JP2002062173A - センサモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的センサを機械的外力のみならず塵埃から
も保護し得るようにする。 【解決手段】 センサ固定部材３に支持された熱的セン
サ１の周囲を開閉可能に覆うカバー部材４と、このカバ
ー部材４の全部又は一部を開閉する開閉駆動部とを備え
る。したがって、測定時にはカバー部材４の全部又は一
部を開放することができ、非測定時或いは運搬や保管時
にはカバー部材４により熱的センサ１の周囲の空間を外
部から遮断することができ、これにより、熱的センサ１
に塵埃が付着する機会を最小限にすることができ、熱的
センサ１を機械的外力のみならず塵埃からも保護するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱的センサの出力
変化により種々の測定に利用されるセンサモジュールに
関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に金属膜素子を有する熱的センサ
としては、流体の流れの中に配置されて流体の流速や流
量を測定するフローセンサ、湿度環境が変化する空間に
配置されて湿度を測定する湿度センサが知られている。

【０００３】例えば、特公平７−９５０７６号公報に記
載されているように、基板上にマイクロヒータ、このマ
イクロヒータを間にして対向配置された二つの抵抗体な
どの金属膜素子を流体の流れ方向に沿って形成したフロ
ーセンサがある。このようなフローセンサは、マイクロ
ヒータに通電することにより発生する熱が流体の流れに
より移動し、このときの二つの抵抗体の出力差により流
体の流速或いは流量を測定するもので、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り比較的
低コストで量産も可能である。

【０００４】フローセンサは、基板上の金属膜素子を基
板に対して熱的に絶縁するために、基板の表面に薄膜を
形成し、その薄膜が形成された基板の部分に異方性エッ
チング処理などを施すことにより、空間部を横切る薄膜
のマイクロブリッジ、或いは空間部を覆う薄膜のダイヤ
フラムを形成し、これらのマイクロブリッジ或いはダイ
ヤフラムの上にマイクロヒータや抵抗体などの金属膜素
子を形成している。

【０００５】湿度センサの場合もマイクロブリッジ或い
はダイヤフラムの上にマイクロヒータや抵抗体などの金
属膜素子を形成している。

【０００６】上記のような構成のフローセンサや湿度セ
ンサなどの熱的センサは、薄膜のマイクロブリッジやダ
イヤフラム上に金属膜素子が形成されているため、機械
的な外力に対して破壊し易く、また小さいため取り扱い
にくい。そのために、熱的センサを金属のソリッドステ
ムやセラミック基板に固定し、ソリッドステムやセラミ
ック基板上で外部回路に接続している。

【０００７】フローセンサや湿度センサなどの熱的セン
サを流路に設置する場合に、熱的センサ及びその熱的セ
ンサを外部回路に接続する接続部を保護する提案も幾つ
かされている。例えば、特公平６−４４００５号公報に
記載されている例では、流速センサ（熱的センサの一
例）を保持する基板に、流速センサに手が触れないよう
にバリアとしての突起を設けている。また、特開平９−
２９７１５２号公報に記載されている例では、マイクロ
センサ（熱的センサの一例）をセンサ保護部材の内部に
収容して保護し、マイクロセンサを本体ユニットに取り
付けたときにはマイクロセンサをセンサ保護部材の外部
に位置させて本体ユニットの流路に臨ませるようにして
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特公平６−４４００５
号公報及び特開平９−２９７１５２号公報に記載された
提案は、流速センサ或いはマイクロセンサに手が触れ難
くすることができる。しかし、マイクロセンサは流体の
流量或いは流速測定に際し、あるサイクルをもって間欠
的に駆動されるものであるが、一旦流路に設置された後
は常に流路に晒されるため、流体や空気中に存在する塵
埃が付着する。また、運搬や保管に際しても外気に晒さ
れるため塵埃が付着する。塵埃は微細でもセンサが非常
に小さいため、センサの特性に与える影響は無視するこ
とができない。

【０００９】本発明の目的は、熱的センサを機械的外力
のみならず塵埃からも保護し得るようにすることであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
基板上にその基板とは熱的に絶縁されて形成され測定時
に電気信号を出力する金属膜素子が設けられた熱的セン
サと、前記金属膜素子を外部回路に電気的に接続する接
続部を有して前記熱的センサを固定的に支持するセンサ
固定部材と、前記センサ固定部材に設けられ前記熱的セ
ンサの周囲を開閉可能に覆うカバー部材と、選択的に前
記カバー部材の全部又は一部を開閉する開閉駆動部と、
を具備する。

【００１１】したがって、測定時には開閉駆動部により
カバー部材を開放状態に維持することが可能となる。非
測定時には開閉駆動部によりカバー部材を閉塞状態に維
持することにより、熱的センサの周囲の空間を外部から
遮断することが可能となる。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記熱的センサによる測定時には前記カバ
ー部材の全部又は一部を開放し非測定時には前記カバー
部材を閉塞するように前記開閉駆動部の動作を制御する
開閉制御手段を具備する。

【００１３】したがって、開閉駆動部によるカバー部材
の開閉動作を、測定時と非測定時とで自動的に切り替え
ることが可能となる。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記熱的センサはフローセンサであ
る。

【００１５】したがって、塵埃の付着を抑制し流体の流
量測定の精度を高めることが可能となる。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記熱的センサは湿度センサであ
る。

【００１７】したがって、塵埃の付着を抑制し湿度測定
の精度を高めることが可能となる。

【００１８】請求項５記載の発明は、請求項３記載の発
明において、前記カバー部材は、前記フローセンサによ
る測定のために開放されたときの形状が流体の流れを乱
さない形状に定められている。

【００１９】したがって、流体の流量測定の精度を高め
ることが可能となる。

【００２０】請求項６記載の発明は、請求項１ないし５
記載の発明において、前記カバー部材は、熱により変形
して前記熱的センサの一部を開放する形状記憶合金によ
り形成された開閉部を有し、前記開閉駆動部は、前記開
閉部に付与する熱を制御する加熱手段である。

【００２１】したがって、カバー部材の開閉部は、加熱
により変形し常温で元の形状に戻ることにより熱的セン
サの周囲を選択的に開閉する。これにより、開閉部の機
構を簡略化することが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
ないし図８に基づいて説明する。まず、図１ないし図３
を参照し熱的センサとしてフローセンサ１を用いたセン
サモジュールＡについて説明する。図１はセンサモジュ
ールＡの平面図、図２はセンサモジュールＡの側面図、
図３はセンサモジュールＡの正面図である。

【００２３】フローセンサ１はセンサ固定部材としての
セラミック基板３の表面中央部に固定的に支持されてい
る。本発明においてフローセンサ１自体は公知のもので
あるため、原理について簡単に説明する。この例のフロ
ーセンサ１は、シリコン基板の表面に形成されたマイク
ロブリッジ又はダイアフラムの上に、金属膜素子として
の二つの抵抗体を流体の流れ方向に沿って配列すること
により形成されている。これらの抵抗体は、シリコン基
板のマイクロブリッジ又はダイアフラムの下側となる部
分に空間部を形成することによりシリコン基板に対して
熱的に絶縁されている。

【００２４】このようなフローセンサ１は、これを流路
中に配設し、定電流源により二つの抵抗体に対して同じ
電流値の定電流パルスを間欠的に流すことにより、抵抗
体が或る一定の目標温度となるように昇温させる。ここ
に、流体に流れがない場合には上流側の抵抗体と下流側
の抵抗体とは抵抗値が等しいので、各々の抵抗体にかか
る電圧の差が０となる。一方、流体に流れが生ずると、
上流側の抵抗体で発生した熱が下流側の抵抗体側へ移動
することにより、上流側の抵抗体と下流側の抵抗体では
温度差が生ずる。即ち、上流側の抵抗体は流体の流れに
より冷される傾向を示し、下流側の抵抗体は抵抗体の熱
を受けて加熱される傾向を示す。このような温度差に伴
い、抵抗体には抵抗値の差が生ずる。ここに、これらの
抵抗体には定電流源によって同じ定電流が流されている
ので、抵抗値の差に対応する電圧差が生ずる。電圧差は
流体の流量ないしは流速に比例するので、流量が検出さ
れる。

【００２５】また、セラミック基板３にはフローセンサ
１の周囲を開閉可能に覆うカバー部材４が設けられてい
る。このカバー部材４は、図１に示すように上方から見
れば矩形形状、図２に示すように側面から見れば正面部
分５及び背面部分６が傾斜し上面７がセラミック基板３
と平行な台形形状、図３に示すように正面から見れば両
側面８，９がセラミック基板３の表面に対して垂直な矩
形形状である。このカバー部材４の開閉機構については
後で詳しく説明する。

【００２６】次に、図４ないし図６を参照し他のセンサ
モジュールＢについて説明する。図４はセンサモジュー
ルＢの平面図、図５はセンサモジュールＢの側面図、図
６はセンサモジュールＢの正面図である。センサモジュ
ールＢは、図１ないし図３におけるフローセンサ１に代
えて熱的センサとして湿度センサ２を用いたもので、こ
の湿度センサ２はセラミック基板３上に支持され、カバ
ー部材４により覆われている。

【００２７】本発明において湿度センサ２自体は公知の
ものであるため、原理について簡単に説明する。この例
の湿度センサ２は、シリコン基板の表面に形成されたマ
イクロブリッジ又はダイアフラムの上に、二つの抵抗体
を配列することにより形成されている。

【００２８】このような湿度センサ２は、これを空気雰
囲気中に配設し、定電流源により一方の抵抗体に対して
定電流パルスを間欠的に流して発熱させ、この抵抗体の
温度を他方の抵抗体（温度測定用抵抗体）を通じて検出
する。このような状況下で、湿度によって空気中への熱
伝導率が変化すると、下流側の抵抗体が検出する温度に
変化を生ずる。よって、この下流側の抵抗体を介して測
定される温度変化に基づき湿度が測定される。

【００２９】次に、図７及び図８を参照し、カバー部材
４の開閉機構について説明する。図７は図１におけるＸ
−Ｘ線部においてカバー部材４の閉塞状態を示す縦断側
面図、図８は図１におけるＸ−Ｘ線部においてカバー部
材４の開放状態を示す縦断側面図である。

【００３０】図７及び図８に示すように、フローセンサ
１の抵抗体から導出されたワイヤ１０は、セラミック基
板３に形成された接続部（図示せず）を介して外部回路
（図示せず）に接続されるように構成されている。

【００３１】本実施の形態におけるカバー部材４は薄い
鉄板などの磁性体により形成され、正面部分５及び背面
部分６は上面７及び側面８，９に対して分離されてい
る。そして、正面部分５及び背面部分６はヒンジ部５
ａ，６ａから先が弾性的に屈撓可能である。そして、セ
ラミック基板３には電磁石（図示せず）が設けられてい
る。この電磁石はこれを駆動する駆動回路とともに開閉
駆動部として機能する。

【００３２】この電磁石を含む開閉駆動部の動作を制御
する開閉制御手段は、図示しないが、マイクロコンピュ
ータ構成の制御部によりフローセンサ１の駆動状態を監
視し、フローセンサ１による測定時には電磁石を駆動回
路により励磁してカバー部材４の正面部分５及び背面部
分６を開放状態に維持し、非測定時には電磁石に通電し
ないで正面部分５及び背面部分６を閉塞状態に維持す
る。

【００３３】なお、開閉駆動部は電磁石を用いたものに
限られるものではない。例えば、モータなどの回転力を
直線運動に変換して正面部分５及び背面部分６を開閉す
るようにしてもよい。

【００３４】このような構成において、機器へのセンサ
モジュールＡの取り付け、センサモジュールＡの運搬或
いは保管に際しては、電磁石を非励磁状態にして、図７
に示すように、カバー部材４を閉塞状態に維持する。こ
れにより、フローセンサ１やワイヤ１０に手を触れてし
まう状態を回避することができ、さらに、外気に含まれ
る塵埃や有害ガスがフローセンサ１に付着することを防
止することができる。

【００３５】センサモジュールＡを流体の流れの中に設
置した場合には、一定のサイクルでフローセンサ１を駆
動して流体の流量を測定するときにのみ、駆動回路から
の通電により電磁石を励磁し、図８に示すようにカバー
部材４の正面部分５と背面部分６とを開放する。これに
より、流体はフローセンサ１の周囲を矢印方向に流れ
る。この場合、カバー部材４の正面部分５と背面部分６
とは、フローセンサ１のセラミック基板の高さより低く
なるまで倒伏させることが乱流を生じさせない上で望ま
しい。また、カバー部材４の上面７はセラミック基板３
の表面と平行であり、側面８，９はセラミック基板３の
表面に対して垂直であるため、流体が流れるときの乱流
の発生を抑制することができ、したがって、フローセン
サ１による流量測定の精度を高めることができる。

【００３６】フローセンサ１を駆動しない非測定時に
は、電磁石を非励磁状態にすることにより、カバー部材
４を図７に示すように閉塞状態に維持し、フローセンサ
１の周囲の空間を外部から遮断することができるため、
フローセンサ１に塵埃が付着する機会を最小限にするこ
とができる。この点においても、次の流量測定における
測定精度を高めることができる。

【００３７】なお、図４ないし図６に示すセンサモジュ
ールＢの場合も、図７及び図８に示した場合のように、
カバー部材４を開閉させることができるので、湿度セン
サ２による湿度測定の精度を高めることができる。

【００３８】次に、本発明の第二の実施の形態を図９な
いし図１１に基づいて説明する。図９はセンサモジュー
ルＣの平面図、図１０はセンサモジュールＣの側面図、
図１１はセンサモジュールＣの正面図である。本実施の
形態はカバー部材及びその開閉駆動部の構成が異なる他
は前記実施の形態と同様である。この例では熱的センサ
としてフローセンサ１を用いているが湿度センサ２を用
いた構成にも適用可能である。

【００３９】本実施の形態におけるカバー部材１１は、
図９に示すように上方から見れば矩形形状、図１０に示
すように側面から見れば正面部分１２及び背面部分１３
が傾斜し上面１４がセラミック基板３と平行な台形形
状、図１１に示すように正面から見れば両側面１５，１
６がセラミック基板３の表面に対して垂直な矩形形状で
ある。

【００４０】カバー部材１１の正面部分１２及び背面部
分１３は開閉部として機能するもので、これらの正面部
分１２及び背面部分１３は上面１４及び側面１５，１６
に対して分離されている。そして、正面部分１２及び背
面部分１３はセラミック基板３に固定された端部以外の
部分が弾性的に屈撓し得るように形状記憶合金により形
成されている。これらの正面部分１２及び背面部分１３
の表面にはヒータ１７が設けられている。これらのヒー
タ１７は、駆動回路（図示せず）とともに加熱手段であ
って開閉駆動部として機能する。

【００４１】このヒータ１７を含む加熱手段の動作を制
御する開閉制御手段は、図示しないがマイクロコンピュ
ータ構成の制御部によりフローセンサ１の駆動状態を監
視し、フローセンサ１による測定時には駆動回路により
ヒータ１７に通電して、カバー部材１１の正面部分１２
及び背面部分１３をヒータ１７の熱により変形させて開
放状態に維持し、非測定時にはヒータ１７への通電を遮
断して正面部分１２及び背面部分１３を元の形状に復帰
させて閉塞状態に維持する。ヒータ１７の両端は、セラ
ミック基板３に設けたスルーホール１８を介して前述し
た駆動回路に接続されている。

【００４２】このような構成において、フローセンサ１
を駆動して流体の流量を測定するときは、駆動回路によ
りヒータ１７を発熱させることにより、カバー部材１１
の正面部分１２及び背面部分１３を変形させて開放状態
に維持することができる。その開放状態におけるカバー
部材１１の形は、図８における開放状態のカバー部材４
の形と略同様である。

【００４３】非測定時、或いはセンサモジュールＣの運
搬や保管に際しては、ヒータ１７に通電しないため、カ
バー部材１１は元の形状、すなわち閉塞状態に維持され
る。その閉塞状態におけるカバー部材１１の形は、図７
における閉塞状態のカバー部材４の形と略同様である。

【００４４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、センサ固
定部材に支持された熱的センサの周囲を開閉可能に覆う
カバー部材と、このカバー部材の全部又は一部を開閉す
る開閉駆動部とを備えるので、測定時にはカバー部材の
全部又は一部を開放することができ、非測定時或いは運
搬や保管時にはカバー部材により熱的センサの周囲の空
間を外部から遮断することができ、これにより、熱的セ
ンサに塵埃が付着する機会を最小限にすることができ、
熱的センサを機械的外力のみならず塵埃からも保護する
ことができる。

【００４５】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、熱的センサによる測定時にはカバー
部材の全部又は一部を開放し非測定時にはカバー部材を
閉塞するように開閉駆動部の動作を制御する開閉制御手
段を具備するので、開閉駆動部によるカバー部材の開閉
動作を、測定時と非測定時とで自動的に切り替えること
ができる。

【００４６】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明において、熱的センサはフローセンサで
あるので、塵埃の付着を抑制し流体の流量測定の精度を
高めることができる。

【００４７】請求項４記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明において、熱的センサは湿度センサであ
るので、塵埃の付着を抑制し湿度測定の精度を高めるこ
とができる。

【００４８】請求項５記載の発明によれば、請求項３記
載の発明において、カバー部材は、フローセンサによる
測定のために開放されたときの形状が流体の流れを乱さ
ない形状に定められているので、流体の流量測定の精度
を高めることができる。

【００４９】請求項６記載の発明によれば、請求項１な
いし５記載の発明において、カバー部材は、熱により変
形して熱的センサの一部を開放する形状記憶合金により
形成された開閉部を有し、開閉駆動部は、開閉部に付与
する熱を制御する加熱手段であるので、カバー部材の開
閉部を加熱により変形させ常温で元の形状に戻すことに
より熱的センサの周囲を選択的に開閉することができ、
これにより、開閉部の機構を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態におけるセンサモジ
ュールの平面図である。

【図２】そのセンサモジュールの側面図である。

【図３】そのセンサモジュールの正面図である。

【図４】他のセンサモジュールの平面図である。

【図５】他のセンサモジュールの側面図である。

【図６】他のセンサモジュールの正面図である。

【図７】図１におけるＸ−Ｘ線部においてカバー部材の
閉塞状態を示す縦断側面図である。

【図８】図１におけるＸ−Ｘ線部においてカバー部材の
開放状態を示す縦断側面図である。

【図９】本発明の第二の実施の形態におけるセンサモジ
ュールの平面図である。

【図１０】そのセンサモジュールの側面図である。

【図１１】そのセンサモジュールの正面図である。

【符号の説明】

１ 熱的センサ、フローセンサ ２ 熱的センサ、湿度センサ ３ センサ固定部材 ４ カバー部材 １１ カバー部材 １２，１３ 開閉部 １７ 加熱手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にその基板とは熱的に絶縁されて
   形成され測定時に電気信号を出力する金属膜素子が設け
   られた熱的センサと、 前記金属膜素子を外部回路に電気的に接続する接続部を
   有して前記熱的センサを固定的に支持するセンサ固定部
   材と、 前記センサ固定部材に設けられ前記熱的センサの周囲を
   開閉可能に覆うカバー部材と、 選択的に前記カバー部材の全部又は一部を開閉する開閉
   駆動部と、を具備するセンサモジュール。
2. 【請求項２】 前記熱的センサによる測定時には前記カ
   バー部材の全部又は一部を開放し非測定時には前記カバ
   ー部材を閉塞するように前記開閉駆動部の動作を制御す
   る開閉制御手段と、を具備する請求項１記載のセンサモ
   ジュール。
3. 【請求項３】 前記熱的センサはフローセンサである請
   求項１又は２記載のセンサモジュール。
4. 【請求項４】 前記熱的センサは湿度センサである請求
   項１又は２記載のセンサモジュール。
5. 【請求項５】 前記カバー部材は、前記フローセンサに
   よる測定のために開放されたときの形状が流体の流れを
   乱さない形状に定められている請求項３記載のセンサモ
   ジュール。
6. 【請求項６】 前記カバー部材は、熱により変形して前
   記熱的センサの一部を開放する形状記憶合金により形成
   された開閉部を有し、前記開閉駆動部は、前記開閉部に
   付与する熱を制御する加熱手段である請求項１ないし５
   の何れか一記載のセンサモジュール。