JP2005345346A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 吸引時、吸着時、およびリリース時の３つの状態を正確かつ安定して判別することができる熱式流量センサを提供すること。
【解決手段】 熱式流量センサ１において、ボディ４１に形成された流路空間４４に対し、主流路Ｍとセンサ流路Ｓとの間にメッシュ部５１Ｍが配置されるようにメッシュ板５１を組み込んだ積層体５０を装着して、主流路Ｍを構成する。そして、測定チップ１１に上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、発熱抵抗体Ｒｔ、および流体温度検出抵抗体Ｒｔを設け、電気回路７０により、発熱抵抗体Ｒｈと流体温度検出抵抗体Ｒｔとが一定の温度差になるように制御し、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との温度差に応じた出力信号を最終出力とし、逆方向の流れの場合にはその出力信号をゲイン変更回路８０にて処理したものを最終出力とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、抵抗体（熱線）を用い、双方向において被測定流体の流量を計測可能な熱式流量センサに関する。さらに詳細には、順方向と逆方向とで流量測定の感度を変化させた熱式流量センサに関するものである。特に、電子部品などの吸着・リリース確認に使用するのに好適なものである。

近年、マウンタ等による小型電子部品の吸着およびリリースの確認を行うために、流量センサが使用されている。このような吸着およびリリースの確認を行うためには、双方向の流量を検出することができる流量センサが必要となる。そして、双方向の流量検知が可能な流量センサとしては、例えば、特開２００２−５７１７号公報に記載されたものがある。

ところが、特開２００２−５７１７号公報に記載された流量センサでは、図１９に示すように、出力特性がリニアでないという問題があった。このように出力特性がリニアでないと、ノズルの目詰まり管理などを行うことができなかった。なお、出力特性をリニアにするためには、例えば、特開２００１−１６５７３４号公報に記載されているように、演算回路を用いればよいが、別途そのための演算回路を設ける必要がありコスト面で不利になる。

また、特開２００２−５７１７号公報に記載された流量センサでは、図２０に示すように、乱流の影響により出力が不安定になるという問題もあった。出力が不安定になると、吸着確認の閾値を低めに設定しなければならない。ところが、吸着確認においては微少の流量変化を検知しているため、閾値を低めに設定すると、正常状態で吸着されずに正常吸着時の流量よりも小さくなった場合であっても、正常に吸着されていると判断されてしまう。つまり、吸着確認を精度良く行うことができなかった。なお、このような出力のふらつきは、電気的なフィルタを入れることにより解消することはできるが、応答性が損なわれてしまい好ましくない。

そこで、本出願人は、特願２００２−１５５０２１にて、双方向の流量検知ができるとともに、出力特性をリニアにすることができ、かつ応答性を損なうことなく安定した出力を得ることができる熱式流量センサを提案した。

特開２００２−５７１７号公報（第５頁、第１図）

しかしながら、本出願人が特願２００２−１５５０２１にて提案した熱式流量センサを吸着およびリリースの確認に使用した際、外来電気ノイズや配管部のフィルタの目詰まり等で各動作時の出力電圧レベルが変動した場合には次の問題点が生じることが判明した。ここで、部品吸着時は吸着ノズルから部品が脱落するのを防止するため、吸引力を引き出すために真空ポンプの出力を高くして、例えば、吸引時に多量の流体がセンサ部を通過するので、吸着時（流量ゼロ）との出力電圧差は大きくなり、吸引状態と吸着状態との判別がしやすくなる。

ところが、リリース時（センサには吸引方向と逆方向に流体を流す）は、部品を流体の力で吹き飛ばすことなく所定の位置に静かに置く必要があるため、流体圧力を下げて流量を絞る方策が採られている。そうすると、吸着時とリリース時との出力電圧差が小さくなり、吸着状態とリリース状態との判別がしにくくなるのである。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、吸引時、吸着時、およびリリース時の３つの状態を正確かつ安定して判別することができる熱式流量センサを提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る熱式流量センサは、双方向で被測定流体の流量を測定可能な熱式流量センサにおいて、被測定流体の流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路と、前記センサ流路に対するバイパス流路と、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路と、被測定流体が特定方向に流れた場合に前記電気回路から出力される電気信号のゲインを大きくするゲイン変更手段とを有し、前記バイパス流路は、前記電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、微細加工した薄板を複数枚積層した積層体を介して、側面開口部を塞ぐようにして密着させることにより形成され、前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、抵抗体用電極と電気回路用電極とを接着して基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成されており、前記測定チップには、流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体と、が備わり、前記電気回路は、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御し、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に応じた電圧を出力して前記スパン変更回路に入力することを特徴とするものである。
なお、本明細書における「側面開口部」とは、ボディの側面（言い換えると、入出力ポートが開口していない面）であって基板が装着される面に開口した開口部を意味する。また、微細加工には、エッチング加工、パンチング加工、プレス加工など薄板に対して微細な加工を施せる加工方法が含まれる。

この熱式流量センサでは、流量センサに流れ込んだ被測定流体は、抵抗体が架設されたセンサ流路と、センサ流路に対するバイパス流路とに分流される。そして、抵抗体を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被測定流体の流量、ひいては熱式流量センサの内部を流れる被測定流体の流量が測定される。具体的には、電気回路により、発熱抵抗体と流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御され、上流温度検出抵抗体と下流温度検出抵抗体との温度差に基づき被測定流体の流量が測定される。このため、順方向の流れの場合には出力が増加し、逆方向の流れの場合には出力が減少する。したがって、被測定流体の流れ方向を検知することができる。

また、バイパス流路は、抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、微細加工した薄板を複数枚積層した積層体を介して、側面開口部を塞ぐようにして密着させることにより形成されているため、積層体の構成（各薄板の組み合わせ）を変更してバイパス流路の断面積を変化させることができる。そして、バイパス流路の断面積が変化すると、センサ流路とバイパス流路とに分流する被測定流体の割合（バイパス比）が変化する。したがって、積層体の構成を変更することにより、最適な測定レンジを設定することができるので、別途演算回路を設けなくてもリニアな出力特性を得ることができる。

ここで、電気回路から出力された電気信号はゲイン変更手段に入力される。このとき、被測定量体が特定方向（順方向あるいは逆方向のいずれか一方）に流れた場合には、ゲイン変更手段により、電気信号が増幅されて出力される。言い換えると、被測定流体が特定方向に流れる場合にセンサの感度が高められるのである。これにより、例えば、部品を吸引する際に被測定流体が流れる方向と、部品をリリースする際に被測定流体が流れる方向（吸引時と逆方向）とで出力信号のゲインを変化させることができる。そして、リリース側で出力信号のゲインが大きくなるようにおくことにより、リリース時に流量を絞っても正確にリリース状態を判別することができる。

そして、前記ゲイン変更手段は、前記電気回路からの電気信号を検出する比較回路と、電気信号の出力先を切り換えるスイッチと、電気信号の出力を増幅する増幅回路と、を含んでいればよい。

これにより、ゲイン変更手段を非常に簡単な回路で構成することができるので、大幅なコストアップを伴うことなく、吸引時、吸着時、およびリリース時の３つの状態を正確かつ安定して判別することができる。

また、前記増幅回路は、電気信号の増幅率を外部から調整可能であることが好ましい。
こうすることにより、用途に応じて流量に対する電気信号の出力値を使用者側で簡単に設定することができるからである。

そして、本発明に係る熱式流量センサにおいて、バイパス比を変更する場合には、積層体を、薄板の両端に開口部が形成されるとともに、中央に溝が形成された溝付両端開口板を介してメッシュ板を積層したものにすればよい。さらに、積層体に、薄板の両端に開口部が形成された両端開口板を含めてもよい。これらにより、バイパス流路の断面積を減少させることができ、バイパス比を変更することができる。

また、本発明に係る熱式流量センサにおいては、積層体に、薄板の両端にメッシュが形成されたメッシュ板が含まれていることが好ましい。また、本発明に係る熱式流量センサにおいては、積層体は、薄板の縁部を残してその他の部分を開口させたスペーサを介してメッシュ板を積層したものであることが望ましい。

メッシュが形成されたメッシュ板を含めて積層体を形成することにより、非常に流れが整えられた被測定流体を、センサ流路に流し込むことができるからである。なぜなら、被測定流体は、メッシュを通過することにより、流れの乱れが減少するからである。したがって、積層体には複数枚のメッシュ板を含めるのがよい。そして、この場合には、各メッシュ板を直接重ねるよりも、所定の間隔をとって重ねる方がよい。より大きな整流効果を得ることができるからである。このため、メッシュ板は、スペーサを介して積層するのが望ましいのである。

このようにして、本発明に係る熱式量計では、センサ流路を流れる被測定流体の流れを整えることができるので、非常に安定した出力を得ることができる。また、電気的なフィルタを用いないので、応答性が損なわれることもない。

本発明に係る熱式流量センサによれば、非常に安定したリニアな出力が得られ、しかも特定方向（例えば、リリース時における被測定量体の流れ方向）においては出力信号のゲインが大きく設定することができるので、吸引時、吸着時、およびリリース時の３つの状態を正確かつ安定して判別することができる。

以下、本発明の熱式流量センサを具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態に係る熱式流量センサは、高速応答性、高感度、リニアな出力特性、および双方向検知が要求される流量センサ、例えば半導体チップマウンティング時のハンドリングにおける吸引、吸着、およびリリースの各状態の判別を行うために使用するのに好適なものである。

本実施の形態に係る熱式流量センサの概略構成を図１に示す。図１は、熱式流量センサ１を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る熱式流量センサ１は、ボディ４１とセンサ基板２１と積層体５０とを有するものである。そして、積層体５０がボディ４１の流路空間４４に装着された状態で、センサ基板２１がシールパッキン４８を介しボディ４１にネジ固定で密着されている。これにより、センサ流路Ｓ、およびセンサ流路Ｓに対するバイパス流路である主流路Ｍが形成されている。

ボディ４１は、図２および図３に示すように、直方体形状のものであり、左右対称に構成されている。なお、図２は、ボディ４１を示す平面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。このボディ４１には、両端面に入口ポート４２と出口ポート４６とが形成されている。そして、入口ポート４２からボディ中央に向かって入口流路４３が形成され、同様に出口ポート４６からボディ中央に向かって出口流路４５が形成されている。なお、入口流路４３および出口流路４５は、主流路Ｍの下方に形成されている。つまり、入口流路４３および出口流路４５は主流路Ｍに対して、同一直線上には配置されていない。

また、ボディ４１の上部には、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓを形成するための流路空間４４が形成されている。この流路空間４４の横断面は、長方形の両短辺を円弧状（半円）にした形状になっており、その中央部に円弧状の凸部４４Ｃが形成されている。凸部４４Ｃは、積層体５０（各薄板）の位置決めを行うためのものである。そして、流路空間４４の下面の一部が入口流路４３および出口流路４５に連通している。すなわち、入口流路４３と出口流路４５とがそれぞれ９０度に屈曲したエルボ部４３Ａと４５Ａを介して流路空間４４に連通されている。さらに、流路空間４４の外周に沿うようにボディ４１の上面には、シールパッキン４８を装着するための溝４９が形成されている。

積層体５０は、図４に示すように、２種類の薄板を合計１１枚積層したものである。なお、図４は、積層体５０の構造を示す分解斜視図である。この積層体５０は、下から順に、メッシュ板５１、スペーサ５２，５２，５２、メッシュ板５１、スペーサ５２，５２、メッシュ板５１、スペーサ５２，５２、およびメッシュ板５１が積層されて接着されたものである。これらメッシュ板５１およびスペーサ５２は、ともに厚さが０．５ｍｍ以下であり、エッチングにより各形状の加工（マイクロマシニング加工）がなされたものである。そして、その投影形状は流路空間４４の横断面形状と同じになっている。これにより、積層体５０が流路空間４４に隙間なく装着されるようになっている。

そして、このような組み合わせの積層体５０を流路空間４４に装着することにより、熱式流量センサ１のフルスケール流量が５Ｌ／ｍｉｎとなっている。つまり、積層体５０を構成する薄板の形状（組み合わせ）を変更することにより、主流路Ｍの断面積が変化し被測定流体のバイパス比が変わるので、任意の流量レンジを設定することができるのである。なお、フルスケール流量を変更した例（フルスケール流量１Ｌ／ｍｉｎ）については後述する。

ここで、個々の薄板について説明する。まず、メッシュ板５１について、図５、図６を用いて説明する。なお、図５（ａ）はメッシュ板５１を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図６は、メッシュ板５１のメッシュ部５１Ｍの拡大図である。メッシュ板５１は、図５に示すように、その両端にメッシュ部５１Ｍが形成された厚さが０．３ｍｍの薄板である。メッシュ部５１Ｍは、直径４ｍｍの円形状であり、図６に示すように、メッシュを構成する孔（直径０．２ｍｍ）の中心間距離がすべて０．２７ｍｍとなるように形成されている。すなわち、各孔の中心が正三角形の各頂点となるように孔が形成されている。なお、メッシュ部５１Ｍの厚さは、図５（ｂ）に示すように他の部分よりも薄くなっており、その厚さは、０．０５〜０．１ｍｍとなっている。

次に、スペーサ５２について、図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）は、スペーサ５２を示す平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。スペーサ５２は、図７に示すように、外周部５２Ｂを残すようにエッチング加工されたものである。これにより、スペーサ５２には、開口部６１が形成されている。なお、スペーサ５２の厚さは、０．５ｍｍである。

ここで、図１に戻って、上記したメッシュ板５１およびスペーサ５２を組み合わせて、図４に示すように積層して接着した積層体５０を流路空間４４に装着することにより、主流路Ｍが形成されている。より詳細に言うと、スペーサ５２の開口部６１により主流路Ｍが形成されている。また、メッシュ板５１に設けられたメッシュ部５１Ｍと、スペーサ５２に設けられた開口部６１とによって、連絡流路５，６が形成されている。連絡流路５は、入口流路４３と主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓとを連通させるものであり、連絡流路６は、出口流路４５と主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓとを連通させるものである。

そして、主流路Ｍとセンサ流路Ｓとの間に、メッシュ部５１Ｍが３層配置されている。各メッシュ部５１Ｍの間隔は、２枚のスペーサ５２の厚さ分（１．０ｍｍ）になっている。これにより、流れが整えられた被測定流体を、センサ流路Ｓに流し込むことができるようになっている。被測定流体は、各メッシュ部５１Ｍを通過するたびに、流れの乱れを減少させられるからである。さらに、エルボ部４３Ａ，４５Ａと流路空間４４（主流路Ｍ）との連通部にもメッシュ部５１Ｍが配置されている。

一方、センサ基板２１は、測定流量を電気信号として出力するものである。このためセンサ基板２１には、図８に示すように、ベースとなるプリント基板２２の表面側（ボディ４１への装着面側）において、その中央部に溝２３が加工されている。そして、この溝２３の両側に、電気回路用電極２４，２５，２６，２７，２８，２９が設けられている。一方、プリント基板２２の裏面側には、電気素子３１、３２、３３、３４などで構成される電気回路およびゲイン変更回路が設けられている（図１参照）。そして、プリント基板２２の中で、電気回路用電極２４〜２９が電気素子３１〜３４などで構成される電気回路と接続されている。さらに、プリント基板２２の表面側には、後述するようにして、測定チップ１１が実装されている。

ここで、測定チップ１１について、図９を用いて説明する。なお、図９は、測定チップ１１を示す平面図である。測定チップ１１は、図９に示すように、シリコンチップ１２に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施したものであり、このとき、チップ中央に溝１３が加工されるとともに、抵抗体（熱線）用電極１４，１５，１６，１７、１８，１９がチップ両端に設けられる。

また、このとき、上流温度検出抵抗体Ｒ１が、抵抗体用電極１５，１７から延設されるとともに溝１３の上に架設される。さらに、下流温度検出抵抗体Ｒ２が、抵抗体用電極１７，１９から延設されるとともに溝１３の上に架設される。さらにまた、発熱抵抗体Ｒｈが、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との間に、抵抗体用電極１６，１８から延設されるとともに溝１３の上に架設される。また、測定チップ１１においては、センサ流路Ｓの順方向上流側に流体温度検出抵抗体Ｒｔが、抵抗体用電極１４，１６から延設される。

そして、測定チップ１１の熱線用電極１４，１５，１６，１７，１８，１９を、センサ基板２１の電気回路用電極２４，２５，２６，２７，２８，２９（図８参照）のそれぞれと、半田リフロー又は導電性接着剤などで接合することによって、測定チップ１１をセンサ基板２１に実装している。したがって、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１に設けられた流体温度検出抵抗体Ｒｔ、上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、および発熱抵抗体Ｒｈは、測定チップ１１の抵抗体用電極１４〜１９と、センサ基板２１の電気回路用電極２４〜２９（図８参照）とを介して、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路７０に接続されることになる。そして、電気回路７０は、図１０に示す定温度差回路７１と、図１１に示す出力回路７２とを備えている。また、この電気回路７０には、図１２に示すように、ゲイン変更回路８０が接続されている。

ここで、図１０に示す定温度差回路７１は、発熱抵抗体Ｒｈを、流体温度検出抵抗体Ｒｔで検出される流体温度と一定の温度差をもつように制御するための回路である。また、図１１に示す出力回路７２は、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との温度差に相当する電圧値を出力するための回路である。この出力回路７２では、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２とが直列に接続され、定電圧Ｖｃが印可されるようになっている。そして、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との中点電位Ｖｏｕｔが出力されるようになっている。そして、中点電位Ｖｏｕｔは電圧増幅回路７３により増幅されたものが流量出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力される。

なお、本実施の形態では、出力回路７２において、流量ゼロ時にＶｏｕｔ１＝３Ｖ、順方向に最大流量が流れた時にＶｏｕｔ１＝５Ｖ、逆方向に最大流量が流れた時にＶｏｕｔ１＝１Ｖとなるように設定されている。

そして、ゲイン変更回路８０は、図１２に示すように、スイッチ８１，８２，８３，８４と、電圧増幅回路８５と、電圧比較回路８６と、インバータＩＣ８７とを備えた回路である。ここで、電圧比較回路８６は、コンパレータＩＣと抵抗器等で構成され、入力電圧値（Ｖｏｕｔ１）が基準電圧値より低い場合に出力が「Ｈ」レベルとなり、基準電圧値よりも高い場合に出力が「Ｌ」レベルとなるように設定されている。なお、本実施の形態では、基準電圧値は３Ｖに設定されている。各スイッチ８１〜８４は、Ｐ端子に「Ｈ」レベルの信号が入力されるとＯＮし、Ｐ端子に「Ｌ」レベルの信号が入力されるとＯＦＦするようになっている。

また、電圧増幅回路８５は、オペアンプＩＣと抵抗器等で構成された非反転増幅式の増幅回路であり、入力電圧値（Ｖｏｕｔ１）を予め定められた増幅率で増幅させたものを出力するようになっている。例えば、増幅率が１０倍に設定されている場合には、入力電圧値が０．１Ｖ変化したとき、出力電圧値が１Ｖとなる。ここで、電圧増幅回路８５における増幅率は、外部から調整することができるようになっている。これにより、用途に応じて流量に対する出力値（Ｖｏｕｔ２）を使用者側で簡単に設定することができる。なお、本実施の形態では、電圧増幅回路８５における増幅率は１０倍に設定されている。

また、インバータＩＣ８７は、出力を反転させるものであり、例えば、「Ｌ」レベルの信号が入力された場合には、「Ｈ」レベルの信号を出力するようになっている。

このようなゲイン変更回路８０では、出力回路７２からの出力が３〜５Ｖ（順方向の流れ）の場合、電圧比較回路８６から「Ｌ」レベルの信号が出力される。このため、スイッチ８１，８２はＯＦＦとなり、スイッチ８３，８４はＯＮとなる。その結果、ゲイン変更回路８０からの出力Ｖｏｕｔ２は、出力回路７１からの出力がそのまま出力される（Ｖｏｕｔ２＝Ｖｏｕｔ１）。

一方、出力回路７２からの出力が１〜３Ｖ（逆方向の流れ）の場合、電圧比較回路８６から「Ｈ」レベルの信号が出力される。このため、スイッチ８１，８２はＯＮとなり、スイッチ８３，８４はＯＦＦとなる。その結果、ゲイン変更回路８０からの出力Ｖｏｕｔ２は、出力回路７１からの出力（Ｖｏｕｔ１）が電圧増幅回路８５により予め定められた増幅率で増幅されたものが出力される。

そして、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１の溝１３は、センサ基板２１の溝２３と重なり合う。よって、図１に示すように、測定チップ１１が実装されたセンサ基板２１を、ボディ４１に対して、積層体５０およびシールパッキン４８を介して密着すると、ボディ４１の流路空間４４において、センサ基板２１と測定チップ１１との間に、測定チップ１１の溝１３やセンサ基板２１の溝２３などからなる細長い形状のセンサ流路Ｓが形成される。そのため、センサ流路Ｓには、流体温度検出抵抗体Ｒｔ、上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、および発熱抵抗体Ｒｈが橋を渡すように設けられることになる。

次に、上記した構成を有する熱式流量センサ１の作用について説明する。熱式流量センサ１においては、順方向の流れの場合（吸引時）には、入口ポート４２を介して入口流路４３へ流れ込んだ被測定流体は、流路空間４４にて、主流路Ｍへ流れ込むものと、センサ流路Ｓへ流れ込むものとに分流される。そして、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓから流れ出した被測定流体は、合流して、出口流路４５を介して出口ポート４６からボディ４１の外部に流れ出す。

一方、逆方向の流れの場合（リリース時）には、出口ポート４６を介して出口流路４５へ流れ込んだ被測定流体は、流路空間４４にて、主流路Ｍへ流れ込むものと、センサ流路Ｓへ流れ込むものとに分流される。そして、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓから流れ出した被測定流体は、合流して、入口流路４３を介して入口ポート４２からボディ４１の外部に流れ出す。

ここで、被測定流体が順方向あるいは逆方向のいずれの方向に流れても、センサ流路Ｓへ流れ込む被測定流体は、積層体５０内における３層のメッシュ部５１Ｍを通過した後に、センサ流路Ｓに流れ込む。したがって、非常に流れが整えられた状態の被測定流体が、センサ流路Ｓを流れる。

そして、センサ流路Ｓを流れる被測定流体は、センサ流路Ｓに橋設された発熱抵抗体Ｒｈから熱を奪う。そうすると、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路７０（定温度差回路７１）により、流体温度検出抵抗体Ｒｔと発熱抵抗体Ｒｈとが一定の温度差になるように制御される。

また、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路７０（出力回路７２）により、直列に接続され定電圧Ｖｃが印可された上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との中点電位Ｖｏｕｔが算出される。このとき、被測定流体が順方向の流れの場合には、上流温度検出抵抗体Ｒ１の温度（抵抗値）が低下し、下流温度検出抵抗体Ｒ２の温度（抵抗値）が増加するため、中点電位Ｖｏｕｔが増加する。一方、被測定流体が逆方向の流れの場合には、上流温度検出抵抗体Ｒ１の温度（抵抗値）が増加し、下流温度検出抵抗体Ｒ２の温度（抵抗値）が低下するため、中点電位Ｖｏｕｔは低下する。このため、被測定流体の流れ方向を検知することができる。

そして、ゲイン変更回路８０からの出力Ｖｏｕｔ２が流量センサ１の測定信号として出力される。ここで、被測定流体が順方向の流れの場合、つまり吸引時には、出力回路７２からの出力Ｖｏｕｔ１が測定信号として出力される。一方、被測定流体が逆方向の流れの場合、つまりリリース時には、ゲイン変更回路８０により出力回路７２からの出力Ｖｏｕｔ１が予め定められた増幅率（本実施の形態では１０倍）で増幅されたものが測定信号として出力される。

このときの出力の一例を、図１３に示す。図１３は、流量と出力電圧との関係を示したものである。図１３から明らかなように、被測定流体が順方向に流れた場合（吸引時）には、流量が大きくなるにつれて出力が大きくなる。逆に、被測定流体が逆方向に流れた場合（リリース時）には、流量が大きくなるにつれて出力が小さくなる。そして、被測定流体が逆方向に流れた場合（リリース時）のセンサ感度が高められている。これにより、リリース時に流量を絞ったとしても、確実にリリースの状態を判別することができる。また、熱式流量センサ１では、リニアな出力特性を得ることができる。これらのことから、熱式流量センサ１を使用することにより、吸引時、吸着時、およびリリース時の状態判別を安定して行うことができる。

続いて、フルスケール流量を１Ｌ／ｍｉｎとした場合について説明する。そこで、フルスケール流量が１Ｌ／ｍｉｎの熱式流量センサの概略構成を図１４に示す。図１４は、熱式流量センサ１Ａを示す断面図である。図１４に示すように、熱式流量センサ１Ａは、熱式流量センサ１とほぼ同様の構成を有するものであるが、流路空間４４に積層体５０の代わりに積層体５０Ａが装着されている点が異なる。すなわち、熱式流量センサ１Ａには、主流路Ｍの断面積を小さくするための積層体５０Ａが流路空間４４に装着されている。このため、熱式流量センサ１と異なる点を中心に説明し、熱式流量センサ１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。

そこで、積層体５０Ａについて、図１５を用いて説明する。なお、図１５は、積層体５０Ａの構造を示す分解斜視図である。積層体５０Ａは、図１５に示すように、３種類の薄板を合計１１枚積層したものである。すなわち、下から順に、メッシュ板５１、両端開口板５３、溝付両端開口板５６、メッシュ板５１、溝付両端開口板５６，５６、メッシュ板５１、溝付両端開口板５６，５６，５６、およびメッシュ板５１が積層されて接着されたものである。すなわち、積層体５０Ａは、積層体５０におけるスペーサ５２の代わりに、両端開口板５３と溝付両端開口板５６を用いたものである。

ここで、両端開口板５３について、図１６を用いて説明する。なお、図１６（ａ）は両端開口板５３を示す平面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。両端開口板５３は、図１６に示すように、外周部５３Ｂと中央部５３Ｄとを残すようにエッチング加工されたものである。これにより、両端開口板５３には、その両端に開口部６３が形成されている。なお、両端開口板５３の厚さは、０．５ｍｍである。

また、溝付両端開口板５６について、図１７を用いて説明する。なお、図１７（ａ）は溝付両端開口板５６を示す平面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図１７（ｃ）は図１７（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。溝付両端開口板５６は、図１７に示すように、外周部５６Ｂと中央部５６Ｄとを残し、中央部５６Ｄに溝５６Ｅが形成されるようにエッチング加工されたものである。すなわち、溝付両端開口板５６は、両端開口板５３の中央部５３Ｄ（図１６参照）に溝５６Ｅを設けたものである。そして、中央部５６Ｄには、片面に３本の溝５６Ｅが形成されている。この溝５６Ｅの深さは０．３５ｍｍであり、溝５５Ｅの幅は１．１ｍｍである。そして、隣り合う溝の間隔は０．２ｍｍとなっている。なお、溝付両端開口板５６の厚さは、０．５ｍｍである。

これらメッシュ板５１、両端開口板５３、および溝付両端開口板５６を、図１５に示すように積層して接着した積層体５０Ａをボディ４１に形成された流路空間４４に装着することにより、図１４に示すように、両端開口板５３の中央部５３Ｄ、および溝付両端開口板５６の中央部５６Ｄによって、主流路Ｍの断面積が減少している。これにより、被測定流体のバイパス比が変化しフルスケール流量が１Ｌ／ｍｉｎとなるようにされている。このように、積層体の構成を変更することにより、任意の流量レンジを設定することができるようになっているのである。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る熱式流量センサ１によれば、ボディ４１に形成された流路空間４４に積層体５０を装着して、主流路Ｍを構成することにより、被測定流体の最適なバイパス比を設定することができるため、リニアな出力特性を得ることができる。また、積層体５０には、主流路Ｍとセンサ流路Ｓとの間に配置される３層のメッシュ部５１Ｍが備わっている。これにより、センサ流路Ｓに流れ込む被測定流体の流れが整えられる。したがって、非常に安定した出力を得ることができる。

さらに、測定チップ１１に上流温度検出抵抗体Ｒ１、下流温度検出抵抗体Ｒ２、発熱抵抗体Ｒｔ、および流体温度検出抵抗体Ｒｔを設け、電気回路７０により、発熱抵抗体Ｒｈと流体温度検出抵抗体Ｒｔとが一定の温度差になるように制御し、上流温度検出抵抗体Ｒ１と下流温度検出抵抗体Ｒ２との温度差に基づき被測定流体の流量を測定する。そして、出力回路７２からの出力Ｖｏｕｔ１をゲイン変更回路８０にて処理したものを最終的な出力とする。これにより、被測定流体が逆方向に流れた場合（リリース時）のセンサ感度が高められるので、リリース時に流量を絞ったとしても、確実にリリースの状態を判別することができる。したがって、熱式流量センサ１を使用することにより、吸引時、吸着時、およびリリース時の状態判別を正確かつ安定して行うことができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態においては、ゲイン変更手段を回路で構成しているが、図１８に示すように、マイクロコンピュータ９０を出力回路７２に接続して、マイクロコンピュータ９０にてプログラムソフトによる処理を行うようにしてもよい。また、ゲイン変更手段は、電気回路７０内に予め組み組んでおくこともできるし、後から別付けすることもできる。

さらに、上記した実施の形態では、積層体として２種類のものを例示したが、これだけに限られず、各薄板５１，５２，５３，５６を任意に組み合わせて積層体を構成することができる。これにより、フルスケール流量を任意に変更することができる。

さらに、上記した実施の形態では、各薄板の形状を得るためにエッチング加工を用いてるが、エッチング加工の他、パンチング加工やプレス加工など各薄板の形状を得られるものであれば加工方法は問わない。

実施の形態に係る熱式流量センサ（フルスケール流量５Ｌ／ｍｉｎ）の概略構成図である。 ボディの平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す積層体の分解斜視図である。 メッシュ板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 図５のメッシュ部の拡大図である。 スペーサを示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 センサ基板の斜視図である。 測定チップの平面図である。 定温度差回路の回路図である。 出力回路の回路図である。 ゲイン変更回路の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る熱式流量センサの出力特性を示す図である。 別の形態に係る熱式流量センサ（フルスケール流量１Ｌ／ｍｉｎ）の概略構成図である。 図１４に示す積層体の分解斜視図である。 両端開口板を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図である。 溝付両端開口板を示す図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）がＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）がＢ−Ｂ断面図である。 ゲイン変更手段の別構成を示す図である。 双方向検知ができる従来の熱式流量センサの出力特性を示す図である。 双方向検知ができる従来の熱式流量センサの時間に対する出力特性を示す図である。

符号の説明

１ 熱式流量センサ
１１ 測定チップ
１３ 測定チップの溝
１４，１５，１６，１７，１８，１９ 抵抗体用電極
２１ センサ基板
２３ センサ基板の溝
２４，２５，２６，２７，２８，２９ 電気回路用電極
３１，３２，３３，３４ 電気素子
４１ ボディ
４４ 流路空間
５０ 積層体
５１ メッシュ板
５１Ｍ メッシュ部
５２ スペーサ
５３ 両端開口板
５６ 溝付両端開口板
５６Ｅ 溝
７０ 電気回路
８０ ゲイン変更回路
Ｍ 主流路（バイパス流路）
Ｒ１ 上流温度検知抵抗体
Ｒ２ 下流温度検知抵抗体
Ｒｈ 発熱抵抗体
Ｒｔ 流体温度検知抵抗体
Ｓ センサ流路

Claims (7)

1. 双方向で被測定流体の流量を測定可能な熱式流量センサにおいて、
   被測定流体の流量を計測するための抵抗体が架設されたセンサ流路と、
   前記センサ流路に対するバイパス流路と、
   抵抗体を用いた計測原理を行うための電気回路と、
   被測定流体が特定方向に流れた場合に前記電気回路から出力される電気信号のゲインを大きくするゲイン変更手段とを有し、
   前記バイパス流路は、前記電気回路に接続する電気回路用電極が表面に設けられた基板を、側面開口部を備える流体流路が形成されたボディに対し、微細加工した薄板を複数枚積層した積層体を介して、側面開口部を塞ぐようにして密着させることにより形成され、
   前記センサ流路は、抵抗体とその抵抗体に接続する抵抗体用電極とが設けられた測定チップを、抵抗体用電極と電気回路用電極とを接着して基板に実装することにより、前記測定チップあるいは前記基板の少なくとも一方に設けられた溝によって形成されており、
   前記測定チップには、
   流れ方向上流側に設けられた上流温度検出抵抗体と、
   流れ方向下流側に設けられた下流温度検出抵抗体と、
   前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との間に設けられ、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体とを加熱する発熱抵抗体と、
   被測定流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体と、
   が備わり、
   前記電気回路は、前記発熱抵抗体と前記流体温度検出抵抗体とが一定の温度差になるように制御し、前記上流温度検出抵抗体と前記下流温度検出抵抗体との温度差に応じた電気信号を出力して前記ゲイン変更手段に入力することを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１に記載する熱式流量センサにおいて、
   前記ゲイン変更手段は、
   前記電気回路からの電気信号を検出する電圧比較回路と、
   電気信号の出力先を切り換えるスイッチと、
   電気信号の出力を増幅する増幅回路と、
   を含むことを特徴とする熱式流量センサ。
3. 請求項２に記載する熱式流量センサにおいて、
   前記増幅回路は、電気信号の増幅率を外部から調整可能であることを特徴とする熱式流量センサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する熱式流量センサにおいて、
   前記積層体に、前記薄板の両端にメッシュが形成されたメッシュ板が含まれていることを特徴とする熱式流量センサ。
5. 請求項４に記載する熱式流量センサにおいて、
   前記積層体は、前記薄板の縁部を残してその他の部分を開口させたスペーサを介して前記メッシュ板を積層したものであることを特徴とする熱式流量センサ。
6. 請求項４に記載する熱式流量センサにおいて、
   前記積層体は、前記薄板の両端に開口部が形成されるとともに、中央に溝が形成された溝付両端開口板を介して前記メッシュ板を積層したものであることを特徴とする熱式流量センサ。
7. 請求項６に記載する熱式流量センサにおいて、
   前記積層体は、前記薄板の両端に開口部が形成された両端開口板を含んでいることを特徴とする熱式流量センサ。

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