JP2002054961A - フローセンサモジュールおよびガスメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属製ソリッドステムとセンサ支持部材との
結合部における気密結合を、容易かつ安価に行え、しか
も、十分な気密性を確保できるフローセンサモジュール
およびガスメータを提供すること。 【解決手段】 金属製ソリッドステム２とセンサ支持部
材４とをフローセンサモジュールの利用環境温度の範囲
内でゴム状弾性を有する接着用樹脂１１、例えば、シリ
コン樹脂によって気密に接着結合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、流体の流速（流
量）を計測するフローセンサモジュールおよびガスメー
タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体の流速を測定する流速計として、マ
イクロフローセンサが注目されている。マイクロフロー
センサは、マイクロヒータを挟んでそれの上流側と下流
側とに各々の温度測定用の抵抗体を有し、上流側と下流
側の検出温度の差を一定値に保つために必要なマイクロ
ヒータ供給電力より流速を検出するようになっている。

【０００３】上述のようなマイクロフローセンサは、マ
イクロヒータに通電することによって発生する熱が流体
の流れによって移動し、マイクロヒータ近傍の熱の分布
が変化することを利用して流速を測定するものであり、
非常に小型で、消費電力も小さく、半導体プロセスの応
用によって比較的低コストで量産が可能であると云う利
点を有している。

【０００４】その反面、マイクロフローセンサは、薄膜
のダイアフラムやマイクロブリッジ構造を持つため、機
械的に非常に壊れやすく、また小さいため扱いにくいと
云う欠点がある。このため、マイクロフローセンサは、
金属製のソリッドステムやセラミック基板の上に固定、
配線されて取り扱われることが多い。

【０００５】流路にマイクロフローセンサを取り付ける
構造については、例えば特公平６−４４００５号公報に
示されているようなものがある。これは、基板上に取り
付けた流速センサチップの周囲に流れを妨げないような
ガードを設けることによって流速センサを取り扱い易く
している。また、特開平１１−１３２８１３号公報に
は、マイクロフローセンサを取り付けたソリッドステム
を金属接合によって取り付け用のブラケットに接合した
構造の流量（流速）計が示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】マイクロフローセンサ
をアッセンブリする物として、ソリッドステムは、大量
生産時には、比較的安価に製造できるためにコストを考
慮すれば、有力な候補となる。

【０００７】ここで、ソリッドステムを利用する場合に
問題となるのは、ソリッドステムを流速検出対象の流路
に取り付ける際の気密性の確保である。特に、フローセ
ンサの被測定流体が可燃性ガスのようなものの場合に
は、この気密性の確保は、極めて重要な要件になる。

【０００８】このことに対して、特開平１１−１３２８
１３号に示されている流量計では、ソリッドステムを金
属接合によってセンサ支持部材である鉄製のブラケット
に接合したものをＯリングを介して流路の取付口に取り
付けて気密性を確保しているため、金属接合として最も
一般的な溶接を用いるにしても、溶接を行うための比較
的高価な機材が必要であり、必然的に高コスト化してし
まう。

【０００９】この発明は、上述の如き問題点を解消する
ためになされたもので、ソリッドステムとセンサ支持部
材との結合部における気密結合を、容易かつ安価に行
え、しかも、十分な気密性を確保できるフローセンサモ
ジュールおよびガスメータを提供することを目的として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、この発明によるフローセンサモ
ジュールは、基台上に発熱体を有するフローセンサが金
属製ソリッドステムに搭載され、前記金属製ソリッドス
テムの背面側にセンサ支持部材が設けられるフローセン
サモジュールにおいて、前記金属製ソリッドステムと前
記センサ支持部材とがフローセンサモジュールの利用環
境温度の範囲内でゴム状弾性を有する接着用樹脂によっ
て気密に接着結合されているものである。

【００１１】この発明によるフローセンサモジュールに
よれば、金属製ソリッドステムとセンサ支持部材とがフ
ローセンサモジュールの利用温度範囲でゴム弾性を有す
る接着用樹脂で気密に接着結合され、金属製ソリッドス
テム、センサ支持部材、接着用樹脂間の熱膨張差は接着
用樹脂の弾性変形によって吸収され、これらの熱膨張差
に起因する気密性の劣化がない。

【００１２】前記接着用樹脂として好適な接着用樹脂と
しては、シリコン樹脂が挙げられる。

【００１３】また、上述した課題を解決し、目的を達成
するために、この発明によるフローセンサモジュール
は、基台上に発熱体を有するフローセンサが金属製ソリ
ッドステムに搭載され、前記金属製ソリッドステムの背
面側にセンサ支持部材が設けられるフローセンサモジュ
ールにおいて、前記金属製ソリッドステムと前記センサ
支持部材とが比較的接着力の強い第一の接着用樹脂によ
り接着結合され、さらに前記第一の接着用樹脂による樹
脂層がフローセンサモジュールの利用環境温度の範囲内
でゴム状弾性を有する第二の接着用樹脂によって気密に
被覆されているものである。

【００１４】この発明によるフローセンサモジュールに
よれば、第一の接着用樹脂により接着結合によって金属
製ソリッドステムとセンサ支持部材との機械的な接着強
度が確保され、その上で、気密性はフローセンサモジュ
ールの利用温度範囲でゴム弾性を有す第二の接着用樹脂
により確保され、気密性の劣化がない。

【００１５】前記第一の接着用樹脂として好適な接着用
樹脂としてはエポキシ系樹脂があり、前記第二の接着用
樹脂として好適な接着用樹脂としてはシリコン樹脂があ
る。

【００１６】これらの発明によるフローセンサモジュー
ルでは、センサ支持部材は、コバール合金等による金属
製ソリッドステムと溶接による接合が概ね困難な材料、
例えば、アルミニウムあるいはその合金、合成樹脂によ
る成形品により構成することができる。

【００１７】また、上述した課題を解決し、目的を達成
するために、この発明によるガスメータは、上述の発明
によるフローセンサモジュールを用いているものであ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発
明の実施の形態を詳細に説明する。図１、図２はこの発
明によるフローセンサモジュールの実施の形態１を示し
ている。

【００１９】フローセンサモジュール１は、円柱形の金
属製ソリッドステム２と、金属製ソリッドステム２に固
定されたマイクロフローセンサ３と、金属製ソリッドス
テム２の背面側に設けられたセンサ支持部材４とを有し
ている。

【００２０】マイクロフローセンサ３は、導体あるいは
半導体上に電気的な絶縁体膜を有する基台５上に２個の
マイクロヒータ６、７を有し、両マイクロヒータ６、７
に通電した際に、流路２０を流れる流体の上下流のマイ
クロヒータ６、７の温度差を抵抗値で測定するように構
成されている。マイクロフローセンサ３には電極から出
力電圧を取り出すために、ワイヤ８によるワイヤボンデ
ィングによってリードピン９に導通接続されている。マ
イクロヒータ６、７の配置部は、基台５の一部に開口部
１０を有する空間を設けて薄膜状に形成されたブリッジ
部あるいはダイヤフラム部とし、高速応答、低消費電力
化を図ることができる。

【００２１】センサ支持部材４には、金属製ソリッドス
テム２を取り付けのための貫通孔が設けられており、金
属製ソリッドステム２は、該貫通孔を有するセンサ支持
部材４に接着用樹脂（接着用樹脂層）１１によって接着
（取り付け）されている。また、フローセンサモジュー
ル１は測定する流体が流れている流路２０に開けた取付
口２１にＯリング２２を介して取り付けられるようにな
っている。

【００２２】この実施の形態では、マイクロフローセン
サ３は半導体シリコン基板により作製されており、マイ
クロフローセンサ３は、通常使用のダイボンド用樹脂に
よって金属製ソリッドステム２の一端面部に接着されて
いる。金属製ソリッドステム２はセンサ支持部材４と組
み合わせ、背面側（裏側）から接着用樹脂１１を盛るよ
うにして接着してある。接着用樹脂１１による接着は溶
接などと比較して高価な設備を必要としないで行なうこ
とができる。

【００２３】金属製ソリッドステム２はマイクロフロー
センサ３を構成する半導体シリコンと熱膨張率がほぼ同
じになるように、例えば、コーバル（ＫＯＶＥＲ）合金
によって作られている。そこで、金属製ソリッドステム
２に対して熱膨張差のあるセンサ支持部材４との接着の
際には、環境温度による熱膨張差によって熱応力が生
じ、接着部の強度、気密性に影響を及ぼす可能性を十分
考慮する必要がある。

【００２４】表１は、コーバル合金製の金属製ソリッド
ステムと各種材料（鉄、アルミニウム、樹脂成形品）に
よるセンサ支持部材を接着用樹脂によって接合したとき
の強度と気密性の良好さを、接着用樹脂とセンサ支持部
材の材料の組み合わせを変えてテストした結果を示して
いる。

【００２５】

【表１】

【００２６】強度と気密性のテストは−１０℃〜６０℃
で熱サイクルをかけ、その後に空気１４７００Ｐａの圧
力をかけて気密性を確認した。表１の結果からエポキシ
樹脂を用いた場合には、接着強度は保たれるが、気密性
が保たれていないことが分かる。この理由は、接着用樹
脂と接合すべき金属製ソリッドステム及びセンサ支持部
材との間が、熱膨張差によってわずかながら隙間が生じ
てしまうためと考えられる。

【００２７】これに対してシリコン樹脂は熱サイクルの
後でも気密性に変化は見られなかった。このことは、シ
リコン樹脂が、この熱サイクルの範囲内でゴム弾性を有
し、熱膨張差を弾性変形によって吸収し、熱膨張差によ
り接着用樹脂に作用する応力の緩和がなされたためであ
ると考えられる。

【００２８】以上のことから、接着用樹脂１１として、
フローセンサモジュール１の利用温度の範囲内でゴム弾
性を有する例えばシリコン樹脂を用いる事で、有効な接
着を行なう事が可能になる。

【００２９】センサ支持部材４としては、アルミニウム
あるいはアルミニウム合金を用いることができる。アル
ミニウムあるいはアルミニウム合金は、鋳造により、比
較的容易に形状を加工でき、鉄製のものを用いるより、
安価にセンサ支持部材４を作製でき、低コスト化を図る
ことができる。

【００３０】アルミニウムあるいはアルミニウム合金製
のセンサ支持部材４を溶接などの金属接合によって金属
製ソリッドステム２と接合することは、高価な設備を用
いない限り、かなり難しいが、接着用樹脂１１による接
合であれば、そのような問題が生じることがなく、表１
に示されているように、フローセンサモジュール１を利
用する環境温度でゴム弾性を有する、例えばシリコン樹
脂による接着用樹脂１１を用いて接着することで、良好
な結果を得ることができる。

【００３１】また、センサ支持部材４を合成樹脂（プラ
スチックス）の成形品により構成することもできる。樹
脂成形品は金属製作よりはるかに安価に製造できるた
め、低コスト化に大きく貢献できる。樹脂成形品でも、
表１に示されているように、フローセンサモジュール１
を利用する環境温度でゴム弾性を有する、例えばシリコ
ン樹脂による接着用樹脂１１を用いて接着することで、
良好な結果を得ることができる。

【００３２】図３、図４はこの発明によるフローセンサ
モジュールの実施の形態２を示している。なお、図３、
図４において、図１、図２に対応する部分は、図１、図
２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略
する。

【００３３】この実施の形態では、金属製ソリッドステ
ム２とセンサ支持部材４との接着に、２種類の接着用樹
脂を用いて接着用樹脂（第一の接着用樹脂１２、第二の
接着用樹脂１３）が二重に盛られている。

【００３４】金属製ソリッドステム２とセンサ支持部材
４との接着結合は第一の接着用樹脂１２により接着結合
され、第一の接着用樹脂１２による樹脂層の上に、これ
を気密に被覆すべく第二の接着用樹脂１３が盛られてい
る。

【００３５】接着強度を上げるために、第一の接着用樹
脂１２としては、接着強度の比較的強い、例えばエポキ
シ系樹脂があり、第一の接着用樹脂１２が十分に硬化し
て強度を得た後に、第二の接着用樹脂１３として、フロ
ーセンサモジュール１を利用する環境温度でゴム弾性を
有する、例えばシリコン樹脂をその上から完全に覆うよ
うに盛って硬化させる。

【００３６】このような構成をとることで接着強度を大
きく向上させて、かつ熱サイクル等による気密性の低下
のないフローセンサモジュールを得ることができる。

【００３７】実施の形態２でも、金属製ソリッドステム
２はコバール合金等により構成でき、センサ支持部材４
はアルミニウムあるいはその合金、合成樹脂による成形
品によって構成することができる。

【００３８】フローセンサを利用したガスメータは、こ
れまでに多く提案されているが、上述の構成による本発
明のフローセンサモジュール１は、低コストで、かつ気
密性も十分に保たれているので、ガスメータのように、
気密性が十分に保たれる必要がある物に利用するのに好
ましい。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、請求項
１の発明によるフローセンサモジュールによれば、金属
製ソリッドステムとセンサ支持部材とがフローセンサモ
ジュールの利用温度範囲でゴム弾性を有する接着用樹脂
によって接着されているから、ソリッドステム、センサ
支持部材、接着用樹脂間の熱膨張差に起因する気密性の
劣化のないフローセンサモジュールを、溶接などの金属
接合と比較してはるかに安価な設備で作製することがで
きる。

【００４０】請求項２の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、フローセンサモジュールの利用温度範囲
でゴム弾性を有する接着用樹脂としてシリコン樹脂が用
いられており、シリコン樹脂は、比較的安価で、選択の
幅も広く、容易に入手できるので好ましい。

【００４１】請求項３の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、金属製ソリッドステムとセンサ支持部材
を接着強度の比較的強い第一の接着樹脂で接合し、さら
にその上を、フローセンサモジュールの利用温度範囲で
ゴム弾性を有する第二の接着用樹脂で完全に覆うように
盛ることで、接着強度を向上させた上で、かつソリッド
ステム、センサ支持部材、接着用樹脂間の熱膨張差に起
因する気密性の劣化のないフローセンサモジュールを、
溶接などの金属接合に比較してはるかに安価な設備で作
製することができる。

【００４２】請求項４の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、比較的接着強度の強い第一の接着用樹脂
としてエポキシ系樹脂、フローセンサモジュールの利用
温度範囲でゴム弾性を有する第二の接着用樹脂としてシ
リコン樹脂が用いられ、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂
共に、比較的安価で、選択の幅も広く、容易に入手でき
るので好ましい。

【００４３】請求項５の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、センサ支持部材が金属製ソリッドステム
と溶接による接合が概ね困難な材料により構成され、溶
接などの金属接合が使えなくても、十分な気密性を持ち
ながらセンサ支持部材の材料の選択幅を広げる事がで
き、好ましい。

【００４４】請求項６の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、センサ支持部材がアルミニウムあるいは
アルミニウム合金製にすることで、溶接などの金属接合
が使えなくても、十分な気密性を持ち、センサ支持部材
の材料が鉄製のものに比較して材料費が安価なフローセ
ンサモジュールを作製できる。

【００４５】請求項７の発明によるフローセンサモジュ
ールによれば、センサ支持部材が樹脂成形品により構成
されていることにより、溶接などの金属接合が使えなく
ても、十分な気密性を持ち、センサ支持部材の材料が金
属製のものに比較して材料費が安価なフローセンサモジ
ュールを作製できる。

【００４６】請求項８の発明によるガスメータによれ
ば、上述の発明によるフローセンサモジュールが用いら
れることで、気密性が十分に保たれ、しかも比較的安価
にフローセンサモジュールを利用したガスメータが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるフローセンサモジュールの実施
の形態１を示す横断面図である。

【図２】この発明によるフローセンサモジュールの実施
の形態１を示す縦断面図である。

【図３】この発明によるフローセンサモジュールの実施
の形態２を示す横断面図である。

【図４】この発明によるフローセンサモジュールの実施
の形態２を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ フローセンサモジュール ２ 金属製ソリッドステム ３ マイクロフローセンサ ５ 基台 ６、７ マイクロヒータ １１ 接着用樹脂 １２ 第一の接着用樹脂 １３ 第二の接着用樹脂 ２０ 流路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台上に発熱体を有するフローセンサが
   金属製ソリッドステムに搭載され、前記金属製ソリッド
   ステムの背面側にセンサ支持部材が設けられるフローセ
   ンサモジュールにおいて、 前記金属製ソリッドステムと前記センサ支持部材とがフ
   ローセンサモジュールの利用環境温度の範囲内でゴム状
   弾性を有する接着用樹脂によって気密に接着結合されて
   いることを特徴とするフローセンサモジュール。
2. 【請求項２】 前記接着用樹脂はシリコン樹脂であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のフローセンサモジュー
   ル。
3. 【請求項３】 基台上に発熱体を有するフローセンサが
   金属製ソリッドステムに搭載され、前記金属製ソリッド
   ステムの背面側にセンサ支持部材が設けられるフローセ
   ンサモジュールにおいて、 前記金属製ソリッドステムと前記センサ支持部材とが比
   較的接着力の強い第一の接着用樹脂により接着結合さ
   れ、さらに前記第一の接着用樹脂による樹脂層がフロー
   センサモジュールの利用環境温度の範囲内でゴム状弾性
   を有する第二の接着用樹脂によって気密に被覆されてい
   ることを特徴とするフローセンサモジュール。
4. 【請求項４】 前記第一の接着用樹脂がエポキシ系樹脂
   であり、前記第二の接着用樹脂がシリコン樹脂であるこ
   とを特徴とする請求項３に記載のフローセンサモジュー
   ル。
5. 【請求項５】 前記センサ支持部材の材料はコバール合
   金等による金属製ソリッドステムと溶接による接合が概
   ね困難な材料であることを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれか１つに記載のフローセンサモジュール。
6. 【請求項６】 前記センサ支持部材の材料はアルミニウ
   ムあるいはその合金であることを特徴とする請求項５に
   記載のフローセンサモジュール。
7. 【請求項７】 前記センサ支持部材は合成樹脂による成
   形品により構成されていることを特徴とする請求項５に
   記載のフローセンサモジュール。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１つに記載され
   たフローセンサモジュールを用いていることを特徴とす
   るガスメータ。