JP2002296086A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 台座からの熱的影響を緩和または遮断すると
ともに渦の発生を防止し、精度の高い測定を可能にした
フローセンサを提供する。 【解決手段】 流体１１の温度を検出する温度検出手段
３３が設けられた流量検出素子７と金属製の台座４との
間に、流路形成部材６を介在させる。流路形成部材６
は、熱膨張係数が小さいガラス、セラミックス、合成樹
脂等からなる素材をダイカットすることによって形成さ
れており、流量検出素子７が接合される上面に、流体１
１の流通を可能にする流路用溝１５と、温度検出素子７
が設置される凸部１６を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量または
流速を計測する熱式のフローセンサに関し、特に流量検
出素子の取付構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の流量や流速を計測する熱式のフロ
ーセンサとしては、従来から種々提案されている（例：
特開平４−２９５７２４号公報、特公平６−２５６８４
号公報、特開平８−１４６０２６号公報等）。

【０００３】この種のフローセンサは、温度検出手段を
備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面（上面）
に固着することによりセンサを構成したものが一般的で
あり、計測する流体の流れに対して水平になるように設
置されて使用される。水平な状態での設置、使用は、流
量検出素子の近傍に渦が発生するのを防止するためであ
る（渦が発生すると測定精度が低下する）。

【０００４】台座の材料としては、熱膨張係数が小さい
材料、例えばガラス、セラミックス等が用いられる。ま
た、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタ
イプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い
材料であることが要求されることから、金属製の台座が
用いられる。また、これによって流量検出素子の水平な
設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張
係数がガラス、セラミックスに近いコバール（Ｆｅ５４
％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％の合金）が通常用いられ
る。

【０００５】台座の固着面に対する流量検出素子の取付
け方としては、通常素子を固着面に接着剤によって固着
している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付
着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係
なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子
の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に
応力が生じるため、素子自体が破損したり温度検出手段
の電気的特性が劣化する。

【０００６】そこで、このような問題を解決するための
方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば
実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造が、
また応力集中の防止については例えば実開平５−１８０
３０号公報に記載された取付構造が知られている。すな
わち、実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構
造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部
を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとと
もに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一に
し、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するよ
うしたものである。このような取付構造によれば、突部
と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って
流下するため、部品の表面への付着を防止することがで
きる利点がある。

【０００７】一方、前記実開平５−１８０３０号公報に
記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品と
の固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部
品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、
固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固
着面に固着しないようにしたものである。このような取
付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張
係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナ
ー部への応力集中を防止することができる利点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来
は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい
平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤に
より固着していた。しかし、このような取付構造では、
固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱
的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題
があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座
の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度
も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果とし
て、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変
化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じる
からである。このような誤差の発生は、特に流体温度と
流量検出素子の温度が同じとの前提に立って温度測定を
行なう質量流量計の場合、重大な問題となる。

【０００９】また、流体が台座に当たると流れが乱れて
流量検出素子の近傍に渦が発生するため、正確な測定が
できなくなるという問題もあった。

【００１０】そこで、このような問題を解決するための
対策の一つとして、台座の固着面に溝を形成して流量検
出素子の接触面積を少なくすることで、台座からの熱的
影響と渦の発生を防止することが考えられる。しかし、
切削加工によって台座の一つひとつに溝を形成すると、
製造コストが著しく高くなり、成形で溝付きの台座を形
成すると、素子自体のサイズが１．５ｍｍ角程度と非常
に小さい場合、製作が著しく難しい（特に上下面を平行
な面に形成することが難しい）という問題があった。

【００１１】本発明は上記した従来の問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、台座か
らの熱的影響を緩和または遮断するとともに渦の発生を
防止することができ、精度の高い測定を可能にしたフロ
ーセンサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、流体の温度を検出する温度検出手段が
設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着さ
れる金属製の台座とを備えたフローセンサにおいて、前
記台座と前記流量検出素子との間に、熱膨張係数が前記
台座より小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等の材
料からなる流路形成部材を介在させてなり、この流路形
成部材はダイカットによって形成されており、上面に前
記温度検出素子が設置される凸部と、流体の流れ方向に
沿った流路用溝が設けられているものである。第１の発
明においては、流路形成部材の素材をダイカットするこ
とにより品質の一定した複数の流路形成部材が同時に製
作される。また、流路用溝は予め素材に形成されている
ので、後加工によって流路形成部材の１つひとつに形成
する必要がない。ガラス、セラミックス、合成樹脂等か
らなる流路形成部材は、台座に比べて熱容量、熱膨張係
数が小さく、流量検出素子への熱的影響を少なくする。
流体は流量検出素子の上方および下方を流れて検出素子
と接触する。したがって、流量検出素子の流体との接触
面積が増大し、流体の瞬時の温度変化に対して流量検出
素子の温度も変化し速やかに流体の温度と等しくなる。
流路用溝は流体が通過することにより流路形成部材の流
体に対する影響、つまり乱れを少なくする。したがっ
て、渦の発生も少ない。

【００１３】第２の発明は、上記第１の発明において、
流路形成部材が約１．５ｍｍ角のチップ状に形成されて
いるものである。第２の発明において、流路形成部材は
微小なチップであるため、熱容量が小さく、流体の温度
が急激に変化したときでも、迅速に流体の温度と等しく
なる。

【００１４】第３の発明は、上記第１または第２の発明
において、流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量
検出素子が設置される凸部の高さを約０．７ｍｍにした
ものである。第３の発明においては、流路形成部材の厚
みが凸部の高さより十分に薄いので、外部環境の温度変
化により台座の温度が変化しても台座による流量検出素
子への熱的影響をより一層軽減する。流路用溝は、深さ
が凸部の高さと等しく、流体を良好に流す。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るフ
ローセンサの一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同
フローセンサの断面図、図３は流量検出素子と流路形成
部材の斜視図である。

【００１６】これらの図において、全体を符号１で示す
フローセンサは、ケース２内に封着用ガラス３によって
封着された金属製の台座４および複数本のリードピン５
と、台座４の上面に流路形成部材６を介して設置固定さ
れた流量検出素子７等で構成されている。

【００１７】前記ケース２は、熱膨張係数が小さい金
属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形
成され、基端部外周面に突起９付きのフランジ１０が一
体に設けられ、このフランジ１０が流体１１を流す配管
１２の内壁にシール部材１３を介して密接され、ねじ、
接着剤、溶接等によって固定されている。

【００１８】前記台座４は、熱膨張係数がガラスやセラ
ミックスに近い金属、具体的にはコバールによって細長
い角棒（または円柱）状に形成されてケース２の内部中
央に軸線を略一致させて封着され、上端部が前記封着用
ガラス３を貫通してケース２の上方に突出し、下端部が
同じく封着用ガラス３を貫通してケース２の下方に突出
し、さらに前記配管１２に設けた孔１４より配管１２の
外部に突出している。ただし、台座４としては、下端部
が封着用ガラス３から突出する長いものに限らず、図４
に示すように下端側が封着用ガラス３内に封着されてい
る短いものであってもよい。

【００１９】前記流路形成部材６は、熱膨張係数が前記
台座４よりも小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等
によって前記流量検出素子７と略同一の大きさからなる
正方形のチップ状に形成され、前記台座４の上面に接着
剤等によって固着されている。また、流路形成部材６の
上面には、流体１１の流入、通過を可能にする流路用溝
１５と、４つの凸部１６が設けられ、これらの凸部１６
の上面が前記流量検出素子７の固着面１６ａを形成して
いる。すなわち、流量検出素子７は、凸部１６の上面に
固着されるものである。凸部１６は、すべて同一高さ
で、固着面１６ａが台座４の軸線に対して略垂直な平坦
面に形成されている。

【００２０】前記流路用溝１５は、台座４の４つの辺の
中央に開放するように十字状に形成され、この溝部以外
の部分が前記凸部１６を構成し、台座４の上面の四隅部
にそれぞれ位置している。

【００２１】このような流路形成部材６は、１辺の長さ
Ｌが約１．５ｍｍ、厚さＷが約０．３ｍｍ、凸部１６の
高さ（＝流路用溝１５の深さ）Ｈ1 が約０．７ｍｍ、凸
部１６の一辺の長さＬ1 が０．３ｍｍ程度の微小な角形
チップとされる。

【００２２】前記流路形成部材６の流路用溝としては、
図３に示した十字状の溝１５に限らず、図５に示すよう
に流体１１の流れ方向と平行な直線状の溝２０であって
もよい。すなわち、図５に示す直線状の流路用溝２０
は、流路形成部材６の一方の対角線上の角部に開放する
ように形成した溝で、流体１１の流れ方向と直交する対
角線上の角部に三角柱からなる未加工部分をそれぞれ残
し、これらの未加工部分を流量検出素子７が設置される
凸部２１としている。

【００２３】このような流路形成部材６の製作に際して
は、１つずつ製作することも可能ではあるが、それでは
通路用溝１５（２０）の加工が面倒で製造コストが高く
なることから、図６に示すように１枚の大きな素材２５
をダイシングすることにより複数個の流路形成部材６を
同時に形成する。すなわち、ガラス、セラミックス、合
成樹脂等によって平板状に形成され、上下面が平行に研
磨された所定の厚さの素材２５を用意する。この素材２
５の表面を研削して所定深さの流路用溝１５を格子状に
形成し、未加工部分を凸部１６（１６ａ，１６ｂ，１６
ｃ）とする。次に、この素材２５を縦方向と横方向の切
断線２６に沿ってダイシングすることにより所定の大き
さのチップとし、これを流路形成部材６として用いる。
このようにダイシングによって形成すると、大きさが同
一で品質の揃った複数の流路形成部材６を同時に製作す
ることが可能であるため、製造コストを低減することが
できる。

【００２４】図５に示した直線状の流路用溝２０を有す
る流路形成部材６についても、図７に示すように１枚の
大きな素材２５をダイシングすることにより形成するこ
とができる。すなわち、ガラス、セラミックス、合成樹
脂等によって形成した所定の厚さの素材２５を用意す
る。この素材２５の表面に各辺に対して略４５°傾斜し
た複数の流路用溝２０を研削によって一定の間隔をおい
て形成し、流路用溝２０間の未加工部分を凸部２１とす
る。次に、この素材２５を縦方向と横方向の切断線２６
に沿ってダイシングすることにより所定の大きさのチッ
プとし、これを流路形成部材６として用いる。ダイシン
グに際しては、図５に示した三角形の凸部２１が流路用
溝２０と直交する対角線上の角部にできるようにダイシ
ングする。この場合も、ダイシングによって形成される
ので、大きさが同一で品質の揃った複数の流路形成部材
６を同時に製作することができる。

【００２５】図３において、前記流量検出素子７は、前
記流路形成部材６上に載置され接着剤によって固着され
るシリコン基板３１を有している。シリコン基板３１
は、１辺の長さが１．７ｍｍ程度、厚さが０．５ｍｍ程
度の正方形のチップ状に形成され、中央部分を下面中央
部のエッチングによって薄肉化することによりダイアフ
ラム３２を形成し、またこのダイアフラム３２の上面に
は傍熱型の温度検出手段３３を構成する１つの発熱体
（抵抗ヒータ）３４と、２つの温度センサ３５Ａ，３５
Ｂが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さら
に、シリコン基板３１の上面外周部には、複数の電極パ
ッド３６と配線用金属薄膜３７が薄膜成形技術により前
記発熱体３４、温度センサ３５Ａ，３５Ｂの形成と同時
に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基
板３１の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所
定のパターンにエッチングすることにより形成され、発
熱体３４と温度センサ３５Ａ，３５Ｂが電極パッド３６
に配線用金属薄膜３７を介してそれぞれ電気的に接続さ
れている。また、各電極パッド３６は、前記リードピン
５にボンディングワイヤ３８（図２）を介して電気的に
接続されている。

【００２６】前記２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂは、
発熱体３４を挟んで流体１１の上流側と下流側にそれぞ
れ配列されている。発熱体３４のパターン幅は１０〜１
５μｍ、温度センサ３５Ａ，３５Ｂのパターン幅は５〜
１０μｍである。

【００２７】このような流量検出素子７を備えたフロー
センサ１は、配管１２内に流量検出素子７の上面が流体
１１の流れ方向（矢印方向）と平行になるように取付け
られる。また、取付けに際しては、流体１１の流れを乱
さないようにするために流路用溝１５（または２０）が
流体１１の流れ方向と一致するように取付ける。図３に
示した十字状の流路用溝１５の場合は、流量検出素子７
の２つの対角線のうちのいずれか一方が流体１１の流れ
方向と平行になるように、言い換えれば流路用溝１５が
流体１１の流れ方向に対して略４５°の角度で交差する
ように、配管１２内に取付けることが望ましい。

【００２８】このような構造からなるフローセンサ１に
おいて、通電によって発熱体３４を周囲温度よりもある
一定の高い温度に加熱した状態で流体１１を図３の矢印
方向に流すと、発熱体３４の上流側温度センサ３５Ａと
下流側温度センサ３５Ｂの間に温度差が生じるので、図
８に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または
抵抗値差を検出することにより、流体１１の流速または
流量を計測する。

【００２９】ここで、図８に示す回路は２つの温度セン
サ３５Ａ，３５Ｂを含むブリッジ回路を用いて電圧出力
を供給するものである。この場合、２つの温度センサ３
５Ａ，３５Ｂを用いているので、その温度差により流体
１１の流れの方向をも検出することができる。なお、Ｒ
1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。

【００３０】上記した構造からなるフローセンサ１によ
れば、金属製の台座４と流量検出素子７との間に、熱膨
張係数が小さいガラス、セラミックス等によって形成さ
れた流路形成部材６を介在させたので、外部環境の温度
変化に伴い台座４の温度が変化しても、流量検出素子７
に対する熱的影響を軽減することができ、精度の高い流
量測定を行うことができる。

【００３１】また、流路形成部材６は、厚さが０．３ｍ
ｍ、一辺の長さが約１．５ｍｍ角のチップ状で、凸部１
６の高さ（流路用溝１５の深さ）を０．７ｍｍ程度にす
ると、流体１１が流路用溝１５を良好に流れ、流体１１
との接触面積が増大するので、流体１１の温度が急激に
変化したときでも、これに追従して速やかに流体１１の
温度と等しくなり、より一層精度の高い測定を行うこと
ができる。さらに、流体１１が流路用溝１５を通って流
れると、流路形成部材６によって流れに乱れが生じた
り、渦が発生したりすることがなく、精度の高い測定を
行なうことができる。

【００３２】また、流路形成部材６はダイシングによっ
て形成されているので、同一品質からなる複数個の流路
形成部材を同時にかつ安価に製作することができる。

【００３３】なお、上記した実施の形態においては、発
熱体３４から出た熱による流体１１の空間的温度分布に
流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサ３５
Ａ，３５Ｂで検出する傍熱型のセンサを示したが、これ
に限らず流体１１により発熱体３４の熱が奪われること
による電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流
速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。ま
た、温度センサは２つに限らず、１つであってもよい。
要するに、流量検出素子７としては、流量または流速を
計測し得るものであれば如何なるものであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るフロー
センサは、台座と流量検出素子との間に介在される流路
形成部材の製作が容易で、フローセンサの製造コストを
低減することができ、特に１．５ｍｍ角程度の微小なチ
ップからなる流量検出素子を用いたフローセンサに用い
て好適である。また、外部温度変化による台座からの流
量検出素子に対する熱的影響を軽減することができ、測
定精度を向上させることができる。また、流体と流量検
出素子との接触面積が増大するため、瞬時の流体の温度
変化にも対応でき、一層精度の高い測定を行うことがで
きる。さらに、流路用溝は流体の流れの乱れを少なくす
るので、流量検出素子の周囲に渦が発生せず、より一層
精度の高い測定を行うことができる。第２の発明は、上
記第１の発明において、流路形成部材が約１．５ｍｍ角
のチップ状に形成されているものである。第２の発明に
おいて、流路形成部材は微小なチップであるため、熱容
量が小さく、流体の温度が急激に変化したときでも、迅
速に流体の温度と等しくなる。

【００３５】第３の発明は、上記第１または第２の発明
において、流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量
検出素子が設置される凸部の高さを約０．７ｍｍにした
ものである。第３の発明においては、流路形成部材の厚
みが０．３ｍｍ程度で、凸部の高さより十分に薄いの
で、外部環境の温度変化により台座の温度が変化しても
台座による流量検出素子への熱的影響をより一層軽減す
ることができる。また、流路用溝の深さも深いので、流
量検出素子の下方を流れる流体の流量を多くすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るフローセンサの一実施の形態を
示す外観斜視図である。

【図２】 同フローセンサの断面図である。

【図３】 流量検出素子と流路形成部材の斜視図であ
る。

【図４】 本発明の他の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図５】 流路用溝の他の実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図６】 流路形成部材の製作方法を説明するための図
である。

【図７】 他の流路形成部材の制作方法を説明するため
の図である。

【図８】 流量検出素子の電気回路図である。

【符号の説明】

１…フローセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４
…台座、５…リードピン、６…流路形成部材、７…流量
検出素子、１１…流体、１５…流路用溝、１６…凸部、
２０…流路用溝、２１…凸部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F035 EA04 EA05 EA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の温度を検出する温度検出手段が設
   けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着され
   る金属製の台座とを備えたフローセンサにおいて、 前記台座と前記流量検出素子との間に、熱膨張係数が前
   記台座より小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等の
   材料からなる流路形成部材を介在させてなり、この流路
   形成部材はダイカットによって形成されており、上面に
   前記温度検出素子が設置される凸部と、流体の流れ方向
   に沿った流路用溝が設けられていることを特徴とするフ
   ローセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のフローセンサにおいて、 流路形成部材が約１．５ｍｍ角のチップ状に形成されて
   いることを特徴とするフローセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のフローセンサに
   おいて、 流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量検出素子が
   設置される凸部の高さが約０．７ｍｍであることを特徴
   とするフローセンサ。