JP7426170B2

JP7426170B2 - 流量センサ素子

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Publication number: JP7426170B2
Application number: JP2020113910A
Authority: JP
Inventors: 正浩下平; 克哉三浦
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: US12264954B2; TWI894298B; CN115769084A; WO2022004373A1; JP2022012232A; TW202206817A; US20230296418A1; DE112021003533T5

Description

この発明は、例えば、風速を計測可能な流量センサ素子に関する。

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素子が知られている。例えば、特許文献１、２には、断面円形状の筐体の表面に、外気と熱伝導により熱交換することで外気から熱的影響を受ける複数の感温素子を分散して貼り付け、筐体の周囲に流れる風の向き及び速さを計測する風状態計測装置が開示されている。特許文献１、２では、感温素子を加熱するために筐体内部にヒータを具備している。

特開２０２０－８３７０号公報特開２０２０－３３５４号公報

しかしながら、特許文献１、２の構成では、多数の感温素子を筐体の表面に配置する必要があり、感温素子の配置により、センサ感度が、風の吹く方向によって、ばらつきやすい。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、無指向性のセンサ感度に優れた流量センサ素子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素子は、球状の基体と、前記基体の表面全体に形成された、温度変化により電気抵抗値が変化する感温膜パターンと、を具備し、前記感温膜パターンの両端部には、第１配線部と第２配線部が夫々接続されており、前記第１配線部は、前記基体に形成された貫通孔を通って、前記第２配線部と同方向に引き出されており、前記第１配線部は、前記感温膜パターンの端部と、前記貫通孔の一方の開口を埋める電極を介して接続固定されている、ことを特徴とする。

本発明の流量センサ素子においては、球状の基体の表面全体にわたって、感温膜パターンを配置でき、これにより、流体方向にかかわらず一定のセンサ感度を得ることができ、流量の検出精度を向上させることが可能である。

本実施の形態における流量センサ素子の側面図である。本実施の形態における流量センサ素子の断面図である。本実施の形態における流量センサ素子の斜視図である。本実施の形態における流量センサ素子の変形例を示す側面図である。本実施の形態の流量センサ素子の回路図（一例）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素子１は、熱式の流量センサ素子１であり、電気絶縁性の基体２と、基体２の表面全体に形成された感温膜パターン３と、感温膜パターン３の両端部に夫々、電気的に接続された第１配線部４及び第２配線部５と、を具備して構成される。

図１、図３に示すように、基体２は、球状である。基体２は、電気的に絶縁物であれば特に材質を問うものではない。一例を示すと、基体２は、例えば、ガラスで形成される。また、基体２の直径を限定するものでなく、使用用途により種々調整することができる。一例を示すと、基体２の直径は４ｍｍ程度とすることができる。

図１～図３に示すように、基体２の表面全体に、感温膜パターン３が形成されている。なお、感温膜パターン３は、基体２の表面に、単一パターンで形成されていることが好ましい。感温膜パターン３は、例えば、基体２の表面に形成された感温膜がトリミングされて形成されたものであることが、基体２の表面全体に均一膜を形成することができ好ましい。トリミング処理には、レーザ処理やエッチング処理などを挙げることができる。なお、感温膜パターン３を、フォトリソグラフィ技術にて形成することにより、製造コストを抑えることが可能になる。ここで、「表面全体」とは、トリミングライン６を除く領域を指す。

感温膜パターン３の材質を限定するものではないが、白金（Ｐｔ）膜であることが好ましい。白金膜を使用することで、経時劣化を少なくすることができる。これにより、白金からなる耐久性に優れた感温膜パターン３を、基体２の表面全体に形成することができる。

また、本実施の形態では、感温膜パターン３のパターン形状を限定するものではないが、図１、図３に示すように、感温膜パターン３を、スパイラル（螺旋）パターンで形成することが好ましい。これにより、流量センサ素子１に対して、どの方向から風が当たっても、センサ感度の均一化を図ることができる。

感温膜パターン３は、温度変化により電気抵抗値が変化する。感温膜パターン３は、配線部４、５間の導通により温度が高い状態に保持されており、風が当たると感温膜パターン３の温度が低くなることで、感温膜パターン３の電気抵抗値が変化するよう制御されている。

本実施の形態では、感温膜パターン３の始端３ａと終端３ｂは、基体２の両端に位置しており、すなわち、始端３ａ及び終端３ｂは、反対方向に設けられている。ここで、便宜上、感温膜パターン３の始端３ａは、基体２の図示左側端部２ａ側に位置し、感温膜パターン３の終端３ｂは、基体２の図示右側端部２ｂ側に位置するものとする。

本実施の形態では、感温膜パターン３の始端３ａ及び終端３ｂには、夫々、第１配線部４及び第２配線部５が電気的に接続されている。第１配線部４及び第２配線部５は、リード線であり、電気伝導性であれば材質を限定するものではないが、例えば、銅系やニッケル系の線材が錫メッキにより表面処理された被覆銅線を好ましく使用することができる。

図２に示すように、感温膜パターン３の始端３ａと第１配線部４との接続部、及び感温膜パターン３の終端３ｂと第２配線部５の接続部には、夫々、電極７、８が設けられている。限定するものではないが、電極７、８は、例えば、導電性接着剤である。これにより、感温膜パターン３の始端３ａ及び終端３ｂと各配線部４、５とを適切に接続固定することができる。

図２に示すように、基体２の内部には、左側端部２ａから右側端部２ｂにかけて貫通する貫通孔９が設けられている。貫通孔９には、第１配線部４が通されている。貫通孔９の図示左側の開口は、第１配線部４と感温膜パターン３の始端３ａとを接続固定する電極７によって埋められている。

また、図２に示すように、貫通孔９の図示右側の開口から、第１配線部４が、第２配線部５と同方向（図示右方向）に延出している。第２配線部５と感温膜パターン３の終端３ｂとを接続固定する電極８は、第１配線部４の、貫通孔９からの延出に邪魔にならない位置に形成されている。

図１、図２に示す実施の形態では、第１配線部４及び第２配線部５を同一方向に引き出すことができる。このとき、図２に示すように、基体２に貫通孔９を設け、第１配線部４を、貫通孔９内に通すことで、第１配線部４及び第２配線部５と同一方向に引き出すことができる。

限定されるものではないが、図２に示すように、本実施の形態における感温膜パターン３が施された基体２の表面には、電気絶縁性の保護膜１０が形成されていることが好ましい。例えば、保護膜１０を、塗装やスパッタ等で形成することができる。また、保護膜１０は、電気絶縁性の材質であれば特に材質を限定するものではないが、一例を示すと、例えば、エポキシ系樹脂を挙げることができる。なお、図１、図３には保護膜を図示していない。

図１に示すように、基体２の右側端部から同一方向（図示右方向）に延出した第１配線部４と第２配線部５とは、ステー１１により一体として固定されている。なお、ステー１１は、例えば、接着剤で固定されいる。図１に示すように、第１配線部４及び第２配線部５の右側端部は、ステーから露出しており、図示しない制御装置に電気的に接続されている。なお、ステー１１は、図２には図示されていない。

図４に示す別の実施の形態では、基体２の左側端部２ａ側に、感温膜パターン３の始端３ａが設けられ、基体２の右側端部２ｂ側に、感温膜パターン３の終端３ｂが設けられ、第１配線部４及び第２配線部５は、夫々、電極を介して、基体２の両端から離れる方向に延出している。図２に示す実施の形態では、図１に示す実施の形態と異なり、基体２に貫通孔を設ける必要がない。

図５は、本実施の形態の流量センサ素子１を含む流量装置の回路図である。図５に示すように、流量センサ素子１と、温度補償用抵抗素子１４と、抵抗器２６、２７とでブリッジ回路２８を構成している。図５に示すように、流量センサ素子１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１４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５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、流量センサ素子１、及び温度補償用抵抗素子１４よりも抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さい。流量センサ素子１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１４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。流量センサ素子１と第１の直列回路２９を構成する抵抗器２６は、例えば、流量センサ素子１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１４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１４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。

流量センサ素子１に風が当たると、発熱抵抗である流量センサ素子１の温度は低下し、流量センサ素子１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、流量センサ素子１に駆動電圧を印加する。流量センサ素子１は、流量センサ素子１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、流量センサ素子１の温度が変化するため、風速を検知することができる。

本実施の形態によれば、球状の基体２の表面全体に、感温膜パターン３を形成したことで、どの方向から風が当たっても風の検知が可能であり、無指向性で、且つ均一なセンサ感度を得ることができる。また、本実施の形態では、基体２を球状としたことで、小型化を可能とし、応答性に優れ、また気流を乱しにくい効果もある。

感温膜パターン３のパターン形状を限定するものではないが、スパイラルパターンとすることで、球状の基体２の表面全体に、どの方向から風が当たっても、感温膜パターン３には略均等な面積で接触し、より効果的に、センサ感度の均一化を図ることができる。

本実施の形態では、流量センサ素子１として風センサ素子を例に挙げたが、液体の流速検知が可能な流量センサ素子であってもよい。

本発明によれば、無指向性で且つセンサ感度に優れた流量センサ素子を製造することができる。このため、流体の方向が一定でない用途に好ましく適用することができる。本発明では、流量センサ素子を屋外及び屋内問わず使用することができる。本発明の流量センサ素子に、ＬＥＤ等の発光素子を配置して、風を検知した場合に発光するよう構成すれば、イルミネーション用などに適用することができる。また、本発明の流量センサ素子を実験用、分析用などに適用することも可能である。

１：流量センサ素子
２：基体
２ａ：左側端部
２ｂ：右側端部
３：感温膜パターン
３ａ：始端
３ｂ：終端
４：第１配線部
５：第２配線部
６：トリミングライン
７、８：電極
９：貫通孔
１０：保護膜
１１：ステー
１４：温度補償用抵抗素子
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

Claims

球状の基体と、
前記基体の表面全体に形成された、温度変化により電気抵抗値が変化する感温膜パターンと、を具備し、
前記感温膜パターンの両端部には、第１配線部と第２配線部が夫々接続されており、前記第１配線部は、前記基体に形成された貫通孔を通って、前記第２配線部と同方向に引き出されており、
前記第１配線部は、前記感温膜パターンの端部と、前記貫通孔の一方の開口を埋める電極を介して接続固定されている、ことを特徴とする流量センサ素子。
前記感温膜パターンは、前記基体の表面に形成された感温膜がトリミングされて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ素子。
前記感温膜パターンは、スパイラルパターンで形成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素子。