(57)【要約】【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あっても、流量検出の精度を十分に確保可能とする。【解決手段】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、１対の測温抵抗体２４、２６相互間に生じる温度差を交流信号として出力させ、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。その際、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６を、熱膨張率が小さいガラス基板１２上に形成された構成とする。これにより、オンオフの駆動に伴ってガラス基板１２上に熱歪が発生してしまうのを効果的に抑制し、これに起因する各測温抵抗体２４、２６の抵抗値の変化も十分小さくし、温度差出力Ｖｂが熱歪の影響を受けにくくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検流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、
上記発熱抵抗体および上記各測温抵抗体が、ガラス基板上に形成されている、ことを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項２】
上記ガラス基板が、無アルカリガラスで構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の熱式流量センサ。
【請求項３】
液体を上記被検流体として、流量検出を行うように構成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の熱式流量センサ。
【請求項４】
上記検出処理部が、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った後、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することにより、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。
【請求項５】
上記検出処理部が、上記位相検波が行われた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移動平均処理を施すことにより、上記平滑化を行うように構成されている、ことを特徴とする請求項４記載の熱式流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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抵抗差を温度差として検出し、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、流量検出を行うように構成されている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１０７６２号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９９２４号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、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する。この被検流体の流量がゼロのときのセンサ出力は、センサ出力の基準となるため、正確な流量検出を行うことができなくなってしまう。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、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。
【００１２】
すなわち、本願発明に係る熱式流量センサは、
被検流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出力される交流信号の振幅に基づいて、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、
上記発熱抵抗体および上記各測温抵抗体が、ガラス基板上に形成されている、ことを特徴とするものである。
【００１３】
上記「被検流体」は、流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の液体あるいは空気や水素等の気体が採用可能である。
【００１４】
上記「所定の時点」は、上記温度差の出力の値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。
【００１５】
上記「上記オンオフの駆動により出力される交流信号の振幅に基づいて、上記センサ出力となる電圧を算出する」ための具体的な方法は特に限定されるものではなく、例えば、上記交流信号の振幅自体を検出することにより算出する方法、上記交流信号に対して位相検波および平滑化を行うことにより算出する方法、上記交流信号の値を２乗平均することにより算出する方法、等が採用可能である。
【００１６】
上記「ガラス基板」の形状、板厚、組成等の具体的な構成については、特に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
しかも、本願発明に係る熱式流量センサは、その発熱抵抗体および各測温抵抗体が、ガラス基板上に形成されているので、次のような作用効果を得ることができる。
【００２１】
すなわち、本願発明のように、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ようにした場合において、発熱抵抗体および各測温抵抗体が、仮に、樹脂基板等の熱膨張率が大きい材料で構成された基板の表面に形成されていたとすると、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生しやすくなる。そして、このような熱歪が発生すると、各測温抵抗体の抵抗値が変化することとなるので、温度差出力も熱歪の影響を受けてしまうこととなり、したがって流量検出の精度を高める上で新たな障害となる。
【００２２】
その点、本願発明のように、熱膨張率が小さいガラスで構成された基板上に発熱抵抗体および各測温抵抗体が形成された構成とすれば、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生してしまうのを効果的に抑制することができる。そして、この熱歪の発生に起因する各測温抵抗体の抵抗値の変化も十分小さくすることができるので、温度差出力が熱歪の影響を受けてしまうのを効果的に抑制することができ、これにより流量検出の精度を高めることができる。
【００２３】
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る。
【００２４】
しかも、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、従来の熱式流量センサにおいて流量検出の精度を確保するために行われているセンサ出力のゼロ点校正が不要となるので、流量検出を連続して行うことができる。
【００２５】
また、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、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構成となってので、従来の熱式流量センサに比して電力消費量を大幅に削減することができる。
【００２６】
さらに、本願発明に係る熱式流量センサにおいては、発熱抵抗体および各測温抵抗体がガラス基板上に形成されているので、次のような作用効果も得ることができる。
【００２７】
すなわち、発熱抵抗体および各測温抵抗体の電極に対してワイヤボンディングにより配線をするようにした場合において、発熱抵抗体および各測温抵抗体が、仮に弾性率が小さい樹脂基板等の表面に形成されていたとすると、ワイヤボンディングのための超音波溶着を行う際、溶着面形状が安定しないため、超音波溶着を行うことが困難となる。これに対し、本願発明のように弾性率が大きいガラス基板を採用することにより、溶着面形状を安定させることができ、これにより超音波溶着を容易に行うことが可能となる。
【００２８】
また本願発明のように、ガラス基板を用いることにより、セラミック基板を用いた場合に比して、表面の平滑性を高めることができるので、発熱抵抗体および各測温抵抗体を構成する薄膜の形成を精度良く行うことができ、かつ、コスト低減を図ることができる。
【００２９】
上記構成において、ガラス基板として、無アルカリガラスで構成されたものとすれば、その熱膨張率をより小さくすることができる。また、このように、ガラス基板を無アルカリガラスで構成することにより、アルカリ金属イオンが、ガラス基板上の発熱抵抗体および各測温抵抗体を構成する薄膜中に拡散して膜特性を劣化させてしまうおそれをなくすことができ、さらに、薄膜形成工程の高温環境下での、ガラスの変形に伴う熱歪の発生についても、効果的に抑制することができる。
【００３０】
上記構成において、被検流体の種類が特に限定されないことは上述したとおりであるが、被検流体が液体である場合には、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、上記温度差の出力が略直線的に変化する領域が得られ、かつ、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ので、被検流体の流量を交流信号の振幅に精度良く反映させることができる。そしてこれにより、センサ出力となる電圧の算出精度を十分に確保して、流量検出をより正確に行うことが可能となる。
【００３１】
上記構成において、検出処理部として、上記交流信号として得られる温度差の出力に対して、オンオフの駆動の周期と同一の周期で位相検波を行った後、平滑化を行うことにより、センサ出力となる電圧を算出する構成とすれば、上記交流信号の波形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、これにより流量検出をより正確に行うことが可能となる。
【００３２】
上記構成において、検出処理部として、位相検波後の平滑化を行う際、上記温度差の出力に対して、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す構成とすれば、その平滑化を精度良く行うことができる。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、毎分０．１〜０．５ミリリットル程度の流量で送液されるようになっている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
このセンサ本体１０Ａは、矩形状のガラス基板１２と、このガラス基板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。
【００４３】
ガラス基板１２は、無アルカリガラス（例えばコーニング社製「７０５９」（商品名））で構成された薄板であって、長辺の長さ１１ｍｍ、短辺の長さ５．５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍに設定されている。そして、このガラス基板１２は、その長辺の方向をメタノールの流れ方向に向けた状態で用いられるようになっている。
【００４４】
導電膜１４は、金属をスパッタリングすることにより形成されており、その膜厚は０．１μｍに設定されている。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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Ｖｂとして入力される。
【００５０】
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Ｖｂ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Ｖｓ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。
【００５１】
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。
【００５２】
図３は、上記流量検出に関連する波形を示す図である。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。そして、この位相検波された信号に対して平滑化を行うことにより、同図（ｃ）に示すようなセンサ出力となる一定の電圧Ｖｓを得るようにする。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、電圧Ｖｓの値も大きくなる。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
しかも、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、その発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、ガラス基板１２上に形成されているので、次のような作用効果を得ることができる。
【００６２】
すなわち、本実施形態のように、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ようにした場合において、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、仮に、樹脂基板等の熱膨張率が大きい材料で構成された基板の表面に形成されていたとすると、オンオフの駆動に伴って基板上に熱歪が発生しやすくなる。そして、このような熱歪が発生すると、各測温抵抗体２４、２６の抵抗値が変化することとなるので、温度差出力Ｖｂも熱歪の影響を受けてしまうこととなり、したがって流量検出の精度を高める上で新たな障害となる。
【００６３】
その点、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、熱膨張率が小さいガラス基板１２上に発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が形成された構成となっているので、オンオフの駆動に伴ってガラス基板１２上に熱歪が発生してしまうのを効果的に抑制することができる。そして、この熱歪の発生に起因する各測温抵抗体２４、２６の抵抗値の変化も十分小さくすることができるので、温度差出力Ｖｂが熱歪の影響を受けてしまうのを効果的に抑制することができ、これにより流量検出の精度を高めることができる。
【００６４】
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る。
【００６５】
しかも、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、従来の熱式流量センサにおいて流量検出の精度を確保するために行われているセンサ出力のゼロ点校正が不要となるので、流量検出を連続して行うことができる。
【００６６】
また、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、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構成となっているので、従来の熱式流量センサに比して電力消費量を大幅に削減することができる。
【００６７】
さらに、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、ガラス基板１２上に形成されているので、次のような作用効果も得ることができる。
【００６８】
すなわち、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６の電極に対してワイヤボンディングにより配線をするようにした場合において、発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６が、仮に弾性率が小さい樹脂基板等の表面に形成されていたとすると、ワイヤボンディングのための超音波溶着を行う際、溶着面形状が安定しないため、超音波溶着を行うことが困難となる。これに対し、本実施形態のように弾性率が大きいガラス基板１２を採用することにより、溶着面形状を安定させることができ、これにより超音波溶着を容易に行うことが可能となる。
【００６９】
また本実施形態のように、ガラス基板１２を用いることにより、セラミック基板を用いた場合に比して、表面の平滑性を高めることができるので、導電膜１４の形成を精度良く行うことができ、かつ、コスト低減を図ることができる。
【００７０】
特に、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、そのガラス基板１２が無アルカリガラスで構成されているので、その熱膨張率をより小さくすることができる。すなわち、熱膨張率α(1/℃)は、ポリイミド樹脂がα＝２．７e-５であるのに対し、一般ガラスがα＝８．５e-６であり、無アルカリガラスがα＝３．２e-６である。また、このように、ガラス基板１２を無アルカリガラスで構成することにより、アルカリ金属イオンが、ガラス基板１２上の発熱抵抗体２２および各測温抵抗体２４、２６を構成する薄膜（すなわち導電膜１４）中に拡散して膜特性を劣化させてしまうおそれをなくすことができ、さらに、薄膜形成工程の高温環境下での、ガラスの変形に伴う熱歪の発生についても、効果的に抑制することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態に係る熱式流量センサ１０においては、その検出処理部６４が、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂに対して、オンオフの駆動の周期Ｔと同一の周期で位相検波を行った後、平滑化を行うことにより、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、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、これにより流量検出をより正確に行うことが可能となる。
【００７２】
その際、検出処理部６４は、上記位相検波を、発熱抵抗体２２への通電をオンにした時点ｔonから９０°遅れた位相で行う構成となっているので、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂの波形をセンサ出力となる電圧Ｖｓの算出に最大限に反映させることができる。
【００７３】
しかも、この検出処理部６４は、上記位相検波後の平滑化を行う際、交流信号として得られる温度差出力Ｖｂ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すようになっているので、その平滑化を精度良く行うことができる。
【００７４】
ところで、本実施形態に係る熱式流量センサ１０は、メタノールを被検流体として流量検出を行うように構成されているので、次のような作用効果を得ることができる。
【００７５】
すなわち、被検流体がメタノールあるいは水等のような液体である場合には、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に、温度差出力Ｖｂが略直線的に変化する領域が得られ、かつ、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ので、被検流体の流量を交流信号の振幅に精度良く反映させることができる。そしてこれにより、センサ出力となる電圧Ｖｓの算出精度を十分に確保して、流量検出をより正確に行うことが可能となる。
【００７６】
上記実施形態においては、ガラス基板１２の厚さが、０．４ｍｍ程度の値に設定されているものとして説明したが、このガラス基板１２の厚さは、極端に薄い場合（例えば０．１ｍｍ以下）でなければ、センサ本体１０Ａの特性にはほとんど影響しないものと考えられる。したがって、このガラス基板１２の厚さは、センサ本体１０Ａの動作という観点よりも、その作製時のハンドリングのしやすさという観点から決めることも可能である。その際、薄すぎれば割れ、厚すぎればセンサ本体１０Ａとしての厚さ増加と高コスト化につながるので、割れない範囲内でできるだけ薄くすることが望ましいということとなる。これは、ガラス基板１２の作製をどのサイズのウエハで行うかということに依存するが、その厚さの目安としては０．１〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度であると考えられる。
【００７７】
上記実施形態においては、熱式流量センサ１０が、燃料電池システムにおける多層基板の一部として組み込まれるように構成された積層基板ユニット１００の内部に形成されるメタノールの流路２に配置された状態で、メタノールの流量検出を行うものとして説明したが、この熱式流量センサ１０を、上記多層基板の他の部分に配置された積層基板ユニット１００において、その流路２を流れる空気あるいは水素の流量検出を行うものとすることも可能である。あるいは、この熱式流量センサ１０を、メタノール以外の水等の液体の流量検出を行うために用いるようにすることも可能である。
【００７８】
以下、この点について、被検流体が液体である場合の例として水を取り上げるとともに、被検流体が気体である場合の例として空気を取り上げて、両者を対比して説明する。
【００７９】
図４は、被検流体の流量に対する温度差出力Ｖｂの応答周波数（すなわち、１／応答時間）をグラフで示す図である。
【００８０】
同図において、実線のグラフで示すように、被検流体が水の場合の応答周波数は、流量の増大に比例して増大するのに対し、破線のグラフで示すように、被検流体が空気の場合の応答周波数は、流量が増大しても一定のままである。
【００８１】
図５〜８は、図２に示すセンサ本体１０Ａを流路２に配置した状態で、この流路２に被検流体を流して、発熱抵抗体２２に通電したときの、流量検出の結果を示す図である。
【００８２】
図５は、発熱抵抗体２２への通電を常時オンの状態に維持したときの、温度差出力Ｖｂの平衡値（すなわち温度差出力Ｖｂが飽和したときの値）を測定した結果を示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の結果を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の結果を示している。
【００８３】
同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、流路２に流量が発生すると、温度差出力Ｖｂが一気に上昇するが、その後は、流量の大小にかかわらず、温度差出力Ｖｂの値は略一定の値に維持される。
【００８４】
一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、流路２に流量が発生すると、温度差出力Ｖｂの値は比較的急激に上昇し、その後も流量の増大に伴って温度差出力Ｖｂも上昇するが、その上昇率は徐々に減少する。
【００８５】
図６は、発熱抵抗体２２への通電を、オンオフの駆動により行ったときの温度差出力Ｖｂの値を測定した結果を示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の結果を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の結果を示している。なお、いずれの場合も、オンオフの駆動の周期Ｔは、Ｔ＝１秒で行った。
【００８６】
同図に示すように、被検流体が水の場合でも空気の場合でも、その流量が大きくなるほど温度差出力Ｖｂの変化の度合は大きくなり、その振幅も大きくなる。ただし、その原因は、以下に説明するように、被検流体が水の場合と空気の場合とで異なっている。
【００８７】
図７は、図６に示す波形を、その（最大−最小）が１になるように規格化して示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の波形を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の波形を示している。
【００８８】
同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、流量の大小によって波形が異なっており、流量が大きくなるほどオンオフの駆動に対する応答性が向上していることが分かる。
【００８９】
一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、流量の大小にかかわらず波形はほぼ重なっており、オンオフの駆動に対する応答性は略一定であることが分かる。
【００９０】
図４および５から、図６に示す温度差出力Ｖｂの流量の大小による変化は、被検流体が水の場合には、温度差出力Ｖｂの応答周波数の変化により生じ、一方、被検流体が空気の場合には、温度差出力Ｖｂの平衡値の変化により生じていることが分かる。なお、オンオフの駆動により生じる温度差出力Ｖｂの振幅は、近似的に温度差出力Ｖｂの平衡値と応答周波数の積に比例する。
【００９１】
図８は、交流信号として得られた温度差出力Ｖｂ（図６参照）に対して位相検波および平滑化を行うことにより得られたセンサ出力となる電圧Ｖｓと、被検流体の流量との関係をグラフで示す図である。その際、同図（ａ）は、被検流体が水の場合の関係を示しており、同図（ｂ）は、被検流体が空気の場合の関係を示している。
【００９２】
同図（ａ）に示すように、被検流体が水の場合には、センサ出力となる電圧Ｖｓの流量依存性を示すグラフは、図４に実線で示す特性に似た形状となる。特に、流量が小さい領域では、図４に実線で示す特性が強く反映された略直線形状となり、熱式流量センサとして望ましい特性を示すものとなる。
【００９３】
一方、同図（ｂ）に示すように、被検流体が空気の場合には、図５（ｂ）に示す特性に似た形状となる。
【００９４】
なお、図８（ａ）に示すセンサ出力となる電圧Ｖｓは、上記位相検波を、発熱抵抗体２２への通電をオンにした時点ｔonから９０°遅れた位相で行うことにより得られたものである。その際、このような位相で位相検波を行うようにしたのは、図６（ａ）に示す交流信号の波形をセンサ出力となる電圧Ｖｓの算出に最大限に反映させるためである。
【００９５】
一方、図８（ｂ）に示すセンサ出力となる電圧Ｖｓは、上記位相検波を、発熱抵抗体２２への通電をオンにした時点ｔonから３５°遅れた位相で行うことにより得られたものである。その際、このような位相で位相検波を行うようにしたのは、図６（ｂ）に示す交流信号の波形をセンサ出力となる電圧Ｖｓの算出に最大限に反映させるためである。
【００９６】
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に対して位相検波および平滑化を行うことにより、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出するものとして説明したが、これ以外の算出方法を採用することも可能である。
【００９７】
例えば、図３において、発熱抵抗体２２への通電をオンにした直後（すなわち、立ち上がり時点ｔonの直後）における温度差出力Ｖｂの値と、発熱抵抗体２２への通電をオフにする直前（すなわち、立ち下がり時点ｔoff の直前）における温度差出力Ｖｂの値との差（すなわち、同図（ｂ）に示す波形（あるいは、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す波形）における（最大−最小）の値）から、センサ出力となる電圧Ｖｓを算出する構成とすれば、その算出処理を容易に行うことができる。
【００９８】
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、この熱式流量センサ１０を、これ以外の態様で用いることももちろん可能である。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】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
【図２】上記熱式流量センサのセンサ本体を示す斜視図
【図３】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
【図４】被検流体の流量に対する温度差出力の応答周波数をグラフで示す図
【図５】発熱抵抗体への通電を常時オンの状態に維持したときの、温度差出力の平衡値を測定した結果を示す図
【図６】発熱抵抗体への通電を、オンオフの駆動により行ったときの温度差出力の値を測定した結果を示す図
【図７】図６に示す波形を、その（最大−最小）が１になるように規格化して示す図
【図８】センサ出力となる電圧と被検流体の流量との関係をグラフで示す図
【符号の説明】
【０１０２】
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  ガラス基板
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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