JP2002318148A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構造で台座からの熱の影響を緩
和または遮断し、精度の高い測定を可能にする。 【解決手段】 ケース３内に金属製の台座４とリードピ
ン５を封着用ガラス２によって封着する。台座４の流量
検出素子７が固着される固着面に流路用溝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、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
け方法としては、通常素子を固着面に密接し接着剤によ
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
ことがある。

【０００９】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の影響を緩和または遮断し、
精度の高い測定を可能にしたフローセンサを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、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
台座とを備えたフローセンサにおいて、前記台座の前記
流量検出素子が固着される固着面に流路用溝を前記流体
の流れ方向に沿って設けたものである。

【００１１】本発明において、流路用溝は台座と流量検
出素子との接触面積を少なくする。したがって、外部環
境の温度変化により台座の温度が変化しても、流量検出
素子への熱的影響を軽減することができる。また、流路
用溝の形成により流量検出素子の下面も流体に接触する
ことになるので、瞬時の温度変化にも対応できる。

【００１２】

【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で
ある。

【００１３】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、封着用ガラス２によってケース３内に
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の上面に固着された流量検出素子７等で構成
されている。

【００１４】前記ケース３は、熱膨張係数の小さい金
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が流れる配
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。

【００１５】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
い角棒状に形成されてケース３の中央に軸線を略一致さ
せて配設され、上端部が前記封着用ガラス２を貫通して
ケース３の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス
２を貫通してケース３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。台座４の上面には、流体１１の流入、通過を可能に
する流路用溝１７が形成され、未加工部分が突起１８を
構成している。

【００１６】前記流路用溝１７は、台座４の上面の四隅
部を未加工部分として残し各辺の中央に開放するように
十字状に形成された溝からなり、四隅の未加工部分が四
角柱からなる前記突起１８を構成している。このような
流路用溝１７と突起１８は、研削加工によって容易に形
成することができる。各突起１８の上面は、前記流量検
出素子７の固着面１８ａを構成している。突起１８の固
着面１８ａは全て同一高さで、かつ台座４の軸線に対し
て略垂直な平坦面に形成され、前記流量検出素子７の下
面隅角部が載置され、接着剤によって固着される。

【００１７】前記台座４の上面に形成される流路用溝と
しては、図３に示した十字状の溝１７に限らず、図４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４に示す直線状の流路用
溝２０は、台座４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が設置される突起１８としてい
る。

【００１８】また、流路用溝としては、台座４の４つの
辺のうち流体１１の流れ方向と直交する２つの辺の中央
に開放するように形成した直線状の溝であってもよい。

【００１９】前記リードピン５は封着用ガラス２を貫通
して設けられ、上端が前記流量検出素子７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の外部に突出している。

【００２０】前記流量検出素子７は、前記台座４の固着
面４ａ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、上面中央部に多数の開口部２７ａを
有するダイアフラム２７が形成されている。ダイアフラ
ム２７の下方は、異方性エッチングによって図示しない
空間部が形成されており、前記開口部２７ａを介して流
体１１の流通を可能にしている。なお、このような空間
部の形成は、特公平６−２５６８４号公報に開示されて
おり、従来公知である。

【００２１】前記ダイアフラム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，３２Ｂ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３
１、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５にボンデ
ィングワイヤ２５を介して電気的に接続されている。

【００２２】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。

【００２３】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１７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１７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１７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。

【００２４】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
５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。

【００２５】ここで、図５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。

【００２６】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の上面に流路用溝１７（または２
０）を形成しているので、台座４と流量検出素子７の接
触面積を小さくすることができる。したがって、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。また、流量検出素
子７は、上面のみならず下面も流体１１に接しているの
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。

【００２７】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７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。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るフロー
センサによれば、流量検出素子に対する台座からの熱的
影響を軽減することができるので、測定精度を向上させ
ることができる。また、流量検出素子と流体との接触面
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。

【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】 流路用溝の他の実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図５】 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…封着用ガラス、３…ケース、４
…台座、５…リードピン、７…流量検出素子、１１…流
体、１７…流路用溝、１８…突起、２０…流路用溝、３
０…温度検出手段、３１…発熱体、３２Ａ，３２Ｂ…温
度センサ。

Claims (1)

【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
   る台座とを備えたフローセンサにおいて、 前記台座の前記流量検出素子が固着される固着面に流路
   用溝を前記流体の流れ方向に沿って設けたことを特徴と
   するフローセンサ。