JP3490788B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、ガスや液体など流体
の流量を測定する質量流量計に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の熱式質量流量計は、図６に示すよ
うに、ガスや液体などの流体Ｆが流れる流路６１中に加
熱した発熱体を備えたチップセンサ５０を保持体６２を
介して設け、チップセンサ５０に設けられる発熱体５４
（図５参照）の流体Ｆの流れによる熱量変化を測定し、
これを電気信号に変換することで流量換算している。 【０００３】ここで用いられるチップセンサ５０として
は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、例えば、シリコ
ン基板５１の表面にＳｉＯ₂ などの酸化膜５２を形成
し、この酸化膜５２の上面に、例えば白金、ニッケル、
アルミニウムなどの抵抗温度係数の高い金属を用いて測
温抵抗体５３が形成されるとともに、例えばニクロムよ
りなる発熱体５４が形成され、さらに、これらの上面
を、シリコン酸化膜、窒化膜、ポリイミド膜などのパッ
シベイション膜５５で被覆した傍熱タイプがある。な
お、このチップセンサ５０のほかに、サーミスタを自己
加熱する方法や、ホットワイヤと称する白金細線を用い
るものもある。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の質量流量計においては、発熱体などからなるチップ
センサ５０を流体Ｆが流れる流路６１内に設けるため、
以下のような不都合があった。すなわち、 （１） チップセンサ５０が流体Ｆと直接に接触するた
め、流体Ｆ中に含まれる腐食性成分によってチップセン
サ５０やこれを保持する保持体６２が腐蝕されるなどし
て耐久性に問題が生じ、腐蝕性成分を含む流体Ｆや流体
Ｆそのものが腐蝕性を有する場合には、実質的に測定を
行うことができない。 （２） チップセンサ５０や保持体６２は、その熱容量
をできるだけ小さくするため、極力小型化されるが、過
流量が生じた場合や、流体Ｆ中に固形物質が含まれてい
るような場合、強度不足によって破壊されるおそれがあ
る。 （３） 保持体６２を含む全体形状が３次元構造である
ため、製作が困難である。などである。 【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、測温抵抗体や発熱体を備えたチップセンサが
直接流体に触れないようにすることにより、より優れた
耐腐蝕性および強度を有するとともに、構造が簡単で製
造が容易な質量流量計を提供することを目的としてい
る。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の質量流量計は、流路ブロック内に上方が
開放された凹部およびこの凹部の下方からこれに対して
それぞれ開口を介して連通する流体導入路と流体導出路
を形成し、流体導入路から流路ブロック内に入った流体
が凹部および流体導出路を経て流路ブロック外に流れ出
るように構成するとともに、前記凹部の開放された側に
熱伝導性が劣る基板を設け、この基板の前記開口に対応
する位置に開設された２つの孔をそれぞれ熱伝導性が良
好な板部材で閉塞し、前記流体導入路に対応する板部材
の上面側に測温抵抗体とこれを加熱するための発熱体と
からなるチップセンサを取り付ける一方、前記流体導出
路に対応する板部材の上面側に測温抵抗体からなるチッ
プセンサを取り付け、さらに、前記基板および板部材の
下面側に耐腐蝕性層を形成するとともに、前記流体導入
路と流体導出路のそれぞれの開口側に整流プレートを設
けている。 【０００７】 【０００８】 【作用】前記質量流量計においては、チップセンサが流
路を流れる流体と非接触の状態で設けられているため、
前記（１）の問題が解決される。そして、チップセンサ
が流路を流れる流体と非接触の状態で設けられているた
め、前記（２）の問題が解決される。また、センサ部の
形状は平面的であり、通常のＩＣや抵抗体を基板に実装
する方法と同様の手法で製作できるので、容易に製造で
きる。 【０００９】さらに、基板と、板部材とのそれぞれ流体
に接する面（外面）に耐腐蝕性層を形成しているので、
耐久性をより一層向上させることができる。 【００１０】 【実施例】図１〜図４は、この発明の一実施例を示して
いる。まず、図１および図２は、それぞれこの発明の質
量流量計の構成を示す分解斜視図、縦断面図で、これら
の図において、１は流路ブロックで、例えばポリフェニ
レンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂よりなる。この流路ブ
ロック１の本体部１Ａの上面には、センサ部６（後述す
る）を設けるための平面視円形の凹部２が形成されると
ともに、本体部１Ａの内部には、一端が凹部２に連な
り、他端が流路ブロック１のベース部１Ｂの端面におい
て開口した互いに独立した二つの流路３，４（以下、導
入路３、導出路４という）が形成されている。５はセン
サ部６を嵌め込み固定するための保持段部で、センサ部
６の外形と相似形状で、導入路３、導出路４の開口３
ａ，４ａが開設されている。 【００１１】そして、６は前記保持段部２に設けられる
センサ部である。このセンサ部６の構成および流路ブロ
ック１への取付け構造については、後述する。７は一端
側が流路ブロック１に形成した溝に差し込まれ、他端側
がビス止めされたプリント基板で、このプリント基板７
にはセンサ部６に電源を供給したり、センサ部６から電
気信号が入力される信号処理・電源部が搭載されてい
る。８は例えばアルミニウムよりなるケースで、本体部
１Ａ、センサ部６およびプリント基板７を覆うように着
脱自在に設けられている。なお、２ａは凹部２の周壁に
形成されたねじ部、３ｂ，４ｂは導入路３、導出路４の
端部内壁に形成されたねじ部である。また、９は導入路
３、導出路４のそれぞれ開口３ａ，４ａ側に設けられる
整流プレート、１０はその押さえ部材である。なお、９
ａは導入路３の入口側（ねじ部３ｂ側に適宜の押さえ部
材１０ａによって保持される整流プレートである。 【００１２】ここで、前記センサ部６の構成の一例を、
その実装工程を示す図３を参照しながら説明する。１１
は熱伝導性が劣るがある程度の機械的強度を有する素材
よりなる基板で、この実施例では、厚さ１ｍｍのガラス
繊維入りエポキシ樹脂板よりなり、円板の一部を切断し
た形状（オリフェラ）に形成されている。なお、基板１
１の素材として、ガラス繊維入りエポキシ樹脂のほか
に、ポリイミド樹脂やセラミックなどを用いることもで
きる。 【００１３】前記基板１１には、図３（Ａ）に示すよう
に、例えば直径４ｍｍ程度の孔１２，１３が適宜の間隔
をおいて開設されている。そして、この基板１１の一方
の面（以下、Ａ面という）１１Ａには適宜の回路パター
ン１４や複数の電極１５，１６が形成されており、他方
の面（以下、Ｂ面という）１１Ｂの孔１２，１３の周囲
には、同図（Ｂ）に示すように、パッド部１７が形成さ
れている。 【００１４】 そして、同図（Ｃ）に示すように、一方
の面（この実施例では上面）が予め金メッキされた熱伝
導性が良好な２枚の板部材１８Ｓ，１８Ｒを、前記パッ
ド部１７に対してはんだ付けすることにより、前記孔１
２，１３のＢ面１１Ｂ側が閉塞される。ここで、前記板
部材１８Ｓ，１８Ｒとしては、適宜の強度を有するもの
が好ましく、この実施例では、厚さ０．２ｍｍ、直径５
ｍｍのステンレス鋼板よりなる。なお、板部材１８Ｓ，
１８Ｒは、アルミニウム、チタンなどの金属で形成して
あってもよい。また、前記はんだ付けは、例えば、パッ
ド部１７にはんだを塗布した後、リフロー炉において熱
処理を行い、はんだ融着することによって行われる。 【００１５】次いで、同図（Ｄ）に示すように、基板１
１のＢ面１１Ｂ側および板部材１８Ｓ，１８Ｒの下面
に、耐腐蝕性レジストを塗布し、熱処理を行って基板１
１のＢ面１１Ｂおよび板部材１８Ｓ，１８Ｒの下面に耐
腐蝕性層１９を形成する。 【００１６】さらに、同図（Ｅ）に示すように、板部材
１８Ｓ，１８Ｒの上面に、すなわち、孔１２，１３側
に、チップセンサ２０，２１をリフロー炉を用いてはん
だ付けする。ここで用いるチップセンサ２０，２１は前
記図５に示したものと同じ構成のものであり、例えば厚
さ０．２ｍｍ、大きさ１．５ｍｍ角である。そして、同
図（Ｆ）に示すように、基板１１に形成した電極１５と
適宜ワイヤボンディングを行う際、一方のチップセンサ
２０においては、温度測温体５３と発熱体５４とが電極
１５に接続されてＳ側となり、他方のチップセンサ２１
においては、温度測温体５３のみが電極１５に接続され
てＲ側となる。つまり、一つの基板１１に発熱部を有す
るＳ側と温度参照部を有するＲ側とを備えている。 【００１７】そして、同図（Ｇ）に示すように、ジャン
パー線２２を基板１１に形成した電極１６とはんだ付け
によって接続することにより、センサ部６が完成され
る。前記ジャンパー線２２の他端側はプリント基板７側
の信号処理・電源部と接続されている。 【００１８】図４は、前記センサ部６のチップセンサ２
０，２１を組み込んだ回路構成を示す図で、この図にお
いて、２３，２４，２５はＳ側の温度測温体５３Ｓおよ
びＲ側の温度測温体５３Ｒとともにブリッジ回路２６を
構成するための抵抗である。２７は演算増幅器からなる
制御回路で、ブリッジ回路２６の出力Ｖ_B がＶ_A と等し
くなるように、電流制限素子としてのトランジスタ２８
を駆動する。２９はブリッジ回路２６の基準電源、３０
はトランジスタ２８を介してＳ側の発熱体５４に接続さ
れた直流電源である。３１は出力点である。なお、符号
２３〜３０で表される部材は、プリント基板７に設けら
れている。 【００１９】上述のように構成されたセンサ部６は、例
えば次のようにして流路ブロック１の本体部１Ａに形成
された凹部２に取り付けられる。すなわち、まず、整流
プレート９を押さえ部材１０によって固定した状態で導
入路３、導出路４の開口３ａ，４ａに設ける。次いで、
例えばフッ素樹脂よりなるシール部材３２を介してセン
サ部６を凹部２の保持段部５に嵌め込む。この場合、基
板１１にはオリフェラが形成してあるので、位置決めの
目安となり、所定の状態、つまり、Ｓ側が導入路３側の
開口３ａに対応し、Ｒ側が導出路４の開口４ａに対応す
るように簡単にセットできる。そして、押さえねじ３３
を凹部２のねじ部２ａに螺着してセンサ部６を上方から
押圧する。 【００２０】このようにして、センサ部６は流路ブロッ
ク１の本体部１Ａに取り付けられるが、センサ部６と保
持段部５との間には、シール部材３２が介装されている
ので、センサ部６と保持段部５との間に僅かな隙間（流
路）３４が形成される。この隙間３４は、実施例では、
約１ｍｍとしている。したがって、導入路３の開口側か
ら流路ブロック１内に導入された流体Ｆは、２枚の整流
プレート９ａ，９を経てセンサ部６のＳ側に直接吹き付
けられる。そして、この流体Ｆは前記流路３４を通り、
センサ部６のＲ側に接触しながら通過し、導出路４を経
て流路ブロック１外に出て行く。 【００２１】そして、上記構成の質量流量計において
は、チップセンサ２０，２１の一方が発熱体として、他
方が温度参照として使用され、図４に示すような定温度
差回路を組むことにより、流体温度に対し絶えず一定温
度差になるように制御が行われる。流体Ｆの流れが生じ
た場合、一定温度差を保つため、ヒータ電力が増加し、
この増加量に基づいて質量流量を得ることができる。 【００２２】そして、上記質量流量計においては、チッ
プセンサ２０，２１が流路３４を流れる流体Ｆと非接触
の状態で設けられているため、チップセンサ２０，２１
が過流量の流体Ｆや、流体Ｆ中の固形物質がに直接触れ
ることがなく、したがって、チップセンサ２０，２１が
破損するおそれが全くない。 【００２３】また、センサ部６の形状は平面的であり、
通常のＩＣや抵抗体を基板に実装する方法と同様の手法
で製作できるので、容易に製造できる。それだけコスト
ダウンが図れるとともに、高品質の製品を安定に製造で
きる。 【００２４】さらに、上述実施例では、基板１１と、チ
ップセンサ２０，２１を取り付けるための板部材１８
Ｓ，１８Ｒとのそれぞれ流体Ｆに接する面（外面）に耐
腐蝕性層１９が形成されているとともに、チップセンサ
２０，２１が流路３４を流れる流体Ｆと非接触の状態で
設けられているため、基板１１、板部材１８Ｓ，１８
Ｒ、チップセンサ２０，２１などで構成されるセンサ部
６が流体Ｆによって腐蝕されるといったことがなくな
る。 【００２５】特に、基板１１がある程度の機械的強度を
備えているので、流路３４に臨む壁部として取り付ける
際、その取付け構造に限定を受けることがなく、押さえ
ねじ３３によって簡単に取り付けることができる。 【００２６】この発明は、上述の実施例に限られるもの
ではなく、種々変形して実施することができる。例え
ば、流路ブロック１を、フッ素樹脂やステンレス鋼を用
いて構成してもよい。そして、シール部材３２としてゴ
ム系材料や金属系材料よりなるものを用いてもよい。 【００２７】そして、チップセンサ２０，２１は同じ構
成のものを用いていたが、Ｒ側のチップセンサ２１とし
て、初めから測温抵抗体のみしか設けてないものを用い
てもよい。 【００２８】また、基板１１には電気回路を構成するた
めの抵抗体やコンデンサなどを集積配置することもで
き、このようにすればより小型化、コストダウンが図れ
る。 【００２９】さらに、流体Ｆをセンサ部６のＳ側に直接
吹き付ける部分の径を変えることにより、流体Ｆの流速
を増加し、任意の流量出力を得ることができ、少流量か
ら大流量まで任意に測定することができる。さらに、流
路３４の大きさも任意に設定できる。 【００３０】 【発明の効果】以上説明したように、この発明の質量流
量計においては、流路ブロック内に上方が開放 された凹
部およびこの凹部の下方からこれに対してそれぞれ開口
を介して連通する流体導入路と流体導出路を形成し、流
体導入路から流路ブロック内に入った流体が凹部および
流体導出路を経て流路ブロック外に流れ出るように構成
するとともに、前記凹部の開放された側に熱伝導性が劣
る基板を設け、この基板の前記開口に対応する位置に開
設された２つの孔をそれぞれ熱伝導性が良好な板部材で
閉塞し、前記流体導入路に対応する板部材の上面側に測
温抵抗体とこれを加熱するための発熱体とからなるチッ
プセンサを取り付ける一方、前記流体導出路に対応する
板部材の上面側に測温抵抗体からなるチップセンサを取
り付け、さらに、前記基板および板部材の下面側に耐腐
蝕性層を形成するとともに、前記流体導入路と流体導出
路のそれぞれの開口側に整流プレートを設けているの
で、チップセンサが過流量の流体や当該流体中の固形物
質に直接触れることがなく、チップセンサが破損するお
それが全くない。また、前記チップセンサ等よりなるセ
ンサ部の形状が平面的であり、通常のＩＣや抵抗体を基
板に実装する方法と同様の手法で製作することができる
ので、それだけコストダウンが図れるとともに、高品質
の製品を安定に製造することができる。さらに、この発
明の質量流量計においては、前記基板および板部材の流
体に接する側に耐腐蝕性層が形成されているので、前記
チップセンサが流体と非接触の状態で設けられているこ
ととあいまって、基板、板部材、チップセンサなどで構
成されるセンサ部が流体によって腐蝕されるといったこ
とがない。したがって、この発明によれば、より優れた
耐腐蝕性および強度を有する質量流量計が得られ、しか
も、センサ部の構造が平板的であり、構造が簡単である
から製造が容易であり、高性能で高品質の質量流量計を
大量に得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の質量流量計の一例を示す分解斜視図
である。 【図２】前記質量流量計の導入路部分における縦断面図
である。 【図３】前記質量流量計に組み込まれるセンサ部の実装
工程の一例を示す図である。 【図４】前記質量流量計の回路構成図である。 【図５】前記センサ部を構成するチップセンサの一例を
示す図である。 【図６】従来の質量流量計を概略的に示す図である。 【符号の説明】１…流路ブロック、２…凹部、３…流体導入路、３ａ，
４…流体導出路、４ａ…開口、 ９…整流プレート、１１
…基板、１２，１３…孔、１８Ｓ，１８Ｒ…板部材、１
９…耐腐蝕性層、２０，２１…チップセンサ、５３Ｓ，
５３Ｒ…測温抵抗体、５４…発熱体、Ｆ…流体。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 流路ブロック内に上方が開放された凹部
   およびこの凹部の下方からこれに対してそれぞれ開口を
   介して連通する流体導入路と流体導出路を形成し、流体
   導入路から流路ブロック内に入った流体が凹部および流
   体導出路を経て流路ブロック外に流れ出るように構成す
   るとともに、前記凹部の開放された側に熱伝導性が劣る
   基板を設け、この基板の前記開口に対応する位置に開設
   された２つの孔をそれぞれ熱伝導性が良好な板部材で閉
   塞し、前記流体導入路に対応する板部材の上面側に測温
   抵抗体とこれを加熱するための発熱体とからなるチップ
   センサを取り付ける一方、前記流体導出路に対応する板
   部材の上面側に測温抵抗体からなるチップセンサを取り
   付け、さらに、前記基板および板部材の下面側に耐腐蝕
   性層を形成するとともに、前記流体導入路と流体導出路
   のそれぞれの開口側に整流プレートを設けたことを特徴
   とする質量流量計。