の端子温度差があることを許容するものである。「多少の端子温度差」とは、例えば、後述する比較例の形態の端子温度差よりも小さい状態を指す。また、本実施の形態における流量センサ１における端子温度差は、具体的には、５℃以内程度であることが好ましく、より好ましくは約３℃以内であるが、これに限定されるものではない。

本実施の形態では、流量センサ１を構成する流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４が、絶縁基板２に対し、以下に規定する配置とされることで、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４との端子温度差を極力小さくすることができる。

すなわち、本実施の形態では、図２及び、図３に示すように、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４とが、絶縁基板２を介して対向配置されている。ここで、「対向配置」とは、温度補償用抵抗素子４が、流量検知用抵抗素子３の真裏に配置される構成のみならず、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４とが、絶縁基板２を介して少なくとも一部が重なるように、絶縁基板２に対し互いに横方向にずれて配置された形態も含む。このとき、流量検知用抵抗素子３の端子８と、温度補償用抵抗素子４の端子１１とが、絶縁基板２を介して一部重なるように配置されることが好適である。

流量センサ１の応答性は、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との間の熱抵抗によって、流量検知用抵抗素子３の端子温度と温度補償用抵抗素子４の端子温度に差が生じている場合、温度差の生じている領域の熱容量に起因した熱時定数により決まる。したがって、流量センサ１の応答性を向上させるべく本実施の形態では、両抵抗素子間の熱時定数が小さくなるように、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４を、絶縁基板２に配置している。

すなわち、本実施の形態では、図２に示すように、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とを絶縁基板２を介して対向配置する。これにより、両抵抗素子間の熱抵抗を小さくでき、温度補償用抵抗素子４の端子温度を、流量検知用抵抗素子３の端子温度に近づけることができる。また、両抵抗素子間に介在する絶縁基板２は薄い板厚であり、熱容量は小さい。これにより、両抵抗素子間に介在する絶縁基板２の熱容量と、両抵抗素子間の熱抵抗により定まる熱時定数を小さくすることができ、応答性を向上させることができる。また、上記のように、両抵抗素子間に介在する絶縁基板２の熱容量は小さく、消費電力を低減できる。

このように、本実施の形態では、応答性を改善したことで、耐候性コーティングを施す等して、抵抗素子の熱容量が増加しても、良好な応答性を維持することができる。よって、本実施の形態では、屋外等、耐候性を要求される用途でも応答性に優れた風量センサ１として使用可能である。

また、本実施の形態の流量センサ１では、図１、図２に示すように、流量検知用抵抗素子３が、風が当たる絶縁基板２の表面２ａ側に配置されている。一方、温度補償用抵抗素子４は、表面２ａに比べて風が当たらない絶縁基板２の裏面２ｂ側に配置されている。このように、温度補償用抵抗素子４は、風との接触が、流量検知用抵抗素子３に比べて妨げられるように配置されている。温度補償用抵抗素子４は、流量検知用抵抗素子３の自己発熱により、絶縁基板２内を伝わる熱の影響を受けており、温度補償用抵抗素子４の温度も上昇した状態にある。このため、温度補償用抵抗素子４に風が当たると、温度補償用抵抗素子４自体も温度が低下して、図４に示す第２の直列回路２０の出力部２２から得られる電圧に変化が生じ、感度が悪化する。このため、温度補償用抵抗素子４に、風が当たらないように、温度補償用抵抗素子４を、例えば、絶縁基板２の裏面２ｂ側に配置することで、感度を維持しつつ、応答性を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態では、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４が、図３に示す構造を備えたチップ型抵抗器を構成する。発熱抵抗としての流量検知用抵抗素子３は、抵抗層７からジュール熱が放散される。熱の一部は、流量検知用抵抗素子３のセラミック基板６及び端子８を通り、更に、絶縁基板２から温度補償用抵抗素子４の端子１１に至る。このため、流量検知用抵抗素子３の抵抗層７の温度が最も高く、温度補償用抵抗素子４の端子１１にかけて温度は徐々に低下している。このように、チップ型抵抗器を絶縁基板に配置した構成では、もともと抵抗層７と端子８との間に温度差が生じている。この温度差は、抵抗層７と端子８との間のセラミック基板６の熱抵抗に起因する。このため、絶縁基板２に、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４としてチップ型抵抗器を配置した構成における、流量センサ１の応答性は、チップ型抵抗器の熱容量も加味しなければならないが、通常では、チップ型抵抗器内部の熱抵抗によって熱容量の影響を低減することはできない。すなわち、本実施の形態のように、絶縁基板２の表裏面に、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４とを対向配置し、温度補償用抵抗素子４の端子温度を、流量検知用抵抗素子３の端子温度に極力近づけることで、流量検知用抵抗素子３の抵抗層７と、温度補償用抵抗素子４の端子１１間で作用する熱抵抗及び熱容量の増大を最大限抑制することができ、効果的に、応答性を改善することが可能になる。また、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４として用いられるチップ型抵抗器は、抵抗材料して高価な白金を用いずとも、所望の応答性及び感度を実現でき、したがって、流量センサ１を安価に製造することができる。

図５は、本実施の形態の流量センサに蓋体を設けた構成を示す部分斜視図である。図６は、図５Ａに示す流量センサのＢ−Ｂ矢視の断面図である。図５Ａは、流量センサ１の表面側から見た斜視図であり、図５Ｂは、流量センサ１の裏面側から見た斜視図である。

本実施の形態では、図５、図６に示すように、絶縁基板２の裏面２ｂに蓋体２５が設置されている。図６に示すように、蓋体２５には、凹部２５ａが形成されており、凹部２５ａを、絶縁基板２の裏面２ｂ側に向けた状態で、蓋体２５が、流量センサ１の裏面に取付けられている。これにより、絶縁基板２の裏面２ｂに配置された温度補償用抵抗素子４を凹部２５ａ内に収納することができる。

本実施の形態では、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４が、絶縁基板２のうち、素子設置部２ｃ内に配置されている。このため、蓋体２５は、素子設置部２ｃの周囲を覆うように、素子設置部２ｃの裏面に設置される。図５Ａ、図６に示すように、蓋体２５には、複数の鉤状の取付部２５ｂが設けられている。そして、取付部２５ｂが、スリット５から支持部２ｄの表面に取付けられ固定されている。このように、蓋体２５を、温度補償用抵抗素子４を収納するように、絶縁基板２に設置することで、温度補償用抵抗素子４に風が当たるのを防止することができる。このとき、温度補償用抵抗素子４は、蓋体２５の凹部２５ａ内に位置し、流量検知用抵抗素子３の端子８との熱結合を通して空気と接触した状態を保つことができる。これにより、温度補償用抵抗素子４は、周囲温度の変化を検知することができ、良好な感度を保つことができる。また、本実施の形態のように、スリット５を有する構成にあっては、スリット５を、蓋体２５を絶縁基板２に取付ける際に利用することができ、図５、図６に示すように、蓋体２５を、簡単に素子設置部２ｃの裏面に取付けることができる。なお、温度補償用抵抗素子４を収納する蓋体２５の凹部２５ａを密閉空間とせず、蓋体２５の中心等に、蓋体２５の表面から凹部２５ａへ通じる通気口を設けるなどしてもよい。これにより、より優れた特性を得ることができる。

図７は、図２とは別の実施の形態を示す流量センサの部分断面図である。図２では、温度補償用抵抗素子４が、流量検知用抵抗素子３の真裏に配置されているが、図７Ａでは、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４は、絶縁基板２の表裏面において、絶縁基板２を介して一部が重なるように、横方向にずれた状態で配置されている。なお、既に記載したように、図７Ａの形態も、「対向配置」の一態様である。一方、図７Ｂに示す流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４は、絶縁基板２を介して重ならず、絶縁基板２の横方向にて離れた状態とされている。

本実施の形態では、図１に示すように、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４が配置される素子設置部２ｃは、接続部２ｅを介して支持部２ｄに接続されている。図１に示すように、接続部２ｅの幅は、素子設置部２ｃに比べて十分に細く、熱抵抗が高い領域とされる。このように、素子設置部２ｃと支持部２ｄとを分離し、素子設置部２ｃと支持部２ｄとを幅細の接続部２ｅにて接続した構成にあっては、素子設置部２ｃ内にて、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とが絶縁基板２を介して重ならずに離れて配置されても、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との間の熱抵抗の影響を小さくできる。本実施の形態によれば、例えば、流量検知用抵抗素子３を素子設置部２ｃに配置し、温度補償用抵抗素子４を支持部２ｄに配置した形態に比べて、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との熱抵抗を小さくでき、温度補償用抵抗素子４の端子温度を、流量検知用抵抗素子３の端子温度に近づけることができる。したがって、図７Ｂに示すように、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とを、素子設置部２ｃ内に配置した構成にあっては、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とが絶縁基板２を介して重ならず離れて配置されても、温度補償用抵抗素子４の端子温度を、流量検知用抵抗素子３の端子温度に近づけることができる。また、端子温度差が生じている領域としての絶縁基板２の熱容量は、両抵抗素子が離れることで大きくなるものの、支持部２ｄから分離した、限られた素子設置部２ｃ内にて両抵抗素子を多少ずらして配置しても、熱容量の上昇を極力抑制することができる。以上により、図７Ｂに示す構成であっても、両抵抗素子間の熱時定数を小さくでき、応答性を向上させることができる。ただし、図２や図７Ａに示すように、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とを、絶縁基板２を介して重ねることで、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との間の熱時定数をより小さくでき、応答性をより効果的に向上させることができる。

また、図２に示す実施の形態では、温度補償用抵抗素子４が１個配置されていたが、例えば、図７Ｃに示すように、温度補償用抵抗素子４を複数個配置し、複数の温度補償用抵抗素子４で所定の抵抗値を構成するように制御してもよい。このとき、各温度補償用抵抗素子４は、流量検知用抵抗素子３の中心に対して対称配置とすることが、流量検知用抵抗素子３と各温度補償用抵抗素子４の各端子温度差を同じように小さくでき、応答性を安定して向上させることができる。

上記の実施形態では、いずれも、温度補償用抵抗素子４に風が当たるのを抑制するために、温度補償用抵抗素子４を、絶縁基板２の裏面２ｂに配置していたが、温度補償用抵抗素子４を、流量検知用抵抗素子３と共に、絶縁基板２の表面２ａに配置してもよい。このとき、温度補償用抵抗素子４は、流量検知用抵抗素子３よりも風が当たりにくいように、流量検知用抵抗素子３を風上に、温度補償用抵抗素子４を風下に配置したり、このとき、温度補償用抵抗素子４に対する防風壁を設けたり、或いは、図８に示す構成を提示することができる。

図８は、図１、図２とは別の実施の形態を示す流量センサを示し、図８Ａは、平面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示すＣ−Ｃ矢視の断面図である。

図８に示す実施の形態では、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４を配置する絶縁基板２６は、素子設置部２６ｃと、素子設置部２６ｃと分離された支持部２６ｄと、素子設置部２６ｃと支持部２６ｄとの間を接続する幅細の接続部２６ｅと、を有して構成される。そして、素子設置部２６ｃの表面２６ａに、流量検知用抵抗素子３と、温度補償用抵抗素子４とが配置されている。図８に示すように、素子設置部２６ｃと支持部２６ｄとを幅細の接続部２６ｅにて接続した構成にあっては、素子設置部２６ｃ内にて、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４とが離れて配置されても、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との熱抵抗を小さくできる。なお、各抵抗素子３、４の端子と接合されるランド２８の大きさや形状、各抵抗素子３、４の間隔を適切に調整することで、両抵抗素子３、４の端子温度差をできる限り小さくすることができる。

そして、図８に示す実施の形態では、温度補償用抵抗素子４の表面が断熱層２７にて覆われている。これにより、温度補償用抵抗素子４が風に当たるのを防止することができる。

ただし、図８の構成では、温度補償用抵抗素子４の温度基準が裏面２６ｂ、流量検知用抵抗素子３の空気への放熱が表面２６ａと両者の位置が離れてしまうことで、温度補償用抵抗素子４としての機能が、上記に挙げた実施の形態に比べて低下する。このため、図２等に示すように、温度補償用抵抗素子４を絶縁基板２の裏面２ｂに配置して温度補償用抵抗素子４の温度基準を表面２ａとし、流量検知用抵抗素子３が接触する外気側に、温度補償用抵抗素子４の温度基準を曝すとともに、温度補償用抵抗素子４に風が当たるのを抑制する構成とすることが、温度補償用抵抗素子４としての機能を適切に維持するうえで好適である。また、図８に代えて、スペースの余裕があれば、流量検知用抵抗素子３とともに、温度補償用抵抗素子４を絶縁基板２の表面に配置し、温度補償用抵抗素子４に対し、空洞を有する蓋を被せることもできる。

なお、絶縁基板の形態としては、図８に示す絶縁基板２６の形態より、図１に示す絶縁基板２の形態のほうが好ましい。すなわち、図２に示す絶縁基板２のように、素子設置部２ｃの周囲を支持部２ｄで囲み、素子設置部２ｃと支持部２ｄとの間を複数の接続部２ｅで接続した構成とすることで、素子設置部２ｃの機械的強度を、図８に示す素子設置部２６ｃよりも高めることができる。なお、図１において、素子設置部２ｃの機械的強度は低下するものの、接続部２ｅを１つとすることもできる。ただし、図１に示すように、接続部２ｅは、配線パターン１５の形成領域でもあるため、図１に示すように、複数の配線パターン１５に対して同様に複数の接続部２ｅを設けることで、複数の配線パターン１５を素子設置部２ｃから支持部２ｄへ簡単に延出形成することができる。

上記では、本実施の形態の流量センサ１を、風速センサとして説明したが、風速センサに限定されるものではない。本実施の形態では、風以外の流体、例えば、ガス流や、水等の液体を対象とした流量センサであってもよい。このとき、流量センサを、図５や図８に示す構成とすれば、液体を対象としても、液体が、温度補償用抵抗素子４に触れることを防止することができ、適切に、液体の流速を、感度を維持しつつ良好な応答性にて検知することが可能である。

以下、本発明の効果を明確にするために実施した実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

［端子温度差の実験］
まず、実験では、以下に示す実施例及び比較例の流量センサを用い、流量センサの各部位の温度を測定し、流量検知用抵抗素子と温度補償用抵抗素子との端子温度差を比較した。

（実施例）
図９は、実験に使用した実施例の平面図（図９Ａ）と、裏面図（図９Ｂ）である。図９Ａに示すように、素子設置部２ｃの表面には、１個の流量検知用抵抗素子３を配置し、図９Ｂに示すように、素子設置部２ｃの裏面には、２個の温度補償用抵抗素子４を配置した。なお、図９に示す絶縁基板の形態は、図１に示す絶縁基板２の形態と同じである。

（比較例）
図１０は、実験に使用した比較例の平面図（図１０Ａ）と、裏面図（図１０Ｂ）である。図１０に示すように、絶縁基板を、図９とは異なる形態とした。すなわち、図１０に示すように、絶縁基板は、中央部２９ａと、周囲部２９ｂと、支持部２９ｃとを夫々、スリット３０、３１を介して分離し、中央部２９ａと、周囲部２９ｂとの間を幅の細い接続部３２にて、周囲部２９ｂと、支持部２９ｃとの間を幅の細い接続部３３にて、夫々接続した構成とした。

そして、図１０Ａに示すように、中央部２９ａの表面に、１個の流量検知用抵抗素子３を設置し、図１０Ｂに示すように、周囲部２９ｂの裏面に、１個の温度補償用抵抗素子４を配置した。

実施例及び比較例ともに、同じ流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４を使用した。流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４としては、ＫＯＡ製の図３に示すチップ型抵抗器を用いた。また、実施例及び比較例ともに、絶縁基板として、同じ厚みのＦＲ４基板を用いた。また、実施例及び比較例ともに、図４と同じ回路構成とし、無風状態にて、温度補償用抵抗素子４は、２５℃で、所定の抵抗値Ｒｓ２を有し、流量検知用抵抗素子３は、温度補償用抵抗素子４より数度高い温度で所定の抵抗値Ｒｓ１を有するように、回路を駆動させて、発熱用抵抗である流量検知用抵抗素子３を加熱させた。なお、抵抗値Ｒｓ２を、抵抗値Ｒｓ１の約１０倍程となるように制御した。

（実験方法）
図９Ａに示す表面側のａ点〜ｄ点の各部位と、図９Ｂに示す裏面側のｅ点の部位の温度を、赤外線サーモグラフィにて測定した。ａ点（表）は、流量検知用抵抗素子３の中央に位置する。ｂ点（表）は、流量検知用抵抗素子の端子位置である。ｃ点（表）及び、ｄ点（表）は、絶縁基板における分岐部に位置する。また、ｅ点（裏）は、温度補償用抵抗素子の端子位置である。

同様に、図１０Ａに示す表面側のｆ点〜ｊ点の各部位と、図１０Ｂに示す裏面側のｋ点〜ｏ点の部位の温度を、赤外線サーモグラフィにて測定した。ｆ点（表）は、流量検知用抵抗素子３の中央に位置する。ｇ点（表）は、流量検知用抵抗素子の端子位置である。ｈ点（表）及び、ｉ点（表）は、絶縁基板における分岐部に位置する。また、ｊ点（表）は、絶縁基板の先端付近に位置する。ｋ点（裏）は、絶縁基板における温度補償用抵抗素子の端子との対向位置である。ｌ点（裏）は、温度補償用抵抗素子の端子に位置する。ｍ点（裏）及び、ｎ点（裏）は、絶縁基板における分岐部に位置する。また、ｏ点（裏）は、絶縁基板の先端付近に位置する。

以下に示す実験方法にて、各部位の温度を測定した。
・測定環境
室温:２５℃（２４時間温度管理）
・測定方法
試料表面処理：風量センサ（風速センサ）全体に放射率０．９８のスプレー塗料を塗布した。
測定条件：風量センサに対して、周囲の風が当たらない環境下で測定した。
測定装置：日本アビオニクス製 赤外線サーモグラフィ ＴＨ９２６０（２００７年製）、
使用レンズ：ＴＨ９２−４８６
（最小分解能：１００μｍ×１００μｍ、焦点距離：１９５ｍｍ、標準レンズに連結して使用）を使用した。

以下に、各部位の温度測定結果を示す。表１は、実施例の実験結果であり、表２は、比較例の実験結果である。なお、表１及び、表２に示す「温度上昇値」とは、室温の２５℃に対する温度差を示す。

表１に示すように、流量検知用抵抗素子３の端子温度は、４３．３℃であり、温度補償用抵抗素子４の端子温度は、４２．２℃であり、端子温度差は約１℃であることがわかった。

一方、比較例では、流量検知用抵抗素子３の端子温度は、４２．０℃であった。また、温度補償用抵抗素子４の端子温度は、３６．９℃であった。よって、比較例での端子温度差は、約５℃であった。

［応答性の実験］
続いて、上記に挙げた実施例及び比較例の各流量センサを用いて、応答性について実験を行った。

実験では、上記した測定環境下において、実施例及び比較例の各流量センサに対して、うちわで仰いで表面側に風を当てた。このとき、実施例と比較例の各流量センサを、隣り合わせに設置して、同時に複数回連続してうちわで仰ぎ、各流量センサにより、風速を測定した。その実験結果を図１１に示す。

図１１に示す各波形のピークが、うちわで仰いだ際に最も風の強い瞬間を示している。図１１に示すように、実施例のほうが、比較例に比べて、波形の立ち上がりと立下がりが速いことがわかった。すなわち、実施例のほうが比較例よりも鋭いピークが検出された。このように実施例では、各ピークが適切に分離され、各ピークを、区別しやすい状態となっており、したがって、実施例は、比較例よりも、「応答が速い」或いは、「時間方向の分解能が高い」ことがわかった。

このように、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４との端子温度差が小さい実施例では、比較例に比べて、応答性を向上させることができるとわかった。

本発明における流量センサは、例えば、風速を検知できる風速センサとして適用することができる。風速に応じて、ＬＥＤの色や明暗を変化させたり、音の大きさや、メロディを変えたり、画像を変化等させたり、様々なアプリケーションに適用可能である。本発明の流量センサを用いたアプリケーションを、例えば、ＩＯＴのセンサネットワークの一例として用いることができる。

また、本発明における流量センサを、自動車や電子機器等に搭載し、熱式風量計等して適用することも可能である。

特に本発明によれば、製造費を低く抑えながら、精度の高い風速の検知が可能となり、上記したアプリケーションに掛かる製造原価を抑えつつ、風速に応じた動的な表現を応答性よく実現でき、使用者や見物人に、楽しさ、面白さといった感覚や、爽快感、刺激等を与えることができる。

１ 流量センサ
２、２６ 絶縁基板
２ａ、２６ａ 表面
２ｂ、２６ｂ 裏面
２ｃ、２６ｃ 素子設置部
２ｄ、２６ｄ 支持部
２ｅ、２６ｅ 接続部
３ 流量検知用抵抗素子
４ 温度補償用抵抗素子
５ スリット
６、９ セラミック基板
８、１１ 端子
７、１０ 抵抗層
１３、２８ ランド
１５ 配線パターン
１６、１７ 抵抗器
１８ ブリッジ回路
１９、２０ 直列回路
２１、２２ 出力部
２３ 差動増幅器
２４ フィードバック回路
２５ 蓋体
２５ａ 凹部
２７ 断熱層

Claims (7)

1. 絶縁基板と、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子と、を有し、
   前記温度補償用抵抗素子の端子温度を前記流量検知用抵抗素子の端子温度に近づけるように、前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子が夫々、前記絶縁基板に配置されることを特徴とする流量センサ。
2. 絶縁基板と、流量検知用抵抗素子と、温度補償用抵抗素子と、を有し、
   前記流量検知用抵抗素子は、前記絶縁基板の表面側に配置され、前記温度補償用抵抗素子は、前記絶縁基板の裏面側に配置され、前記絶縁基板を介して前記流量検知用抵抗素子と対向配置されることを特徴とする流量センサ。
3. 前記温度補償用抵抗素子は、流体との接触が前記流量検知用抵抗素子に比べて妨げられるように配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流量センサ。
4. 前記絶縁基板は、素子設置部と、前記素子設置部と分離した支持部と、前記素子設置部と前記支持部との間を接続し、前記素子設置部よりも幅が細い接続部と、を有して構成され、
   前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子は、夫々、前記素子設置部内に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の流量センサ。
5. 前記支持部は、スリットを介して前記素子設置部の周囲を囲んでおり、前記素子設置部と前記支持部との間は、複数の前記接続部により接続されていることを特徴とする請求項４に記載の流量センサ。
6. 前記素子設置部の裏面には、凹部を有する蓋体が設置されており、前記温度補償用抵抗素子は、前記素子設置部の裏面であって前記凹部内に配置されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の流量センサ。
7. 前記流量検知用抵抗素子及び前記温度補償用抵抗素子は、セラミック基板と、前記セラミック基板の表面に設けられた抵抗層と、前記抵抗層と電気的に接続し、前記セラミック基板の表面に設けられた端子と、を有して構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の流量センサ。
   
   

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