JP3797325B2

JP3797325B2 - センサ装着装置

Info

Publication number: JP3797325B2
Application number: JP2002375376A
Authority: JP
Inventors: 明太田; 秀典畑
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004205373A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はセンサ装着装置に関し、より詳細には、流体の測定（たとえば、ガス給湯器などにおけるガス管内のガス流量の検出など）に用いられるセンサを流体が流れる配管などの流体通路に装着するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特公平６−４４００５号公報
流体の測定に用いられるセンサとして、たとえば、チップ表面の熱移動から流体の流速を測定するマイクロチップ型熱式質量センサがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、この種のセンサは、被測定流体の流れを乱すことなく流体通路（たとえば配管）に装着する必要があることから、通常は、図４に示すように、センサチップ（マイクロチップ）ａが装着された基板ｂを、金属製のステムｃの上に所定の高さ（流体通路の通路壁の肉厚に相当する高さ）が出るように取り付け、このステムｃを流体通路に穿設することによって、センサチップａが流体通路内に露出するように取り付けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構成では以下のような問題がありその改善が望まれていた。
【０００５】
すなわち、センサチップａをステムｃに取り付ける構成では、センサチップａと、センサ出力を増幅する増幅回路などの電子部品とが別基板になるので、それらを接続するための配線ｄなどが必要となり、ステムｃへのセンサチップａの実装工程が複雑となる。また、工程の複雑化に伴ってセンサ装着にかかるコストも高くなるという問題がある。
【０００６】
その一方、最近では、図５に示すように、一枚の基板ｅに、センサチップｆと増幅回路等の電子部品ｇとが実装されたセンサ装置（いわゆるチップ・オン・ボード型のセンサ）が提供されているが、このようなセンサ装置を流体通路（たとえば配管）ｈに直接取り付けるには、基板ｅと流体通路ｈとの気密を確保するためのシール部材ｉが必要となる。そして、シール部材ｉには押しつぶしによりシール面を確保する厚みがあり、また流体通路ｈの通路壁には強度的な肉厚がある程度必要となる。その結果、センサチップｆの表面が流体の流れから引っ込んでしまい、流体の流れを正確に測定することができないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、被測定流体の流れを乱すことなく、低コストで、しかも装着容易なセンサ装着装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のセンサ装着装置は、センサチップが実装された基板を、被測定流体が流れる流体通路に装着するための装着装置であって、センサチップが実装された基板の周縁部を気密状態で保持する保持手段と、前記保持手段を被測定流体が流れる流体通路に位置決め固定する取付手段とを備えた装置本体と、前記装置本体と前記流体通路とを気密する気密手段とからなり、前記装置本体は、前記取付手段を前記流体通路に取り付けた際に、前記保持手段によって保持される前記基板表面のセンサチップが、前記流体通路内に露出するように形成され、前記装置本体は、頭頂部に開口を有する突出部と、この突出部の外周に形成されたフランジ部とを備えた第一の本体部材と、この第一の本体部材に嵌合可能に形成された突出部およびフランジ部を有する第二の本体部材と、これら第一および第二の本体部材の間に介装されるシール部材と、前記第一および第二の本体部材のフランジ部を前記流体通路に共締めするためのネジとからなることを特徴とする。
【００１０】
そして、その好適な実施態様として、前記第一および第二の本体部材が、それぞれ絞り加工により形成された金属製の一体成形品からなることを特徴とし、また、前記第一の本体部材における突出部の高さが、前記流体通路の肉厚に応じて設定されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明のセンサ装着装置にセンサチップが実装された基板を装着した状態の正面図を示しており、図２は、同センサ装着装置を用いてセンサチップを流体通路に装着した状態の拡大断面図を示している。また、図３は、図２の分解斜視図を示している。
【００１５】
本発明のセンサ装着装置１は、これらに図示されるように、一枚の基板Ｂにセンサチップ（たとえマイクロチップ型熱式質量センサ）Ｓと増幅回路等の電子部品Ｅとが実装された、いわゆるチップ・オン・ボード型のセンサ装置を、被測定流体が通流する流体通路（たとえば配管Ｐ）に装着するための装置であって、装置本体２を形成する一組の本体部材４，５と、装置本体２と配管Ｐとを気密するための本体シール部材（気密手段）３とを主要部として構成される。
【００１６】
上記装置本体２は、センサチップＳが実装された基板Ｂの周縁部Ｂａを気密状態で保持する保持手段と、上記保持手段を被測定流体が流れる配管Ｐに位置決め固定する取付手段とを備えてなるものであって、具体的には、上述したように、第一の本体部材４と、第二の本体部材５とを主要部とし、さらに、基板Ｂと上記保持手段とを気密するシール部材６および上記第一および第二の本体部材４，５を配管Ｐに固定するためのネジ７を備えて構成される。
【００１７】
上記第一および第二の本体部材４，５は、いずれも図３に示すような略皿状の所定形状を備えた部材で構成される。本実施形態では、これら第一および第二の本体部材４，５は、いずれも薄い（センサチップＳより薄い）金属片を絞り加工によって上記所定形状に加工してなる一体成形品が用いられる。
【００１８】
より詳細には、上記第一の本体部材４は、略矩形の板材の中央部分を上記絞り加工により略円筒状に突出させて突出部４１を形成してなるもので、これにより上記突出部４１の外周には略水平に延びた板状のフランジ部４２が形成される。
【００１９】
そして、この突出部４１の頭頂部には該頭頂部を貫通して開口部４３が形成される。この開口部４３は、少なくとも上記センサチップＳが挿通可能な位置・形状・寸法を有してなり、図示例ではこの開口部４３として円形の貫通穴が形成されている。一方、上記フランジ部４２には複数（図示例では４箇所）のネジ穴４４が貫通形成される。
【００２０】
なお、この第一の本体部材４は、その使用にあたり、図３に示すように上記突出部４１を下向きに突出させて用いられるので、以下の説明においては、便宜上、この突出部４１の頭頂部の表面（図３において配管Ｐに面する側）を頭頂面４１ａと称し、頭頂面４１ａの裏面（図３においてシール部材６に面する側）を底面４１ｂと称する（なお、この呼び方は後述する第二の本体部材５についても同様とする）。
【００２１】
また、本実施形態では、上記突出部４１は略円筒形状に形成されているが、その形状は図示例に限定されることなく適宜設計変更可能である。すなわち、この突出部４１は、後述するように、その内側にセンサチップＳが実装された基板Ｂを収容するものであるので、その具体的な形状は、上記基板Ｂの形状に応じて適宜変更可能とされる。
【００２２】
つまり、本実施形態では、頭頂部の断面形状（つまり底面４１ｂの形状）が円形とされているが、これは図１の破線に示すように、本実施形態で使用する基板Ｂの形状が正方形であるので、この正方形の基板Ｂを収容可能な形状として円形（円筒形）を採用したからであり、したがって、突出部４１は他の形状（たとえば底面４１ｂが矩形や楕円形となる筒状体）とすることも可能である。
【００２３】
また、この突出部４１の寸法は、上記配管Ｐの管径や管の肉厚などに応じて適宜設定される。すなわち、この突出部４１は、後述するように、配管Ｐに形成される開口部８に挿通させて使用されるので、測定対象となる流体が流れる配管Ｐの管径や肉厚に応じて、配管Ｐに挿通可能で、かつ挿通時に配管Ｐ内の流体の流れを阻害しないように、適当な大きさに設定される。
【００２４】
なお、この第一の本体部材４につては、他の実施態様として、たとえば、配管Ｐの管径（より正確には配管Ｐに開口可能な開口部の面積）を考慮して予め突出部４１の寸法（本実施形態では突出部４１の直径）が異なるものを複数製作しておき、測定対象となる配管Ｐの管径に応じて適当な大きさのものを選択可能とさせておくことも可能である。
【００２５】
また、突出部４１の高さ（突出の程度）についても、第一の本体部材４の突出部４１を配管Ｐの開口部８に挿入した際に、突出部４１の頭頂部が配管Ｐ内に大きく突出すると配管内の流体の流れを乱すことになるので、配管Ｐの肉厚に応じて、予め突出部４１の高さの異なるものを複数製作しておくことが可能である。
【００２６】
なお、この突出部４１の高さについては、本装置１の使用時に、センサチップＳが、図２に示すように、配管Ｐの内周面とほぼ面一となる位置に配設されるように設定されるのが好ましい。
【００２７】
さらに、本実施形態では、上記開口部４３として、突出部４１の頭頂部の中央に円形の貫通穴を形成した場合を示したが、その位置・形状・寸法は、少なくとも上記センサチップＳが実装された基板Ｂを下向きに（図３において、センサチップＳが配管Ｐに臨むように）底面４１ｂに載置させた際に、上記センサチップＳが開口部４３を通じて外部に露出し、かつ、その状態で少なくとも基板Ｂの周縁部Ｂａが底面４１ｂによって支えられる（基板Ｂが開口部４３から脱落しない）ものであれば、他の位置（たとえば、中央以外の偏心した位置）や他の形状（たとえば、矩形や楕円形）とすることも可能である。
【００２８】
一方、上記第二の本体部材５は、上記第一の本体部材４と嵌合可能に形成される。本実施形態では、この第二の本体部材５は、上記第一の本体部材４と同様に、略円筒状の突出部５１と、この突出部５１の外周に略水平に形成されたフランジ部５２とから構成される。
【００２９】
そして、突出部５１の頭頂面には、該頭頂面を貫通して略円形の開口部５３が形成されるとともに、上記フランジ部５２には、上記第一の本体部材４のネジ穴４４と対応する位置にネジ穴５４が貫通形成される。ここで、この突出部５３に形成される開口部５３は、少なくとも上記基板Ｂの裏面に突出状に設けられる電子部品Ｅが挿通可能な位置・形状・寸法を有してなり、図示例ではこの開口部５３として円形の貫通穴が形成されている。
【００３０】
なお、この第二の本体部材５は、上述したように上記第一の本体部材４と嵌合可能に形成されるので、突出部５１の位置・形状・寸法は、いずれも上記第一の本体部材４に合わせて設定される。つまり、上記第一の本体部材４として寸法の異なるものが予め数種類製作される場合、この第二の本体部材５もそれに合わせて複数製作される。
【００３１】
なお、図示例では、上記開口部５３として突出部５１の頭頂部中央付近に円形の貫通穴を形成した場合を示したが、その位置・形状・寸法は、図２に示すように、上記第一の本体部材４との間に上記基板Ｂを挟み込んだ際に、基板Ｂの裏面に設けられた電子部品Ｅが開口部５３を通じて露出し、かつ、この状態で上記基板Ｂの周縁部Ｂａを突出部５１の頭頂面５１ａで押さえられる（基板Ｂを挟み込んだ際に基板Ｂの周縁部Ｂａが上方に逃れない）ものであれば、他の位置（たとえば中央から偏心した位置）や他の形状（たとえば、矩形や楕円形）などを採用することも可能である。
【００３２】
また、突出部５１の高さは、上記第一の本体部材４の突出部４１の高さや基板Ｂの厚さなどに応じて設定される。つまり、この第二の本体部材５は、上述したように、上記基板Ｂを挟み込んで上記第一の本体部材４に嵌合使用されるが、その際に、基板Ｂと第一の本体部材４の底面４１ｂとの間に介装されるシール部材６が所定の気密状態を保てる程度の高さに設定される。
【００３３】
また、本実施形態では、後述するように、シール部材６によって基板Ｂと第一の本体部材４との気密が確保されるため、図２に示すように、第一の本体部材４の突出部４１の内周面と第二の本体部材５の突出部５１の外周面とを必ずしも密着させる必要はないが、図示の如くこれらが密着するように第二の本体部材５の突出部５１を成形しておくのが可能な限り気密を高めるという観点からは好ましい。
【００３４】
上記シール部材６は、基板Ｂと第一の本体部材４の底面４１ｂとの気密を確保するための部材であって、本実施形態では、上記底面４１ｂと略同形・同寸のリング状の弾性部材（たとえば、ゴム製のガスケット）が用いられる。
【００３５】
また、ネジ７は、上記第二の本体部材５を上記第一の本体部材４に嵌合させた状態で、上記ネジ穴５４，４４を貫通して配管Ｐに設けられるネジ穴８１に螺入可能な金属製のネジで構成される。
【００３６】
一方、上記本体シール部材３は、上記装置本体２と上記配管Ｐとを気密するためのシール部材であって、図２に示すように、本装置１を装着するために配管Ｐに設けられる開口部８の内周面と上記第一の本体部材４の突出部４１の外周面との間に介装可能に構成されたリング状の弾性部材（たとえば、ゴム製のガスケット）で構成される。
【００３７】
しかして、以上のような構成品からなるセンサ装着装置１の使用方法について以下に説明する。
【００３８】
上記本装置１の使用にあたっては、まず、センサチップＳが測定対象とする被測定流体が流れる配管Ｐに上記第一の本体部材４の突出部４１を挿入可能な開口部８を形成する。より詳細には、この開口部８は、上記突出部４１の外径と略同寸の円形の貫通穴とされる。つまり、この開口部８は、上記突出部４１を挿通させた際に、開口部８の内周面と上記突出部４１の外周面との間に大きな隙間ができないようにできる限り上記突出部４１の外周と同じ寸法となるように形成される。
【００３９】
ところで、本実施形態では、上記第一の本体部材４に形成された突出部４１の形状が、上記のように略円筒状であるので、配管Ｐに形成される開口部８もこの突出部４１の形状に合わせて円形とされるが、上記突出部４１の形状が円筒形以外の場合には、この開口部８の形状も突出部４１の形状に合わせて適宜変更される。
【００４０】
そして、この開口部８には、上記本体シール部材３を装着するためのスペースとして、図２に示すように、上記開口部８の全周にわたって配管Ｐの外側から開口部８の内周面を所定深さだけ切り欠いた切欠き溝９が形成される。この切欠き溝９の幅は、上記本体シール部材３の直径よりもやや狭く形成される。つまり、この溝９に上記本体シール部材３を挿入した状態で上記第一の本体部材４の突出部４１を開口部８に挿入することにより、この切欠き溝９に挿入された本体シール部材３によって突出部４１の外周と開口部８の内周とが気密されるように設定される。
【００４１】
また、この開口部８の開口作業と並行して、配管Ｐの所定位置には上記ネジ７が螺入可能なネジ穴８１が形成される。なお、このネジ穴８１は上記開口部８とは異なり配管Ｐを貫通しないように形成される。
【００４２】
このようにして、配管Ｐに開口部８とネジ穴８１とが形成されると、次に、上記開口部８の切欠き溝９に本体シール部材３を挿入し、その状態で、図３に示すように、上記第一の本体部材４の突出部４１を下向きにしつつ上記開口部８に挿入する。この時、フランジ部４２に形成されたネジ穴４４の位置が配管Ｐに設けられたネジ穴８１の位置と一致するようにする。
【００４３】
そして、次に、上記シール部材６を上記突出部４１の底面４１ｂに載置するとともに、シール部材６の上に基板Ｂを重ねて載置する。その際、基板ＢはセンサチップＳが、第一の本体部材４に形成された開口部４３から配管Ｐ内に臨むようにチップＳの実装された面を下向きに載置する。
【００４４】
このようにして基板Ｂをシール部材６上に載置すると、次に、上記第二の本体部材５の突出部５１を下向きにしつつ、第二の本体部材５を第一の本体部材４に嵌合させる。そして、この状態で、第二の本体部材５に設けられたネジ穴５４からネジ７を挿入して、該ネジ７を配管Ｐのネジ穴８１に螺合することで、第一および第二の本体部材４，５を配管Ｐに共締め固定する。
【００４５】
これにより、上記基板Ｂの周縁部Ｂａが、第一の本体部材４に形成された突出部４１の底面４１ｂと第二の本体部材５に形成された突出部５１の頭頂面５１ａとが基板Ｂの保持手段となって、これらにより基板Ｂの周縁部Ｂａが表裏面から挟持状に保持される。また、第一の本体部材４と基板Ｂとの間にはシール部材６が介装されるとともに、上記第二の本体部材５を共締することによって基板Ｂが下方に押圧されるので、これにより第一の本体部材４と基板Ｂとの間が気密される。つまり、基板Ｂは、気密状態をもって上記保持手段に保持される。
【００４６】
また、上記保持手段によって保持される基板Ｂ（より具体的にはセンサチップＳ）の位置は、上述したように、第一の本体部材４の突出部４１の高さによって調節されており、本装置１の使用にあたり、センサチップＳが、図２に示すように、配管Ｐの内周面とほぼ面一となるような突出部４１の高さ設定を有した第一の本体部材４を用いることにより、第一および第二の本体部材４，５を共締め固定することによって、上記保持手段が配管Ｐ内の流体の流れを乱すことなく測定に適した位置に位置決め固定される。つまり、本実施形態では、上記第一および第二の本体部材４，５のフランジ部４２，５２およびこれらを固定するネジ７が上記保持手段を被測定流体が流れる配管に位置決め固定する取付手段を構成する。
【００４７】
このように、本発明によれば、センサチップＳが実装された基板Ｂを本装置１に装着するとともに、これを配管Ｐの開口部８に装着するとう簡単な作業によって、保持手段により保持された基板表面のセンサチップＳが配管Ｐ内に露出する位置に配置されるので、配管Ｐ内の流体の流れを乱すことなく流体の測定を行なうことができる。
【００４８】
なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。
【００４９】
たとえば、上述した実施形態では、本体シール部材３およびシール部材６としてリング状の弾性部材を用いる構成を示したが、これに代えてポッティング剤等の密着を利用してシールする構成を採用することも可能である。
【００５０】
また、上述した実施形態では、第一の本体部材４と基板Ｂとの間にシール部材６を介装させる構成を採用したが、このシール部材６は、基板Ｂと保持手段とを気密するものであれば、たとえば基板Ｂと第二の本体部材５との間に介装させることもできる。ただし、その場合、第一の本体部材４と第二の本体部材５との間を気密するための措置を別途講ずる必要がある。
【００５１】
また、上述した実施形態では、第一および第二の本体部材４，５として、絞り加工による一体成形品を採用したが、これは絞り加工によると製造コストを低く押さえることができるからであり、他の加工法によって製造することも可能である。また、上述した実施形態では、これら第一および第二の本体部材４，５は、いずれも金属製のものを用いたが、耐久性や耐腐食性などに優れた部材であれば他の部材を用いることも可能である。
【００５２】
さらに、上述した実施形態では、本装置１に装着するものとして、一枚の基板ＢにセンサチップＳと増幅回路等の電子部品Ｅとが実装されたチップ・オン・ボード型のセンサ装置を用いたが、本発明に係る装着装置１は、増幅回路等の電子部品Ｅが他の基板に設けられているタイプのセンサにも適用可能である。また、使用されるセンサチップは、流体の測定に用いられるセンサであればよく、上述したマイクロチップ型熱式質量センサに限られず適宜変更可能である。
【００５３】
また、上述した実施形態では、上記保持手段として、第一および第二の本体部材４，５を用いて基板Ｂの周縁部Ｂａを挟み込んで保持する構成を採用したが、上記保持手段は、センサチップＳが実装された基板Ｂの周縁部を気密状態で保持する構成であれば、他の構成（たとえば基板Ｂを接着保持するようなもの）であってもよい。
【００５４】
なお、上述した実施形態では、本装置１の使用にあたり、配管Ｐに、本体シール部材３、第一の本体部材４、シール部材６、基板Ｂ、第二の本体部材５の順で順次部品を装着してゆく手順を示したが、先に、第一の本体部材４と、シール部材６と、基板Ｂと、第二の本体部材５とを組上げておき、その後に本体シール部材３とともに配管Ｐに装着するように用いてもよい。
【００５５】
また、上述した実施形態では、上記第一の本体部材４、シール部材６、基板Ｂおよび第二の本体部材５の全てを現場で組み立てる場合を示したが、これらは予め一体に組み上げておくことも可能である。つまり、これら組み立てた状態で第一および第二の本体部材４，５のフランジ部４２，５２や突出部４１，５１をかしめたり、あるいは圧着したり、さらには溶接するなどして、基板Ｂとシール部材６を挟み込んだ状態で第一および第二の本体部材４，５を固定しておくことも可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、センサ装着装置が、センサチップが実装された基板の周縁部を気密状態で保持する保持手段と、上記保持手段を被測定流体が流れる流体通路に位置決め固定する取付手段とを備えた装置本体と、上記装置本体と流体通路とを気密する気密手段とからなり、上記装置本体は、上記取付手段を上記流体通路に取り付けた際に、保持手段によって保持される基板表面のセンサチップが、流体通路内に露出するように形成されているので、基板を保持手段に保持させた状態で本装置を流体通路に装着することによって容易に流体の測定を行なうことができる。
【００５７】
特に、上記装置本体が、頭頂部に開口を有する突出部と、この突出部の外周に形成されたフランジ部とを備えた第一の本体部材と、この第一の本体部材に嵌合可能に形成された第二の本体部材と、これらの間に介装されるシール部材と、これらを流体通路に共締めするためのネジとから構成されることにより、基板を上記第一と第二の本体部材の間に挟み込んで流体通路に装着するだけで、センサチップの流体通路への装着が完了するので、その作業は極めて簡単である。
【００５８】
そして、上記第一および第二の本体部材を、それぞれ絞り加工により形成することにより、本装置の製造コストを低く押さえることができ、装置使用によるコストを低廉に押さえることができる。
【００５９】
また、上記第一の本体部材における突出部の高さを、流体通路の肉厚に応じて設定することにより、流体通路内の流体の流れを乱すことなく流体の測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセンサ装着装置にセンサチップが実装された基板を装着した状態の正面図である。
【図２】同センサ装着装置を用いてセンサチップを流体通路に装着した状態の拡大断面図である。
【図３】図２の分解斜視図である。
【図４】従来のセンサチップの取付具を示す斜視図である。
【図５】いわゆるチップ・オン・ボード型のセンサ装置を配管に直接装着した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１センサ装着装置
２装置本体
３本体シール部材（気密手段）
４第一の本体部材
４１突出部
４２フランジ部
４３開口部
５第二の本体部材
５１突出部
５２フランジ部
５３開口部
６シール部材
Ｂ基板
Ｅ電子部品
Ｓセンサチップ
Ｐ配管（流体通路）

Claims

センサチップが実装された基板を、被測定流体が流れる流体通路に装着するための装着装置であって、
センサチップが実装された基板の周縁部を気密状態で保持する保持手段と、前記保持手段を被測定流体が流れる流体通路に位置決め固定する取付手段とを備えた装置本体と、前記装置本体と前記流体通路とを気密する気密手段とからなり、
前記装置本体は、前記取付手段を前記流体通路に取り付けた際に、前記保持手段によって保持される前記基板表面のセンサチップが、前記流体通路内に露出するように形成され、
前記装置本体は、
頭頂部に開口を有する突出部と、この突出部の外周に形成されたフランジ部とを備えた第一の本体部材と、
この第一の本体部材に嵌合可能に形成された突出部およびフランジ部を有する第二の本体部材と、
これら第一および第二の本体部材の間に介装されるシール部材と、
前記第一および第二の本体部材のフランジ部を前記流体通路に共締めするためのネジとから構成されていることを特徴とするセンサ装着装置。
前記第一および第二の本体部材が、それぞれ絞り加工により形成された金属製の一体成形品からなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装着装置。
前記第一の本体部材における突出部の高さが、前記流体通路の肉厚に応じて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装着装置。