JP7341595B2 - flow sensor - Google Patents
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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。 The present invention relates to, for example, a flow rate sensor that can measure wind speed.
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。 2. Description of the Related Art A thermal flow rate sensor is known that exposes a heated resistance element for flow rate detection to a fluid and detects the flow rate of the fluid based on the heat dissipation effect at that time. For example, Patent Document 1 discloses a flow sensor in which a resistance element for detecting flow rate and a resistance element for temperature compensation for detecting the temperature of fluid are arranged on the surface of a substrate.
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。 However, in the configuration of Patent Document 1, depending on the wind direction, the temperature compensation resistance element and various electronic components act as barriers before the fluid flowing on the surface of the insulating substrate reaches the flow rate detection resistance element, making it difficult to properly detect the flow rate. There was a problem where I couldn't do it. That is, with the configuration of Patent Document 1, it is not possible to detect the flow rate from all directions on the surface of the insulating substrate with high accuracy.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a flow rate sensor that can detect the flow rate from all directions flowing on the surface of an insulating substrate.
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。 The flow rate sensor according to the present invention includes an insulating substrate, a first heat conduction portion penetrating the insulating substrate in the thickness direction, and a flow rate detection resistor disposed on the opposite side of the flow rate detection surface of the first heat conduction portion. and a temperature compensation resistance element disposed on the same side as the flow rate detection resistance element.
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。 In the flow rate sensor of the present invention, the insulating substrate is provided with the first thermally conductive portion penetrating in the thickness direction, and the flow rate sensing resistive element is disposed on the opposite side of the first thermally conductive portion from the flow rate sensing surface. Further, the temperature compensation resistance element was arranged on the same side as the flow rate detection resistance element. This enables 360° detection of the flow rate flowing along the flow rate detection surface.
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。 Hereinafter, one embodiment of the present invention (hereinafter abbreviated as "embodiment") will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
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。
The flow rate sensor 1 according to the present embodiment is a thermal type flow rate sensor 1, and includes an
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。
Although the
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。
The
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。
As shown in FIG. 1, FIG. 4, FIG. 5, etc., a first heat
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。
Moreover, it is preferable that the first
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。
As shown in FIG. 1, FIG. 4, FIG. 5, etc., the
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。
The first heat
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。
As shown in FIG. 4, a flow rate detection
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。
Further, it is preferable that the flow rate detection
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。
The
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。
As shown in FIG. 3, four
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
FIG. 6 is a partially enlarged sectional view showing the vicinity of the installation of the flow rate detection
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。
As shown in FIG. 6, the flow rate detection
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。
Although not shown, the temperature
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。
Although not shown in FIG. 6, as shown in FIGS. 1 and 4, an electrically insulating
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。
FIG. 7 is a circuit diagram of the flow rate sensor of this embodiment. As shown in FIG. 7, a
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。
As shown in FIG. 7, the
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。
The
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。
The flow rate sensor 1 of this embodiment is, for example, a wind speed sensor. In a windless state, the differential output from the
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。
Here, in this embodiment, the heat of the flow rate detection
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。
Further, together with the flow rate
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。
In this embodiment, a
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。
In this embodiment, a circular ring-shaped second
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。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a
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。 As described above, the present embodiment and the modified examples have been described, but the above embodiments and the modified examples may be combined in whole or in part as other embodiments.
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。 Further, the present embodiment is not limited to the above-described embodiments and modified examples, and may be variously changed, replaced, and modified without departing from the spirit of the technical idea. Further, if the technical idea can be realized in a different manner due to advances in technology or other derived technologies, the invention may be implemented using that method. Accordingly, the claims cover all embodiments that may fall within the scope of the technical spirit.
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。
For example, in the above-described embodiment, the first heat
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。
Moreover, although the flow rate sensor 1 of this embodiment was described above as a wind speed sensor, it is not limited to a wind speed sensor. In this embodiment, the flow rate sensor may be used for a fluid other than wind, for example, a gas flow or a liquid such as water.
The characteristic points of the above embodiment are summarized below.
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。 The flow rate sensor described in the above embodiment includes an insulating substrate, a first heat conductive portion penetrating the insulating substrate in the thickness direction, and an opposite side of the flow rate sensing surface of the first heat conductive portion. It is characterized by having a flow rate detection resistance element and a temperature compensation resistance element disposed on the same side as the flow rate detection resistance element.
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。 In the flow rate sensor described in the above embodiment, it is preferable that the first heat conductive part has a circular shape in plan view.
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。 The flow rate sensor according to the above embodiment further includes a ring that penetrates the insulating substrate in the thickness direction, and is located on the outside of the first thermally conductive portion at a position approximately equal distance away from the first thermally conductive portion. It is preferable that the temperature compensating resistance element is disposed on the opposite side of the flow rate detection surface of the second heat conduction part.
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。 In the flow rate sensor described in the above embodiment, the flow rate detection resistance element is electrically connected to a ceramic substrate, a resistance layer provided on a surface of the ceramic substrate, and the resistance layer, and a terminal provided on the surface, and the terminal is electrically connected to a land formed on the opposite side of the flow rate detection surface of the first heat conduction section. It is preferable.
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。 The flow rate sensor according to the present invention enables flow rate detection from all directions along the surface of the insulating substrate. Therefore, when the flow rate sensor of the present invention is applied to, for example, a wind speed sensor capable of detecting wind speed, the directivity of the flow rate detection direction can be eliminated, and it can be applied to various applications where the wind direction is not particularly determined.
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
1: Flow rate sensor 2: Insulating
Claims (4)
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。 an insulating substrate;
a first thermally conductive portion penetrating the insulating substrate in the thickness direction;
a flow rate detection resistive element disposed on the opposite side of the flow rate detection surface of the first heat conduction section;
a temperature compensation resistance element disposed on the same side as the flow rate detection resistance element;
A flow rate sensor characterized by having:
The flow rate detection resistance element includes a ceramic substrate, a resistance layer provided on the surface of the ceramic substrate, and a terminal electrically connected to the resistance layer and provided on the surface of the ceramic substrate. Claims 1 to 3 are characterized in that the terminal is electrically connected to a land formed on a side opposite to the flow rate detection surface of the first heat conduction part. 3. The flow rate sensor according to any one of 3.
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