JP3785052B2

JP3785052B2 - フローセンサ

Info

Publication number: JP3785052B2
Application number: JP2001095487A
Authority: JP
Inventors: 洋志畠山; 尚弘石川
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002296088A

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、抵抗体等の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である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して使用される。水平な状態に設置して使用するのは、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、台座を金属製の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、通常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状態での設置が確保される。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接着剤により密接させて固着していた。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。特に、コバールからなる金属製の台座を用い、封着用ガラスで封着したフローセンサの場合は、台座の熱容量、熱伝導率がガラス、セラミックス等に比べて大きいため、流量検出素子が外部環境の温度変化を受け易く、また流体の温度が変化したときに流量検出素子と台座の温度が流体の温度と等しくなるのに時間がかかる。
【０００９】
また、流体が台座に当たると流体の流れに乱れが生じて渦が発生するため、測定精度を低下させるという問題もあった。
【００１０】
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、比較的簡単な構造で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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、温度検出手段を有する流量検出素子と、この流量検出素子が設置される台座と、この台座をケース内に封着する封着用ガラスとを備え、前記台座を複数本のピンで構成し、これらのピンを同一高さになるように配置して素子側端部を前記封着用ガラスの上方に突出させ、その上に前記流量検出素子を設置することにより前記封着用ガラスと流量検出素子との間に流体が流れる流路を形成したものである。
本発明においては、複数本の細いピンで流量検出素子が設置される台座を構成しているので、流量検出素子とピンとの接触面積が少なく、外部環境の温度変化によるピンからの流量検出素子への熱的影響を少なくする。また、ピンは流量検出素子を水平に支持する。流体は流路を通り流量検出素子の裏面に接触する。したがって、流量検出素子と流体との接触面積が増大し、流体の温度が変化したとき、流量検出素子の温度を速やかに流体の温度と等しくする。また、流体の乱れが少なく、渦の発生を防止する。
【００１３】
【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は流量検出素子の斜視図、図４は流量検出素子の電気回路図である。
【００１４】
図１および図２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複数本のリードピン４およびピン５と、ピン５の上面５ａに設置され、接着剤によって固着された流量検出素子６等で構成されている。
【００１５】
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、基端部の外周面に突起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、かつねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。
【００１６】
前記封着用ガラス３は、前記ケース２の内部全体にわたって封着され、ケース２の上側開口部を覆っている。
【００１７】
前記リードピン４は、ケース２と同様にコバール等の金属によって形成され、前記封着用ガラス３を貫通し、上端が前記流量検出素子６にボンディングワイヤ２５によって電気的に接続され、下端部が前記配管１２の貫通孔１６から外部に突出している。
【００１８】
前記ピン５は、前記流量検出素子６が設置される台座として用いられるもので、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール等によって形成され、前記封着用ガラス３を貫通している。また、ピン５は全て同一高さになるように配設されることにより、全てのピン５の上面５ａが水平な同一平面を形成し前記流量検出素子６が設置されている。ピン５の数は、流量検出素子６を安定に支持するに十分な本数であれば特に限定されるものではない。本実施の形態においては、４本用いて流量検出素子６の下面の各角部を支持した例を示しているが、例えば５本用いて流量検出素子６の下面の各角部と中央を支持するようにしてもよい。
【００１９】
また、ピン５は上端部が封着用ガラス３の上方に所定寸法突出して封着されることから、ピン５の上に流量検出素子６を設置して固定すると、封着用ガラス３の上面と流量検出素子６の裏面との間に隙間が生じ、この隙間が流体１１の流路１７を形成している。なお、ピン５の外径は０．３ｍｍ程度、封着用ガラス３から上方に突出する上端部の突出寸法は約０．５ｍｍ程度である。
【００２０】
図３において、
前記流量検出素子６は、前記ピン５の上面５ａに載置され接着剤によって固着されるシリコン基板２６を有している。シリコン基板２６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２７を形成し、またこのダイアフラム２７の上面には傍熱型の温度検出手段３０を構成する１つの発熱体（抵抗ヒータ）３１と、２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂ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２６の上面外周部には、複数の電極パッド３３と配線用金属薄膜３４が薄膜成形技術により前記発熱体３１、温度センサ３２Ａ，３２Ｂ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２６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３１と温度センサ３２Ａ，３２Ｂが電極パッド３３に配線用金属薄膜３４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３３は、前記リードピン４にボンディングワイヤ２５（図１）を介して電気的に接続されている。
【００２１】
前記２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂは、発熱体３１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３１のパターン幅は１０〜１５μｍ、温度センサ３２Ａ，３２Ｂのパターン幅は５〜１０μｍである。
【００２２】
このような流量検出素子６を備えたフローセンサ１は、配管１２内に流量検出素子６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、かつ上流側温度センサ３２Ａが下流側温度センサ３２Ｂより上流側となるように取付けられる。測定に際しては、通電によって発熱体３１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３１の上流側温度センサ３２Ａと下流側温度センサ３２Ｂの間に温度差が生じるので、図４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。
【００２３】
ここで、図４に示す回路は２つの温度センサ３２Ａ，３２Ｂ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３２Ａ，３２Ｂを用いているので、流体１１の流れの方向を検出することができる利点がある。なお、Ｒ1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。
【００２４】
図５に上記構造からなるフローセンサ１の製作手順を示す。
フローセンサ１の製作は、図５（ａ）に示す焼成用治具６０を用いて行なう。焼成用治具６０は、ケース２が嵌合し得る多数の穴６２を有する第１の治具６１と、リードピン４とピン５が貫通する多数のピン用穴６４を有する第２の治具６３と、同じくリードピン４とピン５が貫通する多数のピン用穴６６を有する第３の治具６５とで構成されている。
【００２５】
先ず、リードピン４とピン５を第２の治具のピン用穴６４に挿通する。ピン用孔６４のうちリードピン４が挿入される穴とピン５が挿入され穴の深さは、等しく設定されているが、必ずしも等しくなくてもよい。次に、第１の治具６１を第２の治具６３の上に位置決めして載置し、リードピン４とピン５の上端部を第１の治具６１の穴６２内に位置させる（図５（ｂ））。
【００２６】
次に、封着用ガラス体６７の穴に前記リードピン４とピン５の上端部を挿通し、封着用ガラス体６７を第１の治具６１の穴６２にはめ込む（図５（ｃ））。封着用ガラス体６７は、粉末のガラスをプレスで成形して仮焼成することにより、所要の大きさの円板状に形成されたものである。
【００２７】
次に、第１の治具の穴６２にケース２を嵌挿し、封着用ガラス体６７に嵌合する（図５（ｄ））。
【００２８】
次に、第３の治具６５の穴６６にリードピン４およびピン５を挿入して第３の治具６５を第１の治具６１の上に設置する（図５（ｅ））。
【００２９】
次いで、重ね合わされた第１、第２、第３の治具６１，６３，６５を焼成炉に入れて封着用ガラス体６７を所定の温度（例：約１０００°Ｃ）で一定時間加熱溶融して固化させることにより、図２に示した封着用ガラス３とし、リードピン４とピン５をケース２内に封着する。しかる後、焼成用治具６０を焼成炉から取り出して第１、第２、第３の治具６１，６３，６５を分離すると、リードピン４とピン５が封着用ガラス３によってケース２内に封着された半製品が得られる。
【００３０】
次に、ピン５の上面５ａに流量検出素子６を載置してボンディング剤により固着する。さらに、リードピン４と流量検出素子６の電極パッド３３をボンディングワイヤ２５によって電気的に接続し、もってフローセンサ１の製作を終了する。
【００３１】
上記した構造からなるフローセンサ１は、細い複数本のピン５によって流量検出素子６が設置される台座を構成したので、熱容量が小さく、また流量検出素子６との接触面積を著しく小さくすることができる。したがって、外部環境の温度が変化してもピン５の温度変化が少なく、流量検出素子６に対する熱的影響を少なくすることができる。また、ピン５は上端部がケース２の上方に突出して流体１１中に位置し、流量検出素子６と封着用ガラス３との間に流路１７を形成しているので、流体１１を流量検出素子６の表面のみならず裏面にも接触させることができ、流体１１の温度が変化したとき流量検出素子６の温度を速やかに流体１１の温度と等しくすることができる。さらに、流量検出素子６の下方に流路１７を設けているので、流体１１が層流に近い状態で流れて乱れが少なく、渦の発生を少なくすることができる。その結果として、精度の高い測定を行うことができ、フローセンサ１の測定精度を向上させることができる。
【００３２】
なお、上記した実施の形態においては、発熱体３１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３２Ａ，３２Ｂ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３１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６としては、流量または流速を計測し得るものであれば何でもよい。
【００３３】
【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、外部の温度変化による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ことから、流体の温度が急激に変化したときでも流量検出素子の温度が流体の温度に追従して変化し、速やかに流体の温度と等しくすることができる。さらに、流体の流れに乱れが生じず、渦の発生を防止することができ、より一層測定精度を向上させることができる。
【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】流量検出素子の斜視図である。
【図４】流量検出素子の電気回路図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）はフローセンサの製作手順を説明するための図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４…リードピン、５…ピン、６…流量検出素子、１１…流体、１７…流路。

Claims

温度検出手段を有する流量検出素子と、この流量検出素子が設置される台座と、この台座をケース内に封着する封着用ガラスとを備え、前記台座を複数本のピンで構成し、これらのピンを同一高さになるように配置して素子側端部を前記封着用ガラスの上方に突出させ、その上に前記流量検出素子を設置することにより前記封着用ガラスと流量検出素子との間に流体が流れる流路を形成したことを特徴とするフローセンサ。