JP2010054251A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】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熱式流量センサにおいて、環境温度が変化した場合でも、流量検出の精度を十分に確保し、かつ、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、製品間における感度のバラツキを抑制可能とする。
【解決手段】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い、１対の測温抵抗体相互間の温度差の検出信号である温度差出力Ｖｂに基づいてセンサ出力となる電圧Ｖｓを算出する。その際、上記オンオフの駆動を、発熱抵抗体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ｔ１までの時間を半周期Ｔ／２として行い、このとき交流信号として出力される温度差出力Ｖｂの振幅に基づいて電圧Ｖｓを算出する。そして、この算出の際、温度差出力Ｖｂの振幅を示す値を温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave で除算することにより、感度補正を行う。
【選択図】図３

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。

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。

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ことにより、流量検出を行ように構成されている。

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。

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。

特開２００２−３１０７６２号公報 特開２００７−３０９９２４号公報 特開２００８−１４７２９号公報

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、センサ出力の基準となる、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してしまい、この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。

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。

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。

これに対し、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れば、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可能となる。

すなわち、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い、その際、このオンオフの駆動を、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した上で、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の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すれば、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可能となる。

しかしながら、このようにした場合においても、まだ次のような問題がある。

すなわち、熱式流量センサを量産する際、その測温抵抗体の特性にバラツキがあると、完成した製品相互間において感度のバラツキが生じてしまうこととなる。このバラツキを抑制するためには、製品出荷前に、ある一定流量におけるセンサ出力を測定し、その測定値を基にして感度補正を行うことが必要となる。

しかしながら、このように製品出荷前に感度補正のための工程を設けると、その測定およびデータの書込みを行う工数の分だけ、製品コストが増大してしまう、という問題がある。しかも、その測定後に測温抵抗体の特性が変化したような場合には、これに対応した感度補正を行うことができない、という問題もある。

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、かつ、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、製品間における感度のバラツキを抑制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。

本願発明は、１対の測温抵抗体相互間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した上で、その際、適当な演算処理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。

すなわち、本願発明に係る熱式流量センサは、
被検流体となる液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交流信号として得られる上記温度差の出力の振幅に基づいて、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、かつ、この算出の際、上記振幅を示す値を上記温度差の出力の平均値で除算するように構成されている、ことを特徴とするものである。

上記「被検流体」は、液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が採用可能である。

上記「所定の時点」は、上記温度差の出力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。

上記「上記振幅を示す値」とは、交流信号として得られる上記温度差の出力の振幅の値自体であってよいことはもちろんであるが、これ以外にも、上記温度差の出力に対して位相検波を行うことにより得られる値、上記温度差の出力を２乗平均した値の平方根として得られる値、上記温度差の出力の絶対値を平均して得られる値、あるいは、これらの値を平滑化することにより得られる値等が採用可能である。

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。

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。

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。

しかも、本願発明において流量検出の対象となる被検流体は液体であるため、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、温度差出力が略直線的に変化する領域を得ることができる。しかも、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。このため、被検流体の流量を、交流信号として得られる温度差出力の振幅に精度良く反映させることができ、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することができる。

その上で、本願発明においては、センサ出力となる電圧を算出する際、温度差出力の振幅を示す値を、温度差出力の平均値で除算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。

すなわち、温度差出力の振幅を示す値は、温度差出力が飽和したときの値（すなわち温度差出力の平衡値）の関数として得られる。一方、温度差出力の平均値は、被検流体が液体である場合には、その流量がある一定値以上の領域では、感度には比例するが、流量には依存しない値となる。そして、この平均値は、温度差出力の平衡値を１／２倍した値として定義される。そこで、この平均値で、温度差出力の振幅を示す値を除算することにより、センサ出力となる電圧を、温度差出力の平衡値を含まない値として算出することができる。

測温抵抗体の特性のバラツキは、温度差出力の平衡値を介して感度に影響するので、この平衡値を含まない値としてセンサ出力となる電圧を算出することにより、感度補正を行うことが可能となる。そしてこれにより、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、測温抵抗体の特性のバラツキに起因する製品間における感度のバラツキを無くすことができる。

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、かつ、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、製品間における感度のバラツキを抑制することができる。

そしてこれにより、製品出荷前に感度補正を行うことによる製品コストの増大を未然に防止することができる。また、流量検出中も常に感度補正が行われることとなるので、製品間における感度のバラツキの抑制を確実に保証することができる。

上記構成において、温度差出力の振幅を示す値として、この温度差出力に対して、オンオフの駆動の周期と同一の周期で位相検波を行うことにより得られる検波出力を用いるようにすれば、交流信号として得られる温度差出力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る。

その際、この検波出力に対して、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して平滑化した値を用いるようにすれば、その算出の精度をより高めることができる。

また、上記構成において、温度差出力の平均値として、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して平滑化した値を算出に用いるようにすれば、その算出の精度をより高めることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、分速０．０５〜１ミリリットル程度の流速で送液されるようになっている。

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。

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。

このセンサ本体１０Ａは、矩形状の樹脂フィルム片１２と、この樹脂フィルム片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。

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。

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。

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。

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。

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、温度差出力として入力される。

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。

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。

図３は、上記流量検出に関連する波形を示す図である。

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。

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。

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。

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。

その際、この交流信号として得られる温度差出力Ｖｂは、発熱抵抗体２２への通電がオンのとき（以下「オン駆動時」という）の温度差出力をＶb1(t) 、発熱抵抗体２２への通電がオフのとき（以下「オフ駆動時」という）の温度差出力をＶb2(t) とすると、それぞれ次式（１）、（２）で表わされる。

ここで、Ｖbal は、各温度差出力Ｖb1(t) 、Ｖb2(t) の平衡値（すなわち、温度差出力Ｖb1(t) 、Ｖb2(t) が飽和したときの値）である。また、ａは、ａ≡ｅ^{（−τ／２ｆ）}である。その際、τは、時定数（τ＝２πν（ただしνは応答周波数））であり、オン駆動時とオフ駆動時とで同じ値になる。なお、ｔは、時間である。

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。

この位相検波により得られた温度差出力Ｖｂの振幅を示す値（以下「検波出力」という）Ｖdet は、次式（３）で表わされる。

ここで、ｆは、駆動電圧Ｖｈのオンオフの周波数である。

一方、各温度差出力Ｖb1(t) 、Ｖb2(t) から、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave を算出する。この算出は、オン駆動時の開始直後およびオフ駆動時の開始直前の温度差出力をそれぞれ記録し、これら記録された２つの値の和を２で除算することにより行う。

そして、この平均値Ｖave で、検波出力Ｖdet を除算することにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する。この電圧Ｖｓは、次式（４）で表わされる。

この式（４）には、上記式（３）に存在していた温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal が存在しないが、これは、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave が、平衡値Ｖbal に対して、Ｖave
＝Ｖbal ／２の関係にあることによるものである。

実際には、上記式（４）の演算をする際、その分子のＶdet には、検波出力Ｖdet 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して平滑化した値を用いるとともに、その分母のＶave には、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave 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した値を用いるようにする。そしてこれにより、センサ出力となる電圧Ｖｓとして、同図（ｃ）に示すような一定の電圧Ｖｓが得られるようにする。

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、これに応じて電圧Ｖｓの値も大きくなる。

図４は、図２に示すセンサ本体１０Ａを流路２に配置し、その流路２に被検流体を流した状態で、発熱抵抗体２２に通電したときの、温度差出力Ｖｂの応答周波数ν（すなわち、１／応答時間）を測定した結果をグラフで示す図である。

同図に示すように、被検流体が液体のメタノールであるので、応答周波数νは、被検流体の流量の増大に略比例して増大する特性を示す。

図５は、図２に示すセンサ本体１０Ａを流路２に配置し、その流路２に被検流体を流した状態で、発熱抵抗体２２に連続して通電したときの、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal を測定した結果をグラフで示す図である。

同図に示すように、被検流体が液体のメタノールであるので、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal は、被検流体の流量が微小の場合には、その流量によって大きく変化するが、ある一定値以上の流量域では、流量の大小にかかわらず略一定の値となる。この平衡値Ｖbal が、流量の大小にかかわらず略一定の値となる流量域（以下「規定流領域」という）は、本測定結果においては分速０．０５ミリリットル以上の流量域として得られた。

上記式（４）は、検波出力Ｖdet を、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave で除算することにより、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal の寄与を排除して、被検流体の流量による応答周波数ν（＝τ／２π）の変化のみをセンサ出力として利用することを意味している。これは、図４、５に示すように、被検流体が液体の場合には、応答周波数νは大きく変化するが、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal は略一定の値となる、という特性を活用したものである。

実際には、本実施形態においては、熱式流量センサ１０の起動時、流量が規定流領域に入った時点で、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave を測定し、この平均値Ｖave で検波出力Ｖdet を除算することにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出するようになっている。なお、熱式流量センサ１０の起動後、流量が規定流領域に入るまでの間は、前回の流量検出の終了時点において記録されている平均値Ｖave を用いるようになっている。

図６は、本実施形態による感度補正を行った場合と、この感度補正を行わなかった場合とで、センサ出力となる電圧Ｖｓに相違が生じることを確認するために行った流量検出の実験の結果をグラフで示す図である。

この実験においては、本実施形態に係る熱式流量センサ１０のセンサ本体１０Ａと同一の構成を有する５つのサンプルを、感度補正有り無しの各々の測定において共通して用いた。

同図（ａ）が、感度補正を行わなかった場合のグラフであり、同図（ｂ）が、感度補正を行った場合のグラフである。

同図から明らかなように、感度補正を行った場合には、これを行わなかった場合よりも、センサ出力となる電圧Ｖｓの値に、サンプル間のバラツキが小さくなっていることが分かる。

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。

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。

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。

しかも、本実施形態において流量検出の対象となる被検流体は液体のメタノールであるため、発熱抵抗体２２の駆動電圧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を得ることができる。しかも、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。このため、被検流体の流量を、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの振幅に精度良く反映させることができ、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することができる。

その上で、本実施形態においては、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する際、温度差出力Ｖｂの振幅を示す値としての検波出力Ｖdet を、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave で除算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。

すなわち、検波出力Ｖdet は、温度差出力Ｖｂが飽和したときの値（すなわち温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal ）の関数として得られる。一方、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave は、被検流体が液体である場合には、その流量がある一定値以上の領域（すなわち規定流量域）では、感度には比例するが、流量には依存しない値となる。そして、この平均値Ｖave は、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal を１／２倍した値として定義される。そこで、この平均値Ｖave で検波出力Ｖdet を除算することにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal を含まない値として算出することができる。

各測温抵抗体２４、２６の特性のバラツキは、温度差出力Ｖｂの平衡値Ｖbal を介して感度に影響するので、この平衡値Ｖbal を含まない値としてセンサ出力となる電圧Ｖｓを算出することにより、感度補正を行うことが可能となる。そしてこれにより、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、各測温抵抗体２４、２６の特性のバラツキに起因する製品間における感度のバラツキを抑制することができる。

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、かつ、製品出荷前に感度補正のための工程を設けなくても、製品間における感度のバラツキを抑制することができる。

そしてこれにより、製品出荷前に感度補正を行うことによる製品コストの増大を未然に防止することができる。また、流量検出中も常に感度補正が行われることとなるので、製品間における感度のバラツキの抑制を確実に保証することができる。

特に、本実施形態においては、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する際、温度差出力Ｖｂの振幅を示す値として、検波出力Ｖdet を用いるようになっているので、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る。

しかも、本実施形態においては、この検波出力Ｖdet 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して平滑化した値を用いるようになっているので、センサ出力となる電圧Ｖｓの算出の精度を高めることができる。

さらに、本実施形態においては、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する際、温度差出力Ｖｂの平均値Ｖave 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して平滑化した値を用いるようになっているので、センサ出力となる電圧Ｖｓの算出の精度をより高めることができる。

なお、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に対する位相検波を、駆動電圧Ｖｈの立ち上がり時点ｔonから９０°遅れた位相で行うものとして説明したが、オンオフの駆動の周期と同一の周期であれば、これ以外の位相で位相検波を行うことも可能である。

また、上記実施形態においては、温度差出力Ｖｂの振幅を示す値として、検波出力Ｖdet を用いるようになっているが、これに代えて、（ａ）温度差出力Ｖｂの振幅自体（具体的には、例えば、オン駆動時の開始直後の温度差出力Ｖｂとオフ駆動時の開始直前の温度差出力Ｖｂとの差）、（ｂ）温度差出力Ｖｂを２乗平均した値の平方根として得られる値、あるいは、（ｃ）温度差出力Ｖｂの絶対値を平均して得られる値、等を用いるようにすることも可能である。

ただし、上記（ａ）の値を用いた場合には、Ｓ／Ｎが低くなり、かつ、オンオフの駆動の周期Ｔ毎にしかセンサ出力が得られず、また、上記（ｂ）、（ｃ）の値を用いた場合には、ノイズによりセンサ出力がオフセットし、かつ、被検流体の流れの方向が分からないことから、上記実施形態のように検波出力Ｖdet を用いることが特に好ましい。

上記実施形態においては、被検流体が、メタノールである場合について説明したが、被検流体がメタノール以外の液体（例えば水等）である場合においても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

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、これ以外の態様で用いられる構成とすることももちろん可能である。

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。

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。

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 上記熱式流量センサのセンサ本体を示す斜視図 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 上記実施形態において、被検流体の流量に対する温度差出力の応答周波数を測定した結果をグラフで示す図 上記実施形態において、発熱抵抗体に連続して通電したときの、温度差出力の平衡値を測定した結果をグラフで示す図 上記実施形態による感度補正を行った場合と行わなかった場合とで、センサ出力となる電圧に相違が生じることを確認するために行った流量検出の実験の結果をグラフで示す図

符号の説明

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 樹脂フィルム片
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
６０ Ａ／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

Claims (4)

1. 被検流体となる液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交流信号として得られる上記温度差の出力の振幅に基づいて、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、かつ、この算出の際、上記振幅を示す値を上記温度差の出力の平均値で除算するように構成されている、ことを特徴とする熱式流量センサ。
2. 上記検出処理部が、上記振幅を示す値として、上記温度差の出力に対して、上記オンオフの駆動の周期と同一の周期で位相検波を行うことにより得られる検波出力を用いるように構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の熱式流量センサ。
3. 上記検出処理部が、上記振幅を示す値として、上記検波出力に対して、上記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して平滑化した値を用いるように構成されている、ことを特徴とする請求項２記載の熱式流量センサ。
4. 上記検出処理部が、上記温度差の出力の平均値として、上記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して平滑化した値を用いるように構成されている、ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の熱式流量センサ。

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