JP3740026B2 - フローセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量または流速を計測する熱式のフローセンサに関し、特に流量検出素子の取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量や流速を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている（例：特開平４−２９５７２４号公報、特公平６−２５６８４号公報、特開平８−１４６０２６号公報等）。
【０００３】
この種のフローセンサは、温度検出手段を備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面（上面）に固着することによりセンサを構成したものが一般的であり、計測する流体の流れに対して水平になるように設置されて使用される。水平な状態での設置、使用は、流量検出素子の近傍に渦が発生するのを防止するためである（渦が発生すると測定精度が低下する）。
【０００４】
台座の材料としては、熱膨張係数が小さい材料、例えばガラス、セラミックス等が用いられる。また、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタイプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い材料であることが要求されることから、金属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出素子の水平な設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％の合金）が通常用いられる。
【０００５】
台座の固着面に対する流量検出素子の取付け方としては、通常素子を固着面に接着剤によって固着している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に応力が生じるため、素子自体が破損したり温度検出手段の電気的特性が劣化する。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するための方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造が、また応力集中の防止については例えば実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造が知られている。すなわち、実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとともに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一にし、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するようしたものである。このような取付構造によれば、突部と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って流下するため、部品の表面への付着を防止することができる利点がある。
【０００７】
一方、前記実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品との固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固着面に固着しないようにしたものである。このような取付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナー部への応力集中を防止することができる利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤により固着していた。しかし、このような取付構造では、固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果として、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じるからである。このような誤差の発生は、特に流体温度と流量検出素子の温度が同じとの前提に立って温度測定を行なう質量流量計の場合、重大な問題となる。
【０００９】
また、流体が台座に当たると流れが乱れて流量検出素子の近傍に渦が発生するため、正確な測定ができなくなるという問題もあった。
【００１０】
そこで、このような問題を解決するための対策の一つとして、台座の固着面に溝を形成して流量検出素子の接触面積を少なくすることで、台座からの熱的影響と渦の発生を防止することが考えられる。しかし、切削加工によって台座の一つひとつに溝を形成すると、製造コストが著しく高くなり、成形で溝付きの台座を形成すると、素子自体のサイズが１．５ｍｍ角程度と非常に小さい場合、製作が著しく難しい（特に上下面を平行な面に形成することが難しい）という問題があった。
【００１１】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、台座からの熱的影響を緩和または遮断するとともに渦の発生を防止することができ、精度の高い測定を可能にしたフローセンサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される金属製の台座とを備えたフローセンサにおいて、前記台座と前記流量検出素子との間に、熱膨張係数が前記台座より小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等の材料からなる流路形成部材を介在させてなり、この流路形成部材はダイカットによって形成されており、上面に前記温度検出素子が設置される凸部と、流体の流れ方向に沿った流路用溝が設けられているものである。
第１の発明においては、流路形成部材の素材をダイカットすることにより品質の一定した複数の流路形成部材が同時に製作される。また、流路用溝は予め素材に形成されているので、後加工によって流路形成部材の１つひとつに形成する必要がない。
ガラス、セラミックス、合成樹脂等からなる流路形成部材は、台座に比べて熱容量、熱膨張係数が小さく、流量検出素子への熱的影響を少なくする。
流体は流量検出素子の上方および下方を流れて検出素子と接触する。したがって、流量検出素子の流体との接触面積が増大し、流体の瞬時の温度変化に対して流量検出素子の温度も変化し速やかに流体の温度と等しくなる。流路用溝は流体が通過することにより流路形成部材の流体に対する影響、つまり乱れを少なくする。したがって、渦の発生も少ない。
【００１３】
第２の発明は、上記第１の発明において、流路形成部材が約１．５ｍｍ角のチップ状に形成されているものである。
第２の発明において、流路形成部材は微小なチップであるため、熱容量が小さく、流体の温度が急激に変化したときでも、迅速に流体の温度と等しくなる。
【００１４】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量検出素子が設置される凸部の高さを約０．７ｍｍにしたものである。
第３の発明においては、流路形成部材の厚みが凸部の高さより十分に薄いので、外部環境の温度変化により台座の温度が変化しても台座による流量検出素子への熱的影響をより一層軽減する。流路用溝は、深さが凸部の高さと等しく、流体を良好に流す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同フローセンサの断面図、図３は流量検出素子と流路形成部材の斜視図である。
【００１６】
これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、ケース２内に封着用ガラス３によって封着された金属製の台座４および複数本のリードピン５と、台座４の上面に流路形成部材６を介して設置固定された流量検出素子７等で構成されている。
【００１７】
前記ケース２は、熱膨張係数が小さい金属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形成され、基端部外周面に突起９付きのフランジ１０が一体に設けられ、このフランジ１０が流体１１を流す配管１２の内壁にシール部材１３を介して密接され、ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。
【００１８】
前記台座４は、熱膨張係数がガラスやセラミックスに近い金属、具体的にはコバールによって細長い角棒（または円柱）状に形成されてケース２の内部中央に軸線を略一致させて封着され、上端部が前記封着用ガラス３を貫通してケース２の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス３を貫通してケース２の下方に突出し、さらに前記配管１２に設けた孔１４より配管１２の外部に突出している。ただし、台座４としては、下端部が封着用ガラス３から突出する長いものに限らず、図４に示すように下端側が封着用ガラス３内に封着されている短いものであってもよい。
【００１９】
前記流路形成部材６は、熱膨張係数が前記台座４よりも小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等によって前記流量検出素子７と略同一の大きさからなる正方形のチップ状に形成され、前記台座４の上面に接着剤等によって固着されている。また、流路形成部材６の上面には、流体１１の流入、通過を可能にする流路用溝１５と、４つの凸部１６が設けられ、これらの凸部１６の上面が前記流量検出素子７の固着面１６ａを形成している。すなわち、流量検出素子７は、凸部１６の上面に固着されるものである。凸部１６は、すべて同一高さで、固着面１６ａが台座４の軸線に対して略垂直な平坦面に形成されている。
【００２０】
前記流路用溝１５は、台座４の４つの辺の中央に開放するように十字状に形成され、この溝部以外の部分が前記凸部１６を構成し、台座４の上面の四隅部にそれぞれ位置している。
【００２１】
このような流路形成部材６は、１辺の長さＬが約１．５ｍｍ、厚さＷが約０．３ｍｍ、凸部１６の高さ（＝流路用溝１５の深さ）Ｈ1 が約０．７ｍｍ、凸部１６の一辺の長さＬ1 が０．３ｍｍ程度の微小な角形チップとされる。
【００２２】
前記流路形成部材６の流路用溝としては、図３に示した十字状の溝１５に限らず、図５に示すように流体１１の流れ方向と平行な直線状の溝２０であってもよい。すなわち、図５に示す直線状の流路用溝２０は、流路形成部材６の一方の対角線上の角部に開放するように形成した溝で、流体１１の流れ方向と直交する対角線上の角部に三角柱からなる未加工部分をそれぞれ残し、これらの未加工部分を流量検出素子７が設置される凸部２１としている。
【００２３】
このような流路形成部材６の製作に際しては、１つずつ製作することも可能ではあるが、それでは通路用溝１５（２０）の加工が面倒で製造コストが高くなることから、図６に示すように１枚の大きな素材２５をダイシングすることにより複数個の流路形成部材６を同時に形成する。すなわち、ガラス、セラミックス、合成樹脂等によって平板状に形成され、上下面が平行に研磨された所定の厚さの素材２５を用意する。この素材２５の表面を研削して所定深さの流路用溝１５を格子状に形成し、未加工部分を凸部１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）とする。次に、この素材２５を縦方向と横方向の切断線２６に沿ってダイシングすることにより所定の大きさのチップとし、これを流路形成部材６として用いる。このようにダイシングによって形成すると、大きさが同一で品質の揃った複数の流路形成部材６を同時に製作することが可能であるため、製造コストを低減することができる。
【００２４】
図５に示した直線状の流路用溝２０を有する流路形成部材６についても、図７に示すように１枚の大きな素材２５をダイシングすることにより形成することができる。すなわち、ガラス、セラミックス、合成樹脂等によって形成した所定の厚さの素材２５を用意する。この素材２５の表面に各辺に対して略４５°傾斜した複数の流路用溝２０を研削によって一定の間隔をおいて形成し、流路用溝２０間の未加工部分を凸部２１とする。次に、この素材２５を縦方向と横方向の切断線２６に沿ってダイシングすることにより所定の大きさのチップとし、これを流路形成部材６として用いる。ダイシングに際しては、図５に示した三角形の凸部２１が流路用溝２０と直交する対角線上の角部にできるようにダイシングする。この場合も、ダイシングによって形成されるので、大きさが同一で品質の揃った複数の流路形成部材６を同時に製作することができる。
【００２５】
図３において、前記流量検出素子７は、前記流路形成部材６上に載置され接着剤によって固着されるシリコン基板３１を有している。シリコン基板３１は、１辺の長さが１．７ｍｍ程度、厚さが０．５ｍｍ程度の正方形のチップ状に形成され、中央部分を下面中央部のエッチングによって薄肉化することによりダイアフラム３２を形成し、またこのダイアフラム３２の上面には傍熱型の温度検出手段３３を構成する１つの発熱体（抵抗ヒータ）３４と、２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さらに、シリコン基板３１の上面外周部には、複数の電極パッド３６と配線用金属薄膜３７が薄膜成形技術により前記発熱体３４、温度センサ３５Ａ，３５Ｂの形成と同時に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基板３１の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、発熱体３４と温度センサ３５Ａ，３５Ｂが電極パッド３６に配線用金属薄膜３７を介してそれぞれ電気的に接続されている。また、各電極パッド３６は、前記リードピン５にボンディングワイヤ３８（図２）を介して電気的に接続されている。
【００２６】
前記２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂは、発熱体３４を挟んで流体１１の上流側と下流側にそれぞれ配列されている。発熱体３４のパターン幅は１０〜１５μｍ、温度センサ３５Ａ，３５Ｂのパターン幅は５〜１０μｍである。
【００２７】
このような流量検出素子７を備えたフローセンサ１は、配管１２内に流量検出素子７の上面が流体１１の流れ方向（矢印方向）と平行になるように取付けられる。また、取付けに際しては、流体１１の流れを乱さないようにするために流路用溝１５（または２０）が流体１１の流れ方向と一致するように取付ける。図３に示した十字状の流路用溝１５の場合は、流量検出素子７の２つの対角線のうちのいずれか一方が流体１１の流れ方向と平行になるように、言い換えれば流路用溝１５が流体１１の流れ方向に対して略４５°の角度で交差するように、配管１２内に取付けることが望ましい。
【００２８】
このような構造からなるフローセンサ１において、通電によって発熱体３４を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体１１を図３の矢印方向に流すと、発熱体３４の上流側温度センサ３５Ａと下流側温度センサ３５Ｂの間に温度差が生じるので、図８に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または抵抗値差を検出することにより、流体１１の流速または流量を計測する。
【００２９】
ここで、図８に示す回路は２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂを含むブリッジ回路を用いて電圧出力を供給するものである。この場合、２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂを用いているので、その温度差により流体１１の流れの方向をも検出することができる。なお、Ｒ1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。
【００３０】
上記した構造からなるフローセンサ１によれば、金属製の台座４と流量検出素子７との間に、熱膨張係数が小さいガラス、セラミックス等によって形成された流路形成部材６を介在させたので、外部環境の温度変化に伴い台座４の温度が変化しても、流量検出素子７に対する熱的影響を軽減することができ、精度の高い流量測定を行うことができる。
【００３１】
また、流路形成部材６は、厚さが０．３ｍｍ、一辺の長さが約１．５ｍｍ角のチップ状で、凸部１６の高さ（流路用溝１５の深さ）を０．７ｍｍ程度にすると、流体１１が流路用溝１５を良好に流れ、流体１１との接触面積が増大するので、流体１１の温度が急激に変化したときでも、これに追従して速やかに流体１１の温度と等しくなり、より一層精度の高い測定を行うことができる。さらに、流体１１が流路用溝１５を通って流れると、流路形成部材６によって流れに乱れが生じたり、渦が発生したりすることがなく、精度の高い測定を行なうことができる。
【００３２】
また、流路形成部材６はダイシングによって形成されているので、同一品質からなる複数個の流路形成部材を同時にかつ安価に製作することができる。
【００３３】
なお、上記した実施の形態においては、発熱体３４から出た熱による流体１１の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサ３５Ａ，３５Ｂで検出する傍熱型のセンサを示したが、これに限らず流体１１により発熱体３４の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。また、温度センサは２つに限らず、１つであってもよい。要するに、流量検出素子７としては、流量または流速を計測し得るものであれば如何なるものであってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサは、台座と流量検出素子との間に介在される流路形成部材の製作が容易で、フローセンサの製造コストを低減することができ、特に１．５ｍｍ角程度の微小なチップからなる流量検出素子を用いたフローセンサに用いて好適である。
また、外部温度変化による台座からの流量検出素子に対する熱的影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができる。また、流体と流量検出素子との接触面積が増大するため、瞬時の流体の温度変化にも対応でき、一層精度の高い測定を行うことができる。さらに、流路用溝は流体の流れの乱れを少なくするので、流量検出素子の周囲に渦が発生せず、より一層精度の高い測定を行うことができる。
第２の発明は、上記第１の発明において、流路形成部材が約１．５ｍｍ角のチップ状に形成されているものである。
第２の発明において、流路形成部材は微小なチップであるため、熱容量が小さく、流体の温度が急激に変化したときでも、迅速に流体の温度と等しくなる。
【００３５】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量検出素子が設置される凸部の高さを約０．７ｍｍにしたものである。
第３の発明においては、流路形成部材の厚みが０．３ｍｍ程度で、凸部の高さより十分に薄いので、外部環境の温度変化により台座の温度が変化しても台座による流量検出素子への熱的影響をより一層軽減することができる。また、流路用溝の深さも深いので、流量検出素子の下方を流れる流体の流量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 同フローセンサの断面図である。
【図３】 流量検出素子と流路形成部材の斜視図である。
【図４】 本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】 流路用溝の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図６】 流路形成部材の製作方法を説明するための図である。
【図７】 他の流路形成部材の制作方法を説明するための図である。
【図８】 流量検出素子の電気回路図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４…台座、５…リードピン、６…流路形成部材、７…流量検出素子、１１…流体、１５…流路用溝、１６…凸部、２０…流路用溝、２１…凸部。

Claims (3)

1. 流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される金属製の台座とを備えたフローセンサにおいて、
   前記台座と前記流量検出素子との間に、熱膨張係数が前記台座より小さいガラス、セラミックス、合成樹脂等の材料からなる流路形成部材を介在させてなり、この流路形成部材はダイカットによって形成されており、上面に前記温度検出素子が設置される凸部と、流体の流れ方向に沿った流路用溝が設けられていることを特徴とするフローセンサ。
2. 請求項１記載のフローセンサにおいて、
   流路形成部材が約１．５ｍｍ角のチップ状に形成されていることを特徴とするフローセンサ。
3. 請求項１または２記載のフローセンサにおいて、
   流路形成部材の厚さが約０．３ｍｍで、流量検出素子が設置される凸部の高さが約０．７ｍｍであることを特徴とするフローセンサ。

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