JP2002296088A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構造で外部環境の温度変化によ
る熱的影響を少なくし、測定精度を向上させるととも
に、流体の流れの乱れを少なくし渦の発生を防止する。 【解決手段】 流体１１の温度を検出する温度検出手段
６が設置される台座を複数本のピン５で構成し、流量検
出素子６と封着用ガラス３との間に流体１１が通る流路
１７を形成する。

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、抵抗体等の温度
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
面である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
なるように設置して使用される。水平な状態に設置して
使用するのは、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、台座を金属製の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、通常金
属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出
素子の水平な状態での設置が確保される。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接着剤により密接
させて固着していた。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。特に、コバールからなる金属製の台座を
用い、封着用ガラスで封着したフローセンサの場合は、
台座の熱容量、熱伝導率がガラス、セラミックス等に比
べて大きいため、流量検出素子が外部環境の温度変化を
受け易く、また流体の温度が変化したときに流量検出素
子と台座の温度が流体の温度と等しくなるのに時間がか
かる。

【０００９】また、流体が台座に当たると流体の流れに
乱れが生じて渦が発生するため、測定精度を低下させる
という問題もあった。

【００１０】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、比較的
簡単な構造で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。

【００１１】

【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、温度検出手段を有する流量検出素子
と、この流量検出素子が設置される台座と、この台座を
ケース内に封着する封着用ガラスとを備え、前記台座を
複数本のピンで構成し、これらのピンを同一高さになる
ように配置してその上に前記流量検出素子を設置したも
のである。第１の発明においては、複数本の細いピンで
流量検出素子が設置される台座を構成しているので、流
量検出素子とピンとの接触面積が少なく、外部環境の温
度変化によるピンからの流量検出素子への熱的影響を少
なくする。また、ピンは流量検出素子を水平に支持す
る。

【００１２】第２の発明は、上記第１の発明において、
ピンの素子側端部を封着用ガラスの上方に突出させ、前
記封着用ガラスと流量検出素子との間に流体が流れる流
路を形成したものである。第２の発明において、流体は
流路を通り流量検出素子の裏面に接触する。したがっ
て、流量検出素子と流体との接触面積が増大し、流体の
温度が変化したとき、流量検出素子の温度を速やかに流
体の温度と等しくする。また、流体の乱れが少なく、渦
の発生を防止する。

【００１３】

【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は流量検出素子の斜視図、
図４は流量検出素子の電気回路図である。

【００１４】図１および図２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
って封着された複数本のリードピン４およびピン５と、
ピン５の上面５ａに設置され、接着剤によって固着され
た流量検出素子６等で構成されている。

【００１５】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、基端部の外周面に突起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、かつ
ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。

【００１６】前記封着用ガラス３は、前記ケース２の内
部全体にわたって封着され、ケース２の上側開口部を覆
っている。

【００１７】前記リードピン４は、ケース２と同様にコ
バール等の金属によって形成され、前記封着用ガラス３
を貫通し、上端が前記流量検出素子６にボンディングワ
イヤ２５によって電気的に接続され、下端部が前記配管
１２の貫通孔１６から外部に突出している。

【００１８】前記ピン５は、前記流量検出素子６が設置
される台座として用いられるもので、熱膨張係数がガラ
ス、セラミックスに近いコバール等によって形成され、
前記封着用ガラス３を貫通している。また、ピン５は全
て同一高さになるように配設されることにより、全ての
ピン５の上面５ａが水平な同一平面を形成し前記流量検
出素子６が設置されている。ピン５の数は、流量検出素
子６を安定に支持するに十分な本数であれば特に限定さ
れるものではない。本実施の形態においては、４本用い
て流量検出素子６の下面の各角部を支持した例を示して
いるが、例えば５本用いて流量検出素子６の下面の各角
部と中央を支持するようにしてもよい。

【００１９】また、ピン５は上端部が封着用ガラス３の
上方に所定寸法突出して封着されることから、ピン５の
上に流量検出素子６を設置して固定すると、封着用ガラ
ス３の上面と流量検出素子６の裏面との間に隙間が生
じ、この隙間が流体１１の流路１７を形成している。な
お、ピン５の外径は０．３ｍｍ程度、封着用ガラス３か
ら上方に突出する上端部の突出寸法は約０．５ｍｍ程度
である。

【００２０】図３において、前記流量検出素子６は、前
記ピン５の上面５ａに載置され接着剤によって固着され
るシリコン基板２６を有している。シリコン基板２６
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２７を形成し、またこのダイアフラム２７の上面に
は傍熱型の温度検出手段３０を構成する１つの発熱体
（抵抗ヒータ）３１と、２つの温度センサ３２Ａ，３２
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２６の上面外周部には、複数の電極パ
ッド３３と配線用金属薄膜３４が薄膜成形技術により前
記発熱体３１、温度センサ３２Ａ，３２Ｂ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２６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３１と温度センサ３２Ａ，３２Ｂが電極パッド３３
に配線用金属薄膜３４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３３は、前記リードピン
４にボンディングワイヤ２５（図１）を介して電気的に
接続されている。

【００２１】前記２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂは、
発熱体３１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３１のパターン幅は１０〜１
５μｍ、温度センサ３２Ａ，３２Ｂのパターン幅は５〜
１０μｍである。

【００２２】このような流量検出素子６を備えたフロー
センサ１は、配管１２内に流量検出素子６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、かつ
上流側温度センサ３２Ａが下流側温度センサ３２Ｂより
上流側となるように取付けられる。測定に際しては、通
電によって発熱体３１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３１の上流側温度センサ３２Ａと下流側温度
センサ３２Ｂの間に温度差が生じるので、図４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。

【００２３】ここで、図４に示す回路は２つの温度セン
サ３２Ａ，３２Ｂ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
２Ａ，３２Ｂを用いているので、流体１１の流れの方向
を検出することができる利点がある。なお、Ｒ1 ，Ｒ2
は抵抗、ＯＰはオペアンプである。

【００２４】図５に上記構造からなるフローセンサ１の
製作手順を示す。フローセンサ１の製作は、図５（ａ）
に示す焼成用治具６０を用いて行なう。焼成用治具６０
は、ケース２が嵌合し得る多数の穴６２を有する第１の
治具６１と、リードピン４とピン５が貫通する多数のピ
ン用穴６４を有する第２の治具６３と、同じくリードピ
ン４とピン５が貫通する多数のピン用穴６６を有する第
３の治具６５とで構成されている。

【００２５】先ず、リードピン４とピン５を第２の治具
のピン用穴６４に挿通する。ピン用孔６４のうちリード
ピン４が挿入される穴とピン５が挿入され穴の深さは、
等しく設定されているが、必ずしも等しくなくてもよ
い。次に、第１の治具６１を第２の治具６３の上に位置
決めして載置し、リードピン４とピン５の上端部を第１
の治具６１の穴６２内に位置させる（図５（ｂ））。

【００２６】次に、封着用ガラス体６７の穴に前記リー
ドピン４とピン５の上端部を挿通し、封着用ガラス体６
７を第１の治具６１の穴６２にはめ込む（図５
（ｃ））。封着用ガラス体６７は、粉末のガラスをプレ
スで成形して仮焼成することにより、所要の大きさの円
板状に形成されたものである。

【００２７】次に、第１の治具の穴６２にケース２を嵌
挿し、封着用ガラス体６７に嵌合する（図５（ｄ））。

【００２８】次に、第３の治具６５の穴６６にリードピ
ン４およびピン５を挿入して第３の治具６５を第１の治
具６１の上に設置する（図５（ｅ））。

【００２９】次いで、重ね合わされた第１、第２、第３
の治具６１，６３，６５を焼成炉に入れて封着用ガラス
体６７を所定の温度（例：約１０００°Ｃ）で一定時間
加熱溶融して固化させることにより、図２に示した封着
用ガラス３とし、リードピン４とピン５をケース２内に
封着する。しかる後、焼成用治具６０を焼成炉から取り
出して第１、第２、第３の治具６１，６３，６５を分離
すると、リードピン４とピン５が封着用ガラス３によっ
てケース２内に封着された半製品が得られる。

【００３０】次に、ピン５の上面５ａに流量検出素子６
を載置してボンディング剤により固着する。さらに、リ
ードピン４と流量検出素子６の電極パッド３３をボンデ
ィングワイヤ２５によって電気的に接続し、もってフロ
ーセンサ１の製作を終了する。

【００３１】上記した構造からなるフローセンサ１は、
細い複数本のピン５によって流量検出素子６が設置され
る台座を構成したので、熱容量が小さく、また流量検出
素子６との接触面積を著しく小さくすることができる。
したがって、外部環境の温度が変化してもピン５の温度
変化が少なく、流量検出素子６に対する熱的影響を少な
くすることができる。また、ピン５は上端部がケース２
の上方に突出して流体１１中に位置し、流量検出素子６
と封着用ガラス３との間に流路１７を形成しているの
で、流体１１を流量検出素子６の表面のみならず裏面に
も接触させることができ、流体１１の温度が変化したと
き流量検出素子６の温度を速やかに流体１１の温度と等
しくすることができる。さらに、流量検出素子６の下方
に流路１７を設けているので、流体１１が層流に近い状
態で流れて乱れが少なく、渦の発生を少なくすることが
できる。その結果として、精度の高い測定を行うことが
でき、フローセンサ１の測定精度を向上させることがで
きる。

【００３２】なお、上記した実施の形態においては、発
熱体３１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３２
Ａ，３２Ｂ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３１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６としては、流量または流速を
計測し得るものであれば何でもよい。

【００３３】

【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、外部の温度変化による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
が増大することから、流体の温度が急激に変化したとき
でも流量検出素子の温度が流体の温度に追従して変化
し、速やかに流体の温度と等しくすることができる。さ
らに、流体の流れに乱れが生じず、渦の発生を防止する
ことができ、より一層測定精度を向上させることができ
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】 流量検出素子の斜視図である。

【図４】 流量検出素子の電気回路図である。

【図５】 （ａ）〜（ｅ）はフローセンサの製作手順を
説明するための図である。

【符号の説明】

１…フローセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４
…リードピン、５…ピン、６…流量検出素子、１１…流
体、１７…流路。

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度検出手段を有する流量検出素子と、
   この流量検出素子が設置される台座と、この台座をケー
   ス内に封着する封着用ガラスとを備え、前記台座を複数
   本のピンで構成し、これらのピンを同一高さになるよう
   に配置してその上に前記流量検出素子を設置したことを
   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、
   ピンの素子側端部を封着用ガラスの上方に突出させ、前
   記封着用ガラスと流量検出素子との間に流体が流れる流
   路を形成したことを特徴とするフローセンサ。