JP2014102219A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧入によってセンサチップのメンブレンと絞りとの位置合わせの精度が低下してしまうことを抑制することができる流量センサを提供する。
【解決手段】流量センサは、メンブレン１２ｃを有するセンサチップ１２が実装面１１ａの凹部１１ｂに設置されたセンサアセンブリ１１と、一面１５ａに整流用絞り１５ｂを有するカバー１５と、カバー１５をセンサアセンブリ１１の実装面１１ａに固定する接着剤１６と、を備えている。接着剤１６は、メンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとが対向するように、カバー１５をセンサアセンブリ１１の実装面１１ａに固定している。これによると、カバー１５がセンサアセンブリ１１に圧入ではなく接着剤１６で固定されているので、メンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとの位置合わせが圧入の影響を受けることはない。よって当該位置合わせの精度が低下してしまうことを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体の流量を検出するためのセンサチップを備えた流量センサに関する。

従来より、流体の流量を検出するセンサチップが実装されたセンサアセンブリと、このセンサアセンブリが組み付けられると共にセンサチップに流体を供給する流路が形成された筐体と、を備えて構成された流量測定装置が例えば特許文献１で提案されている。

筐体には筐体外部と流路とを繋ぐ貫通孔が形成されており、この貫通孔の壁面に当該壁面から突出したリブが形成されている。そして、センサアセンブリが貫通孔に差し込まれると共にリブによってセンサアセンブリが貫通孔の壁面に押しつけられる。このように、リブの復元力によってセンサアセンブリが筐体に固定されている。

特開２０１１−２５２７９６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、センサチップが実装されたセンサアセンブリが筐体に圧入によって固定されているので、圧入による筐体からセンサアセンブリへの押圧によってセンサアセンブリが歪む。これに伴い、センサチップの歪みが生じ、センシング部の特性変動が発生するという問題がある。

また、筐体にはセンサチップに形成されたメンブレンに対向する位置に整流用の絞り部分が形成されており、筐体に対するセンサアセンブリの圧入によってメンブレンに設けられたセンシング部と絞り部分との位置合わせが行われることが一般的である。しかし、上述のように、圧入によってセンサアセンブリの歪みが生じることにより、センサチップと絞り部分との位置関係にはセンサアセンブリ及び筐体の外形寸法公差やセンサアセンブリにおけるセンサチップマウント精度等の多くの誤差要因が含まれることとなる。このため、圧入後のセンシング部と絞り部分との位置合わせの精度が低下してしまうという問題がある。

ここで、筐体の貫通孔の壁面にリブを対称的に形成することによりセンサアセンブリに対して圧入の歪みが対称的に加わるようにすることも考えられる。しかし、圧入による歪みの発生自体を回避することができない。また、センサアセンブリや筐体の経年劣化により圧入の力の加わり方に変化が生じるため、圧入時にセンシング部と絞り部分との位置合わせの精度が高かったとしても時間の経過と共に位置合わせの精度が低下してしまう。

本発明は上記点に鑑み、圧入によってセンサチップのメンブレンと絞りとの位置合わせの精度が低下してしまうことを抑制することができる流量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面（１２ａ）及び当該表面（１２ａ）の反対側の裏面（１２ｂ）と、裏面（１２ｂ）の一部が表面（１２ａ）側に凹んだことで薄膜化されたメンブレン（１２ｃ）と、を有し、メンブレン（１２ｃ）の上方に流れる流体の流量を検出するセンサチップ（１２）を備えている。

また、実装面（１１ａ）を有し、当該実装面（１１ａ）にセンサチップ（１２）が設置されたセンサアセンブリ（１１）と、一面（１５ａ）を有すると共に、この一面（１５ａ）に、メンブレン（１２ｃ）の上方に流れる流体の流れを絞るための整流用絞り（１５ｂ）を有するカバー（１５）と、メンブレン（１２ｃ）と整流用絞り（１５ｂ）とが対向するように、カバー（１５）をセンサアセンブリ（１１）の実装面（１１ａ）に固定する接着剤（１６）と、を備えていることを特徴とする。

これによると、カバー（１５）とセンサアセンブリ（１１）とが圧入によって組み合わされていないので、メンブレン（１２ｃ）と整流用絞り（１５ｂ）との位置合わせが圧入の影響を受けることはない。また、カバー（１５）は接着剤（１６）を介してセンサアセンブリ（１１）に固定されているので、メンブレン（１２ｃ）と整流用絞り（１５ｂ）との位置合わせの精度が向上する。以上により、圧入によってセンサチップ（１２）のメンブレン（１２ｃ）とカバー（１５）の整流用絞り（１５ｂ）との位置合わせの精度が低下してしまうことを抑制することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る流量センサの断面図である。 図１に示されたセンサ部のうちセンサチップ側の拡大断面図である。 センサ部のセンサアセンブリ側を見たときの平面図である。 カバーの平面図（左欄）と側面図（右欄）である。 センサアセンブリにカバーを取り付ける様子を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るセンサ部のうちセンサチップ側の拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係るカバーの平面図（左欄）と側面図（右欄）である。 第３実施形態において、センサアセンブリの実装面の面方向における流体の流れを模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、流量センサは、センサ部１０と、流路部２０と、樹脂形成部３０と、を備えて構成されている。

センサ部１０は、流体の流量を検出するように構成されたものであり、センサアセンブリ１１と、センサチップ１２と、リードフレーム１３と、保護剤１４と、カバー１５と、接着剤１６と、を備えている。

センサアセンブリ１１はセンサ部１０の母体となるものであり、図２に示されるように実装面１１ａとこの実装面１１ａの一部が凹んだ凹部１１ｂとを有している。実装面１１ａはカバー１５が取り付けられる面である。また、凹部１１ｂはセンサチップ１２が配置される部分である。センサアセンブリ１１は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やエポキシ系樹脂がモールド成形されたものである。

図３のセンサアセンブリ１１の平面図に示されるように、センサアセンブリ１１は保護剤１４が流れ出てしまうことを防止するために実装面１１ａの一部が板状に突出した壁部１１ｃを備えている。各壁部１１ｃの上端面は実装面１１ａの一部である。

センサチップ１２は、図２に示されるように表面１２ａ及び当該表面１２ａの反対側の裏面１２ｂと、裏面１２ｂの一部が表面１２ａ側に凹んだことで薄膜化されたメンブレン１２ｃと、を有する板状の部品である。そして、センサチップ１２はメンブレン１２ｃの上方に流れる流体の流量を検出するように構成されている。このようなセンサチップ１２は、メンブレン１２ｃ側が実装面１１ａ側に位置するようにセンサアセンブリ１１の凹部１１ｂの底面１１ｃに接着剤１１ｄで固定されている。

また、センサチップ１２は、例えばシリコン基板から形成されている。すなわち、メンブレン１２ｃは、ＭＥＭＳ技術によりセンサチップ１２の裏面１２ｂ側の一部がエッチングされることにより形成された薄肉部である。メンブレン１２ｃ上には図示しないヒータ抵抗やヒータ抵抗とは別の抵抗体（測温抵抗）が形成されている。測温抵抗は、ヒータの発熱温度をモニタする抵抗と、ヒータ抵抗の上下流の温度を検出する抵抗がある。ヒータ抵抗の発熱温度は、前記モニタ抵抗により一定の発熱温度になるように制御される。また、ヒータ抵抗の上下流にそれぞれ配置された測温抵抗でブリッジ回路が構成されており、ヒータ抵抗の上下流の温度差によりブリッジ回路の出力が変化し、メンブレン１２ｃの上方に流れる流体の流量が検出されるようになっている。センサチップ１２において、ブリッジ回路が形成された部位がセンシング部に該当する。

さらに、図３に示されるように、センサチップ１２はメンブレン１２ｃが形成された側とは反対側に外部と電気的接続を行うための複数のパッド１２ｄを有している。

リードフレーム１３は、センサチップ１２と外部とを電気的に接続するための端子部品である。図２に示されるように、リードフレーム１３は一部が露出するようにセンサアセンブリ１１にインサート成形されて固定されている。また、図３に示されるように、複数のリードフレーム１３が並べられている。

上記のセンサチップ１２の各パッド１２ｄと対応する各リードフレーム１３とがそれぞれワイヤ１７で接続されている。これによりセンサチップ１２とリードフレーム１３とが電気的に接続されている。

保護剤１４は、ワイヤ１７及びワイヤ１７の接続部を保護する樹脂部材である。保護剤１４は、センサチップ１２のメンブレン１２ｃが露出するように、センサチップ１２の一部、センサチップ１２とリードフレーム１３とを接続するワイヤ１７等を封止している。保護剤１４は、センサアセンブリ１１の各壁部１１ｃに挟まれており、センサアセンブリ１１から流れ出ないようになっている。保護剤１４として、例えばエポキシ系樹脂が採用される。

カバー１５は、センサチップ１２のメンブレン１２ｃの上方に流れる流体を整流する機能を備えた整流部品である。図４に示されるように、カバー１５は一面１５ａを有すると共に、この一面１５ａの一部が突出した突起状の整流用絞り１５ｂを有している。この整流用絞り１５ｂは、センサアセンブリ１１の実装面１１ａとカバー１５の一面１５ａとの間の隙間のうちメンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとの間の隙間を狭めることにより、メンブレン１２ｃに速い安定した流体を送る役割を果たす。つまり、整流用絞り１５ｂはメンブレン１２ｃの上方に流れる流体の流れを絞る機能を有する。

そして、カバー１５は一面１５ａに認識マーク１５ｃを有している。この認識マーク１５ｃは、センサチップ１２のメンブレン１２ｃとカバー１５の整流用絞り１５ｂとの位置合わせのために用いられる。このような認識マーク１５ｃは、例えばエジェクタピンや凹み等である。

さらに、カバー１５は、一面１５ａのうちセンサアセンブリ１１の壁部１１ｃの上端面に対応する位置に窪み部１５ｄを有している。また、カバー１５は、一面１５ａのうち窪み部１５ｄとは反対側の外縁部に当該外縁部が突出した板状の壁部１５ｅを有している。このようなカバー１５を側面から見ると、図４の右欄に示されるように、Ｌ字状をなしている。

そして、カバー１５の窪み部１５ｄが接着剤１６を介して壁部１１ｃの上端面に接合されると共に、壁部１５ｅの端面が接着剤１６を介してセンサアセンブリ１１の実装面１１ａに接合されることにより、カバー１５がセンサアセンブリ１１に固定されている。本実施形態では、カバー１５の一面１５ａの面方向における整流用絞り１５ｂの中心位置と、センサチップ１２の表面１２ａの面方向におけるメンブレン１２ｃの中心位置とが、センサアセンブリ１１の実装面１１ａに垂直な方向において一致している。すなわち、メンブレン１２ｃの中心位置と整流用絞り１５ｂの頂点の位置とが当該垂直な方向で一致するようにセンサアセンブリ１１に対するカバー１５の位置が調整されている。

接着剤１６は、センサチップ１２のメンブレン１２ｃとカバー１５の整流用絞り１５ｂとが対向するように、カバー１５をセンサアセンブリ１１の実装面１１ａに固定する接合部材である。接着剤１６として、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等が採用される。

流路部２０は、センサ部１０に流体を導くための部品である。図１に示されるように、流路部２０は流路２１を有している。流路２１は、流量センサの外部から導入した気体等の流体をセンサ部１０に導く経路である。

ここで、センサ部１０は流路部２０の流路２１に差し込まれているが、圧入によって流路部２０に固定されているのではなく、センサアセンブリ１１が流路２１の開口端２２に引っ掛かっている。そして、開口端２２に設けられた接着剤２３によってセンサ部１０が流路部２０に固定されている。すなわち、センサ部１０には流路部２０に対する圧入に基づく歪みは起こらない。なお、センサ部１０の流路部２０への組み付けは圧入ではないので、例えば図１に示されるようにカバー１５が流路２１の壁面に接触していても構わない。

樹脂形成部３０は、センサ部１０のうちリードフレーム１３側を固定する固定部品である。樹脂形成部３０は、センサ部１０が流路部２０に取り付けられた後にセンサ部１０のリードフレーム１３の先端が露出するようにモールド成形されることで構成されている。これにより、樹脂形成部３０は、流路部２０にセンサ部１０を固定するための接着剤２３も封止している。

以上が、本実施形態に係る流量センサの全体構成である。流量センサは、外部からの指令に従ってセンサチップ１２のメンブレン１２ｃ上のヒータ抵抗に通電し、加熱する。そして、流量に応じて上述のブリッジ回路の中点電位差が変化するので、この中点電位差を外部に出力する。出力信号を取得した外部機器は、出力信号を増幅及び特性補正し、流量のデータを取得する。

次に、上記の流量センサの製造方法について、図５を参照して説明する。まず、リードフレーム１３がインサート成形されたセンサアセンブリ１１、センシング部やパッド１２ｄ等が形成されたセンサチップ１２、及び整流用絞り１５ｂを有するカバー１５をそれぞれ用意する。

続いて、センサアセンブリ１１の凹部１１ｂの底面１１ｃにセンサチップ１２を接着剤１１ｄで固定する。また、各リードフレーム１３とセンサチップ１２の各パッド１２ｄとをワイヤ１７で接続する。そして、リードフレーム１３とワイヤ１７との接合部及びパッド１２ｄとワイヤ１７との接合部を覆うようにセンサアセンブリ１１の各壁部１１ｃの間に保護剤１４をポッティング等の方法で充填する。

次に、カメラを備えた画像認識装置を用いてセンサチップ１２の表面１２ａを撮影し、メンブレン１２ｃの位置を画像認識する。メンブレン１２ｃの位置は、メンブレン１２ｃに形成された配線パターン等で認識する。同様に、カバー１５の一面１５ａをカメラで撮影し、認識マーク１５ｃに基づいて整流用絞り１５ｂの位置を認識する。

この後、センサアセンブリ１１の所定の位置に接着剤１６を塗布し、マウント装置を用いて図５に示されるようにカバー１５をセンサアセンブリ１１に組み付ける。このとき、センサチップ１２の表面１２ａにおけるメンブレン１２ｃの中心位置とカバー１５の整流用絞り１５ｂの頂点位置とが、センサアセンブリ１１の実装面１１ａに垂直な方向で一致するようにセンサアセンブリ１１にカバー１５を取り付ける。このようなセンサアセンブリ１１の実装面１１ａの面方向におけるカバー１５の位置の自由度は、カバー１５を接着剤１６によってセンサアセンブリ１１に固定するという構造から得ることができる。なお、カバー１５に接着剤１６を塗布し、このカバー１５をセンサアセンブリ１１に組み付けても良い。こうしてセンサ部１０が完成する。

続いて、流路部２０を用意し、センサ部１０のカバー１５側を流路２１に差し込んで接着剤２３で固定する。最後に、センサ部１０のリードフレーム１３の先端が露出すると共に接着剤２３を封止するようにセンサ部１０を樹脂でモールドすることにより樹脂形成部３０を形成する。こうして流量センサが完成する。

以上説明したように、本実施形態では、メンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとの位置合わせが、センサアセンブリ１１から分離したカバー１５と、カバー１５をセンサアセンブリ１１に固定するための接着剤１６とによって実現されている。すなわち、カバー１５とセンサアセンブリ１１とが圧入によって組み合わされていないので、メンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとの位置合わせが圧入の影響を受けないようにすることができる。したがって、圧入によってセンサチップ１２のメンブレン１２ｃとカバー１５の整流用絞り１５ｂとの位置合わせの精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、カバー１５が接着剤１６を介してセンサアセンブリ１１に固定されているので、メンブレン１２ｃと整流用絞り１５ｂとの位置合わせの自由度を向上させることができ、ひいては当該位置合わせの精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図６に示されるように、センサアセンブリ１１とカバー１５とを固定する接着剤１６がビーズ１８を有している。このビーズ１８は、センサアセンブリ１１の実装面１１ａに垂直な方向における接着剤１６の厚みを調整する役割を果たす。接着剤１６には所定のサイズのビーズ１８が多数混入している。

このように、接着剤１６にビーズ１８を混入させることにより、センサアセンブリ１１の実装面１１ａに垂直な方向においてセンサアセンブリ１１とカバー１５との距離を制御することができる。つまり、メンブレン１２ｃに対する整流用絞り１５ｂの高さの位置の精度を向上させることができる。なお、図６では、ビーズ１８の存在をわかりやすく描いているが、もちろん実際のサイズではない。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図７に示されるように、カバー１５は、一面１５ａの一部が突出した平面用絞り１５ｆを有している。この平面用絞り１５ｆは、カバー１５の一面１５ａの面方向においてメンブレン１２ｃに流体を導くように流体の流れを絞る役割を果たす。本実施形態では、上述の壁部１５ｅは平面用絞り１５ｆの一部となっている。なお、カバー１５の一面１５ａの面方向において、リードフレーム１３の長手方向に垂直な方向をｘ軸とし、ｘ軸に垂直な方向すなわちリードフレーム１３の長手方向をｙ軸とする。

平面用絞り１５ｆは流体の入口の幅すなわちｙ軸方向の幅が広く、ｘ軸方向に沿ってメンブレン１２ｃ側に向かってｙ軸方向の幅が狭くなるようにレイアウトされている。また、流体がメンブレン１２ｃの上方を通過すると、平面用絞り１５ｆのｙ軸方向の幅は出口に向かって再び広くなるようにレイアウトされている。カバー１５は平面用絞り１５ｆの端面に接着剤１６が塗布されてセンサアセンブリ１１に固定されている。

したがって、図８のセンサアセンブリ１１側を見た平面図の矢印に示されるように、カバー１５の一面１５ａの面方向において流体がメンブレン１２ｃに向かって集まる。このように、平面用絞り１５ｆにより、カバー１５の一面１５ａの面方向において流体の流れを絞ることができる。また、カバー１５の一面１５ａに平面用絞り１５ｆを設けることにより流量の計測精度の安定性を向上させることができる。

なお、図７では認識マーク１５ｃを省略している。また、本実施形態ではカバー１５は窪み部１５ｄを備えていない。窪み部１５ｄは必須ではなく、必要に応じて設けても良い。さらに、接着剤１６に第２実施形態のビーズ１８を混入させても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された流量センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、センサ部１０そのものを流量センサとしても良い。また、認識マーク１５ｃは整流用絞り１５ｂに設けられているが、これは一例であり、カバー１５の一面１５ａのどこかに設けられていれば良い。

さらに、整流用絞り１５ｂの形状についても他の形状でも良い。例えば、整流用絞り１５ｂはカバー１５の一面１５ａに垂直な断面が半球状であったり、カバー１５の一面１５ａに垂直な断面が台形状であっても良い。

１１ センサアセンブリ
１１ａ 実装面
１２ センサチップ
１２ａ 表面
１２ｂ 裏面
１２ｃ メンブレン
１５ カバー
１５ａ 一面
１５ｂ 整流用絞り
１６ 接着剤

Claims (8)

1. 表面（１２ａ）及び当該表面（１２ａ）の反対側の裏面（１２ｂ）と、前記裏面（１２ｂ）の一部が表面（１２ａ）側に凹んだことで薄膜化されたメンブレン（１２ｃ）と、を有し、前記メンブレン（１２ｃ）の上方に流れる流体の流量を検出するセンサチップ（１２）と、
   実装面（１１ａ）を有し、当該実装面（１１ａ）に前記センサチップ（１２）が設置されたセンサアセンブリ（１１）と、
   一面（１５ａ）を有すると共に、この一面（１５ａ）に、前記メンブレン（１２ｃ）の上方に流れる前記流体の流れを絞るための整流用絞り（１５ｂ）を有するカバー（１５）と、
   前記メンブレン（１２ｃ）と前記整流用絞り（１５ｂ）とが対向するように、前記カバー（１５）を前記センサアセンブリ（１１）の実装面（１１ａ）に固定する接着剤（１６）と、
   を備えていることを特徴とする流量センサ。
2. 前記カバー（１５）は、前記一面（１５ａ）に前記メンブレン（１２ｃ）と前記整流用絞り（１５ｂ）との位置合わせのための認識マーク（１５ｃ）を有していることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記接着剤（１６）は、前記実装面（１１ａ）に垂直な方向における前記接着剤（１６）の厚みを調整するためのビーズ（１８）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の流量センサ。
4. 前記整流用絞り（１５ｂ）は、前記カバー（１５）の一面（１５ａ）の一部が突出した突起状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流量センサ。
5. 前記整流用絞り（１５ｂ）は、前記カバー（１５）の一面（１５ａ）に垂直な断面が半球状であることを特徴とする請求項４に記載の流量センサ。
6. 前記整流用絞り（１５ｂ）は、前記カバー（１５）の一面（１５ａ）に垂直な断面が台形状であることを特徴とする請求項４に記載の流量センサ。
7. 前記カバー（１５）の一面（１５ａ）の面方向における前記整流用絞り（１５ｂ）の中心位置と、前記センサチップ（１２）の表面（１２ａ）の面方向における前記メンブレン（１２ｃ）の中心位置とが、前記センサアセンブリ（１１）の実装面（１１ａ）に垂直な方向において一致していることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の流量センサ。
8. 前記カバー（１５）は、前記一面（１５ａ）に、当該一面（１５ａ）の面方向において前記メンブレン（１２ｃ）に前記流体を導くように前記流体の流れを絞る平面用絞り（１５ｆ）を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の流量センサ。

Images