JP2022016754A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ基材の小型化によりコストダウンを図ることができるとともに、被測定用流体が流れる流路との接続部分を簡単にかつシール性良くシールできる熱式流量センサを提供する。【解決手段】流路２の壁３に沿って配置されたセンサ基材４と、センサ基材４の流路２と隣接する表面に設けられたセンサ本体２１とを有する。センサ基材４の表面に流体の流れる方向と平行な方向に延びるように設けられ、一端がセンサ本体２１に接続されかつ他端部が外部配線用導体に接続される内部配線用導体２３を備える。センサ基材４の電極取り出し部１５の表面は、センサ基材４の他の部分との間に段差１６が生じるように流路２から離間し、センサ基材４の他の部分は、流路２の壁３に形成された穴５に挿入されて流路２の内壁３面の一部を構成するように形成される。内部配線用導体２３の他端部は、センサ基材４の電極取り出し部１５と流路２の壁３との間に充填されたポッティング剤２５（絶縁剤）によって封止されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定用の流体が流れる流路と重なるように外部接続部が設けられた熱式流量センサに関する。

気体や液体などの流体の流量を検出する従来の熱式流量センサとしては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用したダイアフラム構造のセンサが知られている。この種のセンサの応答性を向上させるためには、流路内部にセンサを設置することが望ましいが、電極取り出しが困難であり、センサと流路に複雑な形状が要求されていた。

特許文献１には、従来の熱式流量センサの構造と流路内への設置方法とが開示されている。この種の熱式流量センサでは、一般的に、被測定用の流体が流れる流路内に検出部のみを露出させ、電極取り出し部を流路の側方に分離して設置することが多い。検出部と電極取り出し部とは同一のセンサ基材に設けられている。このため、センサ基材は、検出部から電極取り出し部まで延びる延長部を有している。

延長部と対向する流路の壁には、センサ基材の延長部および電極取り出し部との間に配線用の空間を形成するために凹部が形成されている。また、この流路の壁には、凹部と流路との境界となる部分にセンサ基材と接触する隔壁が設けられている。

特許第３３０２４４４号公報

特許文献１に示す熱式流量センサでは、センサ基材に延長部を設けなければならないためにセンサ基材が大型化し、コストアップになってしまうという問題がある。
また、この熱式流量センサにおいては、流路の壁に設けられている隔壁をセンサ基材に接着することが困難であるという問題もある。すなわち、隔壁をセンサ基材に接着する接着剤が必要量より多いと、接着剤が検出部側に流れてセンサ基材のダイアフラムに付着し、特性異常を引き起こすおそれがある。一方、接着剤が足りずにシールが不完全であると、電極部分に測定流体が流れ出して液溜まりとなってしまう。

本発明の目的は、センサ基材の小型化によりコストダウンを図ることができるとともに、被測定用流体が流れる流路との接続部分を簡単にかつシール性良くシールできる熱式流量センサを提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る熱式流量センサは、被測定用の流体が流れる流路の壁に沿って配置されたセンサ基材と、温度センサとヒーターとを含み、前記センサ基材の前記流路と隣接する表面に設けられたセンサ本体と、前記センサ基材の前記表面に前記流体の流れる方向と平行な方向に延びるように設けられ、一端が前記センサ本体に接続されかつ他端部が外部配線用導体に接続される内部配線用導体とを備え、前記センサ基材における、前記内部配線用導体の前記他端部が設けられている電極取り出し部の表面は、前記センサ基材の他の部分との間に段差が生じるように前記流路から離間し、前記センサ基材の前記他の部分は、前記流路の壁に形成された穴に挿入されて前記流路の内壁面の一部を構成するように形成され、前記内部配線用導体の前記他端部は、前記外部配線用導体に接続された状態で前記センサ基材の前記電極取り出し部と前記流路の前記壁との間に充填された絶縁剤によって封止されているものである。

本発明は、前記熱式流量センサにおいて、前記段差は、前記センサ基材の前記電極取り出し部に向かうにしたがって前記流路の前記壁から次第に離れるように傾斜する傾斜面によって形成されていてもよい。

本発明は、前記熱式流量センサにおいて、さらに、前記センサ基材を支持する基板を備え、前記外部配線用導体は、前記内部配線用導体と前記基板に設けられたセンサ接続用電極とを接続するボンディングワイヤであってもよい。

本発明は、前記熱式流量センサにおいて、さらに、前記センサ基材を支持する基板と、前記センサ基材の前記電極取り出し部と前記基板との間に跨がるように配置された中継基板とを備え、前記外部配線用導体は、前記内部配線用導体と前記基板に設けられたセンサ接続用電極とを接続するように前記中継基板に設けられた導体であってもよい。

本発明によれば、センサ基材の電極取り出し部を流路と重なるように配置できるから、センサ基材に流路の側方まで延びる延長部が不要になり、センサ基材を小型に形成することができる。また、内部配線用導体と外部配線用導体とが絶縁剤によって封止されるから、シール箇所は、センサ基材を流路の壁の穴に挿入した部分のみとなる。この部分は単純な形状であるから、シール剤の供給が簡単である。
したがって、本発明によれば、センサ基材の小型化によりコストダウンを図ることができるとともに、被測定用流体が流れる流路との接続部分を簡単にかつシール性良くシールできる熱式流量センサを提供することができる。

図１は、流路の壁に取付けられた熱式流量センサの断面図である。 図２は、流路の壁の断面図である。 図３は、熱式流量センサの断面図である。 図４は、熱式流量センサの平面図である。 図５は、流路の壁に取付けられた熱式流量センサの断面図である。 図６は、流路の壁に取付けられた熱式流量センサの断面図である。

以下、本発明に係る熱式流量センサの一実施の形態を図１～図４を参照して詳細に説明する。
図１に示す熱式流量センサ１は、被測定用の流体（図示せず）が流れる流路２の壁３に沿って配置されたセンサ基材４を有している。この実施の形態は、流体が流路２内を図１中に矢印で示すように図１において左側から右側に向けて流れる場合の一例を示す。流路２の壁３には、図２に示すように、センサ基材４によって塞がれる穴５が形成されている。この穴５の中には、後述する外部配線用導体としてのボンディングワイヤ６（図１参照）が収容される。

センサ基材４は、板状のシリコンチップによって形成されており、流路２とは反対側に位置する基板１１に支持されている。センサ基材４を形成する材料としては、シリコンに限定されることはなく、例えばガラスやセラミックなどでもよい。
このセンサ基材４は、図３に示すように、空洞１２とダイアフラム１３とを有する検出部１４と、検出部１４より厚みが薄くなるように形成された電極取り出し部１５とを有している。図３の破断位置は、図４中にIII－III線によって示す位置である。

検出部１４は、上述した壁３の穴５に挿入可能な形状に形成されている。電極取り出し部１５を検出部１４より厚みが薄くなるように形成するにあたっては、電極取り出し部１５の表面と流路２との間隔が検出部１４と流路２との間隔より広くなるように行っている。このため、電極取り出し部１５の表面は、検出部１４との間に段差１６が生じるように流路２から離間している。この実施の形態においては、検出部１４が本発明でいう「センサ基材の他の部分」に相当する。この実施の形態による段差１６は、センサ基材４の検出部１４から電極取り出し部１５に向かうにしたがって流路２の壁３から次第に離れるように傾斜する傾斜面１６ａによって形成されている。

検出部１４の流路２と隣接する表面には、センサ本体２１が設けられている。センサ本体２１は、温度センサ２１ａ，２１ｂとヒーター２１ｃとによって構成されており、絶縁体２２によって覆われている。温度センサ２１ａ，２１ｂとヒーター２１ｃは、所定の順序で流体の流れる方向に並べられている。絶縁体２２は、センサ基材４の流路２と隣接する表面の全域を覆っている。

センサ本体２１の温度センサ２１ａ，２１ｂとヒーター２１ｃには、図４に示すように、それぞれ内部配線用導体２３が接続されている。これら複数の内部配線用導体２３は、一端が温度センサ２１ａ，２１ｂあるいはヒーター２１ｃに接続され、図１に示すように検出部１４上で絶縁体２２の内部を通って流体の流れる方向の下流側に延びている。また、これらの内部配線用導体２３は、検出部１４と傾斜面１６ａとの境界部分において絶縁体２２の外に露出し、傾斜面１６ａに沿って絶縁体２２上を電極取り出し部１５まで延びている。複数の内部配線用導体２３における流体の流れ方向と平行に延びる部分は、図４に示すように、他の内部配線用導体２３との干渉を避けるために、流体の流れる方向とは直交する方向に互いに離間するように形成されている。

センサ基材４を支持する基板１１には、図示していない流量算出回路に接続されたセンサ接続用電極２４が設けられている。このセンサ接続用電極２４は、上述した内部配線用導体２３と同じ数だけ設けられている。センサ接続用電極２４と、センサ基材４の電極取り出し部１５上の内部配線用導体２３とは、図３に示すように側方から見て互いに平行になるように形成されている。複数のセンサ接続用電極２４は、それぞれボンディングワイヤ６によって内部配線用導体２３に接続されている。すなわち、センサ接続用電極２４は、一端がセンサ本体２１に接続された内部配線用導体２３の他端部にボンディングワイヤ６を介して接続されている。

内部配線用導体２３の他端部は、図１に示すように、センサ基材４が流路２の壁３に接続された状態でポッティング剤２５などの絶縁剤によって封止されている。ポッティング剤２５は、センサ基材４の電極取り出し部１５が含まれるように、基板１１と流路２の壁３との間に充填されている。

このように構成された熱式流量センサ１は、図３に示すように内部配線用導体２３と基板１１のセンサ接続用電極２４とがボンディングワイヤ６によって接続されている状態で流路２の壁３に取付けられる。この取付けは、センサ基材４の検出部１４を囲む範囲に接着剤（図示せず）を塗布し、検出部１４を壁３の穴５に挿入して行う。このときには、ボンディングワイヤ６を壁３の穴５内に挿入する。検出部１４が壁３の穴５に挿入されることにより、穴５が検出部１４によって閉塞され、検出部１４が流路２の内壁面の一部を構成するようになる。この場合、検出部１４を壁３に接着する接着剤が実質的にシール剤として機能し、流体が壁３の穴５を通って漏洩することを防ぐことができる。接着剤は、検出部１４の周囲に塗布されるから、塗布量が多い場合であってもセンサ基材４のダイアフラム１３側に流れることはない。

センサ基材４が流路２の壁３に取付けられた後、壁３と基板１１とによって囲まれた空間にポッティング剤２５を充填する。ポッティング剤２５が硬化することによって、センサ基材４の傾斜面１６ａと電極取り出し部１５とに沿って延びている内部配線用導体２３やボンディングワイヤ６、センサ接続用電極２４などが封止される。

したがって、この実施の形態による熱式流量センサ１によれば、センサ基材４の長手方向が流路２に対して平行になり、センサ基材４の電極取り出し部１５を流路２と重なるように配置できる。このため、従来の熱式流量センサに流路の側方まで延びるように設けられていた延長部が不要になるから、従来の熱式流量センサと較べてセンサ基材４を小型に形成することができる。また、内部配線用導体２３とボンディングワイヤ６（外部配線用導体）とがポッティング剤２５（絶縁剤）によって封止されるから、シール箇所は、センサ基材４を流路２の壁３の穴５に挿入した部分のみとなる。この部分は単純な形状であるから、シール剤（接着剤）の供給が簡単である。
この結果、この実施の形態によれば、センサ基材４の小型化によりコストダウンを図ることができるとともに、被測定用の流体が流れる流路２との接続部分を簡単にかつシール性良くシールできる熱式流量センサを提供することができる。

熱式流量センサ１で流体の流量を測定するにあたって流量レンジを上げるためには、流路２の断面積を拡大する必要がある。その時、従来の熱式流量センサではセンサ基材（センサチップ）の長手方向が流路に対して垂直であり、センサ基材に延長部が必要であるために、チップサイズの増大を招いていた。しかし、本発明によれば、センサ基材４の長手方向が流路２に対して平行であり、流路幅がどのような幅であっても同じ熱式流量センサ１を使うことができるため、１種類の熱式流量センサ１で複数レンジに対応することが可能となる。

この実施の形態による検出部１４と電極取り出し部１５との間の段差１６は、電極取り出し部１５に向かうにしたがって流路２の壁３から次第に離れるように傾斜する傾斜面１６ａによって形成されている。このため、内部配線用導体２３を傾斜面１６ａに沿わせて形成することができるから、電極取り出し部１５が検出部１４と同一平面上に存在していないにもかかわらず製造が容易である。

この実施の形態による外部配線用導体は、内部配線用導体２３と基板１１上のセンサ接続用電極２４とを接続するボンディングワイヤ６である。このため、既存のワイヤボンディング装置を利用して配線することができるから、コストアップを最小限に抑えることができる。

本発明に係る熱式流量センサ１は、図５および図６に示すように構成することができる。図５および図６において、図１～図４によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図５に示す熱式流量センサ３１は、図１～図４に示した熱式流量センサ１とは、流路２の壁３に対する取付方向が異なり、その他の構成は同一である。図５に示す熱式流量センサ３１の検出部１４は、電極取り出し部１５より流体が流れる方向の下流側に位置している。

図６に示す熱式流量センサ３２は、図１～図４に示した熱式流量センサ１とは外部配線用導体の構成が異なり、その他の構成は同一である。図６に示す熱式流量センサ３２の基板１１は、センサ基材４の電極取り出し部１５と隣り合うように形成された凸部３３を有している。凸部３３の突出端にセンサ接続用電極２４が設けられている。このセンサ接続用電極２４と、電極取り出し部１５の内部配線用導体２３とは、中継基板３４を介して接続されている。

中継基板３４は、センサ基材４の電極取り出し部１５と基板１１の凸部３３との間に跨がるように配置されており、流路２とは反対側の面に導体パターン３５を有している。導体パターン３５の一端部に内部配線用導体２３が半田３６を介して接続され、他端部にセンサ接続用電極２４が半田３７を介して接続されている。この中継基板３４を有する導通部は、センサ基材４の検出部１４が流路２の壁３に接着された後に内部配線用導体２３やセンサ接続用電極２４などとともにポッティング剤２５によって封止されている。
図５および図６に示すように熱式流量センサ３１，３２を構成する場合であっても、センサ基材４の小型化によりコストダウンを図ることができるとともに、被測定用の流体が流れる流路２との接続部分を簡単にかつシール性良くシールすることができる。

１…熱式流量センサ、２…流路、３…壁、４…センサ基材、５…穴、６…ボンディングワイヤ（外部配線用導体）、１１…基板、１５…電極取り出し部、１６…段差、１６ａ…傾斜面、２１…センサ本体、２１ａ，２１ｂ…温度センサ、２１ｃ…ヒーター、２３…内部配線用導体、２４…センサ接続用電極、２５…ポッティング剤（絶縁剤）、３４…中継基板、３５…導体パターン（導体）。

Claims (4)

1. 被測定用の流体が流れる流路の壁に沿って配置されたセンサ基材と、
   温度センサとヒーターとを含み、前記センサ基材の前記流路と隣接する表面に設けられたセンサ本体と、
   前記センサ基材の前記表面に前記流体の流れる方向と平行な方向に延びるように設けられ、一端が前記センサ本体に接続されかつ他端部が外部配線用導体に接続される内部配線用導体とを備え、
   前記センサ基材における、前記内部配線用導体の前記他端部が設けられている電極取り出し部分の表面は、前記センサ基材の他の部分との間に段差が生じるように前記流路から離間し、
   前記センサ基材の前記他の部分は、前記流路の壁に形成された穴に挿入されて前記流路の内壁面の一部を構成するように形成され、
   前記内部配線用導体の前記他端部は、前記外部配線用導体に接続された状態で前記センサ基材の前記電極取り出し部分と前記流路の前記壁との間に充填された絶縁剤によって封止されていることを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
   前記段差は、前記センサ基材の前記電極取り出し部分に向かうにしたがって前記流路の前記壁から次第に離れるように傾斜する傾斜面によって形成されていることを特徴とする熱式流量センサ。
3. 請求項１または請求項２記載の熱式流量センサにおいて、
   さらに、前記センサ基材を支持する基板を備え、
   前記外部配線用導体は、前記内部配線用導体と前記基板に設けられたセンサ接続用電極とを接続するボンディングワイヤであることを特徴とする熱式流量センサ。
4. 請求項１または請求項２記載の熱式流量センサにおいて、
   さらに、前記センサ基材を支持する基板と、前記センサ基材の前記電極取り出し部分と前記基板との間に跨がるように配置された中継基板とを備え、
   前記外部配線用導体は、前記内部配線用導体と前記基板に設けられたセンサ接続用電極とを接続するように前記中継基板に設けられた導体であることを特徴とする熱式流量センサ。

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