JP2021089249A

JP2021089249A - 流量センサ

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Publication number: JP2021089249A
Application number: JP2019220952A
Authority: JP
Inventors: 智一池野; Tomokazu Ikeno
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: WO2021111952A1; JP7341595B2

Abstract

【課題】絶縁基板の表面上を流れる全方向からの流量検知を可能とする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、絶縁基板の厚み方向に貫く第１の熱伝導部（５）と、第１の熱伝導部の流量検知面とは反対側に配置される流量検知用抵抗素子（３）と、流量検知用抵抗素子と同じ面側に配置される温度補償用抵抗素子（４）と、を有することを特徴とする。これにより、流量検知面に沿って流れる流量の３６０°検知が可能になる。【選択図】図４

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。例えば、特許文献１には、基板の表面に流量検知用抵抗素子と、流体の温度を検知するための温度補償用抵抗素子を配置した流量センサについて開示されている。

特開平８−３５９７８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、絶縁基板の表面上を流れる流体は、風向によって、流量検知用抵抗素子に到達する前に、温度補償用抵抗素子や各種電子部品が障壁となり、適切に流量検知を行うことができない問題があった。すなわち、特許文献１の構成では、絶縁基板の表面上を流れる全方向からの流量検知を高精度に行うことができない。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、絶縁基板の表面上を流れる全方向からの流量検知を可能とする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、前記絶縁基板の厚み方向に貫く第１の熱伝導部と、前記第１の熱伝導部の流量検知面とは反対側に配置される流量検知用抵抗素子と、前記流量検知用抵抗素子と同じ面側に配置される温度補償用抵抗素子と、を有することを特徴とする。

本発明の流量センサにおいては、絶縁基板に、厚み方向に貫く第１の熱伝導部を設け、第１の熱伝導部の、流量検知面とは反対側に流量検知用抵抗素子を配置した。また、温度補償用抵抗素子を、流量検知用抵抗素子と同じ面側に配置した。これにより、流量検知面に沿って流れる流量の３６０°検知が可能になる。

本実施の形態における流量センサの斜視図である。本実施の形態における流量センサを裏側から見た斜視図（保護層は非表示）である。図２から流量検知用抵抗素子及び温度補償用抵抗素子を除去した状態のプリント基板の裏面斜視図である。本実施の形態における流量センサの部分拡大断面図である。本実施の形態における流量センサの部分拡大平面図である。本実施の形態における流量検知用抵抗素子の設置付近を示す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。

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。

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。図１等に示すように、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４は、絶縁基板２の表面には現れていない。

絶縁基板２を特に限定するものではないが、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を使用することができる。或いは、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたプリント基板であってもよく、例えば、ＦＲ４基板を提示することができる。ただし、フレキシブルプリント基板のほうが、ＦＲ４基板より薄く、表裏の熱伝導が良いため好ましい。

絶縁基板２は、流量検知面（外面）２ａと、流量検知面２ａとは反対側の裏面２ｂの、相対向する２つの主面を有する。図１では、流量検知面２ａを表側に向けて図示した。図２では、裏面２ｂを表側に向けて図示した。なお、図２では、図１等に図示された保護層２０を非表示とした。

図１や図４、図５等に示すように、絶縁基板２の中央部には、絶縁基板２の流量検知面２ａから裏面２ｂに貫く第１の熱伝導部５が設けられている。第１の熱伝導部５は、平面視にて円形状で形成されることが好ましい。すなわち、第１の熱伝導部５は、流量検知面２ａ及び、裏面２ｂに円形状で現れることが好ましい。

また、第１の熱伝導部５は、流量検知用抵抗素子３の対向面積よりも広いことが好ましい。すなわち、流量検知用抵抗素子３全体が、第１の熱伝導部５の内側に位置することが好ましい。

図１や図４、図５等に示すように、第１の熱伝導部５の外側の絶縁基板２には、第１の熱伝導部５と略等間隔の位置に、第２の熱伝導部６が形成されている。第２の熱伝導部６は、円形リング形状であることが好ましい。すなわち、第２の熱伝導部６は、流量検知面２ａ及び、裏面２ｂに円形リング形状で現れることが好ましい。第２の熱伝導部６は全域が、一定幅で形成されることが好ましい。

第１の熱伝導部５及び、第２の熱伝導部６は、絶縁基板２に比べて熱伝導率が高い金属であり、材質を限定するものではないが、好ましくは、銅或いは銅合金で形成される。

図４に示すように、第１の熱伝導部５の裏面側には、絶縁層７を介して、流量検知用抵抗素子３が配置されている。また、第２の熱伝導部６の裏面側には、絶縁層７を介して、温度補償用抵抗素子４が配置されている。これにより、流量検知用抵抗素子３と第１の熱伝導部５は、電気的に絶縁されており、温度補償用抵抗素子４と、第２の熱伝導部６は、電気的に絶縁されている。絶縁層７は、無機材料層であっても有機材料層であってもどちらでもよい。

また、流量検知用抵抗素子３は、第１の熱伝導部５の中心に配置されることが好ましい。また、温度補償用抵抗素子４は、第２の熱伝導部６と重なっていれば、流量検知用抵抗素子３からみて、どの方向に配置されていてもよいが、図２に示すように、配線パターン９ａ〜９ｄの引き回しを考慮すると、温度補償用抵抗素子４を、流量検知用抵抗素子３よりも、配線パターン９ａ〜９ｄを引き出す配線引出部８側に配置することが好ましい。

図４に示す絶縁層７は、絶縁基板２の裏面２ｂの全域に形成されることが好ましく、絶縁層７の外面に、図３に示す配線パターン９ａ〜９ｄが形成されている。なお、図３では、絶縁層７を省略した。

図３に示すように、絶縁基板２には、４本の配線パターン９ａ〜９ｄが形成されており、うち２本の配線パターン９ａ、９ｂは、第１の熱伝導部５と重なる位置まで引き出されている。各配線パターン９ａ、９ｂの先端は、配線パターン９ａ、９ｂよりも幅の広いランド１０ａ、１０ｂを構成している。また、ランド１０ａ、１０ｂの間には、金属部１１ａが形成されている。そして、金属部１１ａの両側から、ランド１０ａ、１０ｂの並び方向とは直交する方向に、金属延出部１２ａ、１２ｂが形成されている。金属延出部１２ａ、１２ｂには、第１の熱伝導部５に繋がる複数の導通部１３が形成されている。本実施の形態では、ランド１０ａ、１０ｂと、金属部１１ａは、電気的に接続されていない。

図３に示すように、配線パターン９ｃ、９ｄは、第２の熱伝導部６と重なる位置まで引き出されている。各配線パターン９ｃ、９ｄの先端は、配線パターン９ｃ、９ｄよりも幅の広いランド１０ｃ、１０ｄを構成している。また、ランド１０ｃ、１０ｄの間には、金属部１１ｂが形成されている。そして、金属部１１ｂの両側から、ランド１０ｃ、１０ｄの並び方向とは直交する方向に、金属延出部１２ｃ、１２ｄが形成されている。金属延出部１２ｃ、１２ｄには、第２の熱伝導部６に繋がる複数の導通部１３が形成されている。本実施の形態では、ランド１０ｃ、１０ｃと、金属部１１ｂは、電気的に接続されていない。

図６は、流量検知用抵抗素子３の設置付近を示す部分拡大断面図である。図６に示すように、流量検知用抵抗素子３は、チップ型抵抗器である。図６に示すように、流量検知用抵抗素子３は、セラミック基板１６と、セラミック基板１６の表面に形成された抵抗層１７と、抵抗層１７と電気的に接続され、セラミック基板１６の表面に設けられた端子１８と、を有して構成される。図６に示すように、端子１８は、セラミック基板１６の両側の側面に形成され、抵抗層１７と電気的に接続する位置から側面を通って、第１の熱伝導部５と対向する裏面位置まで延出している。限定するものではないが、抵抗層１７は、例えば、白金を主成分として形成される。

図６に示すように、流量検知用抵抗素子３は、端子１８の部分で、絶縁基板２の裏面２ｂに絶縁層７を介して形成されたランド１０ａ、１０ｂに、半田層１９を介して面実装されている。

図示しないが、温度補償用抵抗素子４も、図６に示す流量検知用抵抗素子３と同様の設置構造とされている。

また、図６には、図示していないが、図１や図４に示すように、絶縁基板２の裏面２ｂには、電気絶縁性の保護層２０が設けられており、流量検知用抵抗素子３及び温度補償用抵抗素子４が、保護層２０内に埋設されている。したがって、流体は、流量検知用抵抗素子３及び温度補償用抵抗素子４に直接接触しない。

図７は、本実施の形態の流量センサの回路図である。図７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２６、２７とでブリッジ回路２８を構成している。図７に示すように、流量検知用抵抗素子３と抵抗器２６とで第１の直列回路２９を構成し、温度補償用抵抗素子４と抵抗器２７とで第２の直列回路３０を構成している。そして、第１の直列回路２９と第２の直列回路３０とが、並列に接続されてブリッジ回路２８を構成している。

図７に示すように、第１の直列回路２９の出力部３１と、第２の直列回路３０の出力部３２とが、夫々、差動増幅器（アンプ）３３に接続されている。ブリッジ回路２８には、差動増幅器３３を含めたフィードバック回路３４が接続されている。フィードバック回路３４には、トランジスタ（図示せず）等が含まれる。

抵抗器２６、２７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２９を構成する抵抗器２６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３０を構成する抵抗器２７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３３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。無風状態から風が作用すると、発熱抵抗である流量検知用抵抗素子３の温度は低下し、流量検知用抵抗素子３が接続された第１の直列回路２９の出力部３１の電位が変動する。これにより、差動増幅器３３により差動出力が得られる。そして、フィードバック回路３４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。

ここで、本実施の形態では、流量検知用抵抗素子３の熱は、絶縁基板２を貫く第１の熱伝導部５を介して流量検知面２ａに放熱される。そのため、風が、流量検知面２ａ上を流れると、第１の熱伝導部５を介して、流量検知用抵抗素子３の温度は低下し、上記した原理に基づいて風速検知が可能になる。

また、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の裏面２ｂ側に配置しており、流量検知用抵抗素子３及び、温度補償用抵抗素子４は、流量検知面２ａに現れていない。したがって、図５の平面図に示すように、第１の熱伝導部５が露出する絶縁基板２の流量検知面２ａに沿う風向Ａ〜Ｄが変化しても、同様に、第１の熱伝導部５に作用する。図５では、風向Ａ〜Ｄを９０°間隔で示したが、３６０°の全方位からの風が第１の熱伝導部５に同様に作用するため、絶縁基板２の流量検知面２ａに沿う全方向の風量検知を行うことが可能である。特に、本実施の形態のように、第１の熱伝導部５が平面視円形状で形成されることで、第１の熱伝導部５の外周と流量検知用抵抗素子３との間の距離を、どの方向からでも同じにできる。このため、風量が同じ風が、どの方向から作用しても、流量検知用抵抗素子３の温度低下を同じにでき、より効果的に高精度な流量検知、特に、応答性を改善することができる。

本実施の形態では、流量検知用抵抗素子３と第１の熱伝導部５との間に、金属部１１ａを配置している。また、金属部１１ａには、第１の熱伝導部５に繋がる金属延出部１２ａ、１２ｂが設けられており、より効果的に、流量検知用抵抗素子３と、第１の熱伝導部５の間の熱伝導性を高めることが可能になっている。

本実施の形態では、第１の熱伝導部５の外側に、絶縁基板２を貫く円形リング形状の第２の熱伝導部６を設け、温度補償用抵抗素子４を、第２の熱伝導部６の裏面側に配置している。これにより、流量検知用抵抗素子３と温度補償用抵抗素子４の間を、適切に熱分離することができ、応答性を向上させることができる。特に、本実施の形態では、円形状の第１の熱伝導部５と、円形リング形状の第２の熱伝導部６を配置することで、第１の熱伝導部５と、第２の熱伝導部６の間の間隔は、略一定となる。したがって、温度補償用抵抗素子４を、第２の熱伝導部６の裏面側のどの位置に配置しても、均一な熱分離が可能であり、高精度な応答性を実現できる。

また、図２、図３に示すように、温度補償用抵抗素子４と第２の熱伝導部６との間に、金属部１１ｂを配置しており、金属部１１ｂには、第２の熱伝導部６に繋がる金属延出部１２ｃ、１２ｄが設けられている。これにより、温度補償用抵抗素子４と、第２の熱伝導部６の間の熱伝導性を高めることが可能になっている。これにより温度補償用抵抗素子４にて、流体そのものの温度を精度良く検知でき、流体の温度変化の影響を効果的に補償することができる。このため、流量検知を精度よく行うことができる。

以上のように、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

例えば、上記の実施の形態では、第１の熱伝導部５の形状を平面視円形状としたが、平面視円形状でなくてもよく、平面視多角形状等を例示できる。第１の熱伝導部５を平面視多角形としたとき、第２の熱伝導部６の形状は、多角形リング形状として、第１の熱伝導部５と第２の熱伝導部６の間の間隔を、略一定となるようにすることが好ましい。ただし、第１の熱伝導部５を平面視円形状で形成し、第２の熱伝導部６を円形リング形状で形成することが、流量の３６０°検知を精度良く行なうことができ好適である。

また、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。
下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。

上記実施の形態に記載の流量センサは、絶縁基板と、前記絶縁基板の厚み方向に貫く第１の熱伝導部と、前記第１の熱伝導部の流量検知面とは反対側に配置される流量検知用抵抗素子と、前記流量検知用抵抗素子と同じ面側に配置される温度補償用抵抗素子と、を有することを特徴とする。

上記実施の形態に記載の流量センサは、前記第１の熱伝導部は、平面視円形状であることが好ましい。

上記実施の形態に記載の流量センサは、更に、前記第１の熱伝導部の外側に、前記第１の熱伝導部から略等距離、離れた位置に、前記絶縁基板を厚み方向に貫くリング状の第２の熱伝導部を有し、前記第２の熱伝導部の前記流量検知面とは反対側に、前記温度補償用抵抗素子が配置されることが好ましい。

上記実施の形態に記載の流量センサは、前記流量検知用抵抗素子は、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、を有して構成されており、前記端子は、前記第１の熱伝導部の前記流量検知面とは反対側に形成されたランドに電気的に接続されていることが好ましい。

本発明における流量センサは、絶縁基板の表面に沿う全方向からの流量検知を可能とする。このため、本発明の流量センサを、例えば、風速を検知できる風速センサに適用したとき、流量検出方向の指向性を無くすことができ、風向が特に定まっていない様々なアプリケーションに適用可能である。

１：流量センサ
２：絶縁基板
２ａ：流量検知面
２ｂ：裏面
３：流量検知用抵抗素子
４：温度補償用抵抗素子
５：第１の熱伝導部
６：第２の熱伝導部
７：絶縁層
８：配線引出部
９ａ〜９ｄ：配線パターン
１０ａ〜１０ｄ：ランド
１１ａ、１１ｂ：金属部
１２ａ〜１２ｄ：金属延出部
１３：導通部
１６：セラミック基板
１７：抵抗層
１８：端子
１９：半田層
２０：保護層
２６、２７：抵抗器
２８：ブリッジ回路
２９：第１の直列回路
３０：第２の直列回路
３１、３２：出力部
３３：差動増幅器
３４：フィードバック回路
Ａ〜Ｄ：風向

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板の厚み方向に貫く第１の熱伝導部と、
前記第１の熱伝導部の流量検知面とは反対側に配置される流量検知用抵抗素子と、
前記流量検知用抵抗素子と同じ面側に配置される温度補償用抵抗素子と、
を有することを特徴とする流量センサ。
前記第１の熱伝導部は、平面視円形状であること特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
更に、前記第１の熱伝導部の外側に、前記第１の熱伝導部から略等距離、離れた位置に、前記絶縁基板を厚み方向に貫くリング状の第２の熱伝導部を有し、前記第２の熱伝導部の前記流量検知面とは反対側に、前記温度補償用抵抗素子が配置されることを特とする請求項１又は請求項２に記載の流量センサ。
前記流量検知用抵抗素子は、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、を有して構成されており、前記端子は、前記第１の熱伝導部の前記流量検知面とは反対側に形成されたランドに電気的に接続されてい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。