JP2019027879A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振れ回りによる位置ずれを抑えることにより、ワイヤの破損を防止しつつ、測定精度の均一化を図ることができる測定装置を提供する。【解決手段】流路を形成する配管１１と、配管１１の外面に設けられ、当該配管１１内を流れる流体の流量を測定する温度センサチップ１２，ヒータチップ１３と、配管１１の外面に接着固定されると共に温度センサチップ１２，ヒータチップ１３と分離して配置され、温度センサチップ１２，ヒータチップ１３から出力された信号を中継する基板１５と、温度センサチップ１２，ヒータチップ１３と基板１５とを電気的に接続するワイヤ１４と、配管１１を流体流れ方向に対して左右両側から挟み込むように基板１５に設けられ、基板１５における接着部を中心とした振れ回りＲ２を規制するガイド部６２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、センサチップから出力された測定信号を送信するためのワイヤに対する負荷を抑制するようにした測定装置に関する。

従来から、流体の流量を測定する測定装置として、様々な形式のものが提供されている。その中でも、低コスト化や省電力化等を図ることが比較的容易であるという理由から、熱式のものが多く利用され始めている。

熱式の測定装置においては、半導体製造プロセス技術を利用して製造されたセンサチップ（フローセンサ）を、流量測定手段としており、流体によって奪われたヒータ熱が流量に依存して変化するという原理を用いたものとなっている。

そして、このような、熱式の測定装置としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１７−１０１９５５号公報

上記従来の測定装置においては、配管内を流れる流体の流量を測定することを目的としており、配管の外面にセンサチップを接着固定し、そのセンサチップと回路とを、導電性のワイヤによって電気的に接続させている。これにより、センサチップから出力された測定信号は、ワイヤを通じて、回路に送信可能となっている。

ここで、センサチップを配管に接着固定するための接着剤としては、センサチップ及び配管に対する応力緩和を図るために、低応力の接着剤を使用している。つまり、その接着剤は、接着剤硬化時において、柔軟性を備えている。

また、上記従来の測定装置においては、製造時の組み付け作業や、使用時の設置場所によっては、配管や装置全体に負荷が発生する場合がある。そして、このように、配管や装置全体に負荷が発生すると、配管と、この配管に柔軟性を有する接着剤で固定されているセンサチップとの間には、位置ずれが生じてしまう。この結果、センサチップと回路との間についても、位置ずれが生じてしまい、これに伴って、それらを繋いでいるワイヤにも、大きな負荷が掛ってしまい、場合によっては、ワイヤを破損させるおそれがある。

更に、配管の接着位置決め精度が低下すると、その配管内を流れる流体の流量特性に乱れが生じてしまう。この結果、センサチップの測定精度に、ばらつきが生じるおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、振れ回りによる位置ずれを抑えることにより、ワイヤの破損を防止しつつ、測定精度の均一化を図ることができる測定装置を提供することを目的とする。

この発明に係る測定装置は、流路を形成する配管と、配管の外面に設けられ、配管内を流れる流体の流量を測定するセンサチップと、配管の外面に接着固定されると共に、センサチップと分離して配置され、センサチップから出力された信号を中継する基板と、センサチップと基板とを電気的に接続するワイヤと、基板に、配管を流体流れ方向に対して左右両側から挟み込むように設けられ、基板における接着部を中心とした振れ回りを規制する振れ規制部材とを備えるものである。

この発明によれば、振れ回りによる位置ずれを抑えることにより、ワイヤの破損を防止しつつ、測定精度の均一化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る測定装置の後方斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る測定装置の平面図である。 図２のIII−III矢視断面図である。 温度センサチップの斜視図である。 図２のＶ−Ｖ矢視断面図である。 ヒータチップの斜視図である。 図２のVII−VII矢視断面図である。 本発明の実施の形態２に係る測定装置の後方斜視図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
先ず、実施の形態１に係る測定装置について、図１から図７を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、熱式の測定装置（流量測定装置）は、配管１１、一対のセンサチップ１２，１３、ワイヤ１４、基板１５、及び、補強部材６１等を備えている。そして、各チップ１２，１３と基板１５とは、配管１１に接着固定されると共に、導電性のワイヤ１４によって電気的に接続されている。

配管１１は、その内部流路に流体（気体または液体）を通過可能とする円形管状部材である。この配管１１の材質は、例えば、ガラス、セラミックス、プラスチック、及び、ステンレス等のいずれかである。なお、図１及び図２に記載した矢印の方向は、流体の流れ方向を示している。

また、図２、図３、図５、及び、図７に示すように、配管１１の軸方向途中部分には、凹部４１が形成されている。この凹部４１は、配管１１の径方向内側に向けて凹んでいる。そして、凹部４１の底面４１ａは、配管１１の軸方向に延びる平坦面であって、チップ１２，１３及び基板１５を取り付けるための取付面となっている。

更に、図１及び図２示すように、流体流れ方向前後一対のチップ１２，１３は、配管１１内を流れる流体の流量を測定する熱式のフローセンサであって、半導体製造プロセス技術を利用して製造されている。このような、半導体チップとなる熱式のセンサチップ１２，１３は、配管１１の外面となる底面４１ａに、当該配管１１の軸方向（流体流れ方向）に沿って順に設けられている。

このとき、流体流れ方向上流側に配置されるセンサチップ１２は、配管１１内を流れる流体の温度を測定する温度センサチップとなっている。一方、流体流れ方向下流側に配置されるセンサチップ１３は、配管１１内を流れる流体に所定の熱量を供給するヒータチップとなっている。以下、センサチップ１２を、温度センサチップ１２と称する一方、センサチップ１３をヒータチップ１３と称して、本実施の形態を説明する。

図３及び図４に示すように、温度センサチップ１２は、例えば、ベース基板２１、絶縁膜２２、測温部（測定部）２３、及び、電極パッド２４等を備えており、基板１５から分離された構造となっている。

具体的に、ベース基板２１の表面は、絶縁膜２２によって覆われている。また、絶縁膜２２の表面中央部には、測温部２３が設けられており、この測温部２３には、電極パッド２４の基端が電気的に接続されている。測温部２３は、配管１１内を流れる流体の温度を測定するものであって、２つの電極パッド２４は、絶縁膜２２の表面上において、測温部２３からチップ外側に向けて延びている。そして、電極パッド２４の先端は、ワイヤ１４を介して、基板１５のリードと電気的に接続されている。

つまり、ワイヤ１４の一端は、電極パッド２４に、第１ボンディング点として、ボンディングされている。一方、ワイヤ１４の他端は、基板１５のリードに、第２ボンディング点として、ボンディングされている。これにより、測温部２３から出力された温度測定信号は、ワイヤ１４を通じて、基板１５に中継された後、当該基板１５から基板外部の流量測定部（図示省略）に送信される。

一方、図５及び図６に示すように、ヒータチップ１３は、例えば、ベース基板３１、絶縁膜３２、発熱部（測定部）３３、及び、電極パッド３４等を備えており、基板１５から分離された構造となっている。

具体的に、ベース基板３１の中央部には、キャビティ３１ａが、当該ベース基板３１をその厚さ方向に貫通するように形成されている。これに対して、ベース基板３１の表面は、絶縁膜３２によって覆われており、その絶縁膜３２の中央部には、薄膜状のダイヤフラム３２ａが設けられている。即ち、ダイヤフラム３２ａは、キャビティ３１ａの上端開口部全域を、上方から覆っており、ベース基板３１から熱絶縁された構造となっている。

更に、ダイヤフラム３２ａの表面中央部には、発熱部３３が設けられており、この発熱部３３には、電極パッド３４の基端が電気的に接続されている。発熱部３３は、配管１１内を流れる流体の流速を測定するものであって、２つの電極パッド３４は、絶縁膜３２の表面上において、測温部３３からチップ外側に向けて延びている。そして、電極パッド２４の先端は、ワイヤ１４を介して、基板１５のリードと電気的に接続されている。

つまり、ワイヤ１４の一端は、電極パッド３４に、第１ボンディング点として、ボンディングされている。一方、ワイヤ１４の他端は、基板１５のリードに、第２ボンディング点として、ボンディングされている。これにより、発熱部３３から出力された流速測定信号は、ワイヤ１４を通じて、基板１５に中継された後、当該基板１５から流量測定部に送信される。

また、図２、図３、及び、図５に示すように、チップ１２，１３は、チップ用接着剤となる接着剤５１によって、配管１１の外面に固定されている。即ち、絶縁膜２２，３２の表面中央部は、接着剤５１によって、凹部４１の底面４１ａに固定されている。このとき、温度センサチップ１２を接着固定するための接着剤５１の厚さと、ヒータチップ１３を接着固定するための接着剤５１の厚さとは、同じ厚さとなっている。

これに対して、図１、図２、及び、図７に示すように、基板１５の先端には、矩形をなす先端突出部１５ａが形成されている。この先端突出部１５ａは、基板１５の先端中央部からその外側に向けて、配管１１の径方向に突出している。そして、先端突出部１５ａの左右両側（配管１１の軸方向両側）には、基板１５から分離されたチップ１２，１３が、それぞれ配置されている。これにより、先端突出部１５ａは、チップ１２，１３と共に、凹部４１の底面４１ａに接着固定されている。このとき、先端突出部１５ａは、基板用接着剤となる接着剤５２によって、凹部４１の底面４１ａに固定されている。

つまり、基板１５は、先端突出部１５ａのみが、配管１１に接着固定されている。そして、先端突出部１５ａの流体流れ方向上流側には、温度測定機能を有する温度センサチップ１２が設置されている。一方、先端突出部１５ａの流体流れ方向下流側には、流速測定機能を有するヒータチップ１３が設置されている。

また、図１、図２、及び、図７に示すように、基板１５の先端側における裏面には、補強部材６１が設けられている。この補強部材６１は、少なくとも、先端突出部１５ａ及び第２ボンディング点に対応する基板１５の裏面を覆っている。これにより、補強部材６１は、基板１５の先端側を補強するものなっている。なお、基板１５の表面は、配管１１に接着固定されると共にワイヤ１４がボンディングされる面であって、基板１５の裏面は、その表面の反対側に位置する面である。

ここで、基板１５に対して、当該基板１５の表面及び裏面と直交する縦方向に向けて作用する力が加わると、当該基板１５においては、基端（先端突出部１５ａの反対側に位置する端部）が、配管１１に対して唯一の支持点となる、接着剤５１との接着部を中心として、上下方向（基板１５の厚さ方向）に向けて振れるような、振れ回りＲ１が発生するおそれがある。

これに対して、本発明に係る測定装置においては、基板１５の裏面に補強部材６１を設けて、基板１５の高剛性化を図っているため、基板１５に対する振れ回りＲ１の発生を抑制することができる。これにより、配管１１と基板１５との間における上下方向の位置関係、及び、チップ１２，１３と基板１５との間における上下方向の位置関係において、ずれの発生を抑制することができる。この結果、チップ１２，１３と基板１５とを繋ぐワイヤ１４に対して、振れ回りＲ１に起因する負荷が掛らないため、当該ワイヤ１４の破損を防止することができる。

更に、図１、図２、及び、図７に示すように、補強部材６１の先端側には、一対のガイド部（振れ規制部材）６２が、配管１１の軸方向に沿って延びるように一体的に形成されている。これらのガイド部６２は、補強部材６１の表面（先端突出部１５ａの裏面と接する面）から配管１１側に向けて突出すると共に、先端突出部１５ａをその厚さ方向に貫通している。そして、ガイド部６２の高さは、配管１１の中心軸を超える高さとなっている。

このとき、一対のガイド部６２間における配管１１の径方向設置間隔は、当該配管１１の直径よりも長くなっている。即ち、一対のガイド部６２は、配管１１よりも径方向外側にそれぞれ配置されている。これにより、配管１１は、先端突出部１５ａの上方において、一対のガイド部６２によって、流体流れ方向に対して左右両側から挟み込まれた状態となっている。

ここで、基板１５に対して、当該基板１５の表面及び裏面と平行となる横方向に向けて作用する力が加わると、当該基板１５においては、基端が、配管１１に対して唯一の支持点となる、接着剤５１との接着部を中心として、横方向（基板１５の幅方向、基板１５の左右方向）に向けて振れるような、振れ回りＲ２が発生するおそれがある。

これに対して、本発明に係る測定装置においては、基板１５から突き出たガイド部６２を設けて、基板１５の振れ規制化を図っているため、基板１５に対する振れ回りＲ２の発生を抑制することができる。つまり、基板１５に振れ回りＲ２が発生すると、ガイド部６２の内面が配管１１の外周面に接触するため、基板１５に対する振れ回りＲ２の発生を抑制することができる。このとき、ガイド部６２は、配管１１の中心軸よりも高く、ガイド部６２の長さは、配管１１の軸方向に向けて十分な長さとなっているため、ガイド部６２は、配管１１に対する接触を確実にしている。

これにより、配管１１と基板１５との間における横方向の位置関係、及び、チップ１２，１３と基板１５との間における横方向の位置関係において、ずれの発生を抑制することができる。この結果、チップ１２，１３と基板１５とを繋ぐワイヤ１４に対して、振れ回りＲ２に起因する負荷が掛らないため、当該ワイヤ１４の破損を防止することができる。

また、測定装置の製造工程においては、基板１５に補強部材６１を取り付けた後、その先端突出部１５ａにおける一対のガイド部６２間に向けて、配管１１を接着固定するようにすれば、ガイド部６２を配管１１の接着位置決め用ガイドとして、使用することもできる。これにより、配管１１の接着位置決め精度を向上させることができるので、その配管１１内を流れる流体の流量特性の安定化を図ることができる。この結果、チップ１２，１３における測定精度の均一化を図ることができる。

従って、配管１１内を流れる流体の流量を測定する場合には、温度センサチップ１２によって、配管１１内を流れる流体の温度を測定する。これに対して、ヒータチップ１３の温度は、温度センサチップ１２によって測定された流体の温度（測定温度）よりも、常に一定温度高くなるように制御され、流体に熱量を供給する。

即ち、ヒータチップ１３の温度は、温度センサチップ１２によって測定された測定温度よりも、常に一定温度高くなるように制御されるため、当該ヒータチップ１３は、流速変化に応じて、流体に供給する熱量が変化する。

そして、ヒータチップ１３が上記熱量を流体に供給するときの電力量は、配管１１内を流れる流体の流速と相関関係があることが、従来から知られている。これにより、流量測定部は、上記電力量に基づいて、配管１１内を流れる流体の流量を算出（測定）することができる。

以上より、本実施形態に係る測定装置によれば、基板１５の先端突出部１５ａに、配管１１を左右両側から挟み込む一対のガイド部６２を突出支持させることにより、基板１５に発生する振れ回りＲ２を抑制することができる。これにより、配管１１、チップ１２，１３、及び、基板１５における横方向の位置ずれを抑えることができるので、ワイヤ１４の破損を防止することができる。

また、ガイド部６２を、配管１１の接着位置決め用ガイドとして使用することにより、配管１１内を流れる流体の流量特性の安定化を図ることができる。これにより、チップ１２，１３における測定精度の均一化を図ることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る測定装置について、図８を用いて詳細に説明する。

但し、実施の形態２においては、上述した実施の形態１に記載した部材と同一の構成及び機能を有する部材については、その部材と同一の符号を付して、説明を省略している。また、図８に示した矢印の方向は、流体の流れ方向を示している。

そこで、図８に示すように、実施の形態２に係る測定装置においては、実施の形態１において記載した一対のガイド部６２に替えて、複数のガイドピン（振れ規制部材）６３を設けるようにしている。これらのガイドピン６３は、補強部材６１に一体的に形成されたガイド部６２とは異なって、先端突出部１５ａに直接設置されるものである。

具体的に、ガイドピン６３は、流体流れ方向に対して左右両側において、配管１１の軸方向に沿って配列されている。即ち、ガイドピン６３は、配管１１の左右一方側と配管１１の左右他方側とに亘って、配管１１の軸方向に沿って複数設けられている。

また、配管１１の左右一方側に配置されるガイドピン６３と、配管１１の左右他方側に配置されるガイドピン６３との間における配管１１の径方向設置間隔は、配管１１の直径よりも長くなっている。即ち、左右両側に配置されるガイドピン６３は、配管１１よりも径方向外側にそれぞれ配置されている。そして、ガイドピン６３の高さは、配管１１の中心軸を超える高さとなっている。これにより、配管１１は、先端突出部１５ａの上方において、複数のガイドピン６３によって、流体流れ方向に対して左右両側からから挟み込まれた状態となっている。

なお、配管１１の左右一方側に配置されるガイドピン６３の数量と、配管１１の左右他方側に配置されるガイドピン６３の数量とは、同じ数量であっても、異なった数量であっても構わない。また、左右両側に配置されるガイドピン６３の軸方向設置位置についても、同じ位置であっても、異なった位置であっても構わない。

従って、基板１５に対して、振れ回りＲ２が発生しても、ガイドピン６３の外周面が配管１１の外周面に接触するため、当該基板１５に対する振れ回りＲ２の発生を抑制することができる。これにより、ワイヤ１４に対して、振れ回りＲ２に起因する負荷が掛らないため、当該ワイヤ１４の破損を防止することができる。

また、測定装置の製造工程において、ガイドピン６３を配管１１の接着位置決め用ガイドとして、使用することもできる。これにより、配管１１の接着位置決め精度を向上させることができるので、その配管１１内を流れる流体の流量特性の安定化を図ることができる。この結果、チップ１２，１３における測定精度の均一化を図ることができる。

以上より、本実施形態に係る測定装置によれば、基板１５の先端突出部１５ａに、配管１１を左右両側から挟み込む複数のガイドピン６３を支持することにより、基板１５に発生する振れ回りＲ２を抑制することができる。これにより、配管１１、チップ１２，１３、及び、基板１５における横方向の位置ずれを抑えることができるので、ワイヤ１４の破損を防止することができる。

また、ガイドピン６３を、配管１１の接着位置決め用ガイドとして使用することにより、配管１１内を流れる流体の流量特性の安定化を図ることができる。これにより、チップ１２，１３における測定精度の均一化を図ることができる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは、各実施の形態における任意の構成要素の変形、もしくは、各実施の形態における任意の構成要素の省略が可能である。

１１ 配管
１２ 温度センサチップ
１３ ヒータチップ
１４ ワイヤ
１５ 基板
１５ａ 先端突出部
２１ ベース基板
２２ 絶縁膜
２３ 測温部
２４ 電極パッド
３１ ベース基板
３１ａ キャビティ
３２ 絶縁膜
３２ａ ダイヤフラム
３３ 発熱部
３４ 電極パッド
４１ 凹部
４１ａ 底面
５１，５２ 接着剤
６１ 補強部材
６２ ガイド部
６３ ガイドピン
Ｒ１，Ｒ２ 振れ回り

Claims (6)

1. 流路を形成する配管と、
   前記配管の外面に設けられ、前記配管内を流れる流体の流量を測定するセンサチップと、
   前記配管の外面に接着固定されると共に、前記センサチップと分離して配置され、前記センサチップから出力された信号を中継する基板と、
   前記センサチップと前記基板とを電気的に接続するワイヤと、
   前記基板に、前記配管を流体流れ方向に対して左右両側から挟み込むように設けられ、前記基板における接着部を中心とした振れ回りを規制する振れ規制部材とを備える
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記振れ規制部材は、
   前記配管の軸方向に沿って延びると共に、前記基板から当該基板の厚さ方向に向けて突出する
   ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記基板における前記配管に接着固定される面の反対側に位置する面に設けられ、前記基板を補強する補強部材を備え、
   前記振れ規制部材は、前記補強部材に設けられる
   ことを特徴とする請求項２記載の測定装置。
4. 前記振れ規制部材は、
   前記配管の左右一方側と前記配管の左右他方側とに亘って、前記配管の軸方向に沿って複数設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
5. 前記振れ規制部材は、前記配管の中心軸よりも高い
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の測定装置。
6. 前記基板は、前記基板の先端から前記配管側に向けて突出し、前記配管に接着固定される先端突出部を有し、
   前記振れ規制部材は、前記先端突出部に設けられ、
   前記センサチップは、前記先端突出部の流体流れ方向上流側及び下流側に配置される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の測定装置。

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