JP4428023B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定流体の流量を測定する、流量測定装置に関する。

被測定流体の流量を測定する流量測定装置が、例えば、特開２００２-１７４５４０号公報（特許文献１）、特開平８-２１０８９０号公報（特許文献２）に開示されている。

図７（ａ）〜（ｃ）は、従来の流量測定装置を示す模式図である。

図７（ａ）は、従来の一般的な流量測定装置の断面図である。図７（ａ）の流量測定装置９０は、被測定流体である空気の流量を測定するための流量測定装置（エアフローセンサ）で、支持板２ａに対して、センサ素子１が同一平面となるように、搭載されている。図に示すように、流量測定装置に用いられるセンサ素子１は、被測定流体の流量を精密に測定するために、被測定流体に対して剥き出し状態で搭載される構造がとられている。しかしながら、このようにセンサ素子１が剥き出し状態にある流量測定装置９０においては、被測定流体である空気に乗って流れてくるゴミやパーティクルがセンサ素子１に堆積すると、正確な流量測定が不可能になる。

図７（ｂ）は、特許文献１に開示された流量測定装置の断面図である。図７（ｂ）の流量測定装置９１では、上記パーティクル等の堆積問題を解決するため、段付きの支持板２ｂにセンサ素子１を搭載している。図に示すように、流量測定装置９１では下流側に行くほど支持板２ｂとセンサ素子１からなる段が低くなって、パーティクル等が堆積し難い構造となっている。

図７（ｃ）は、特許文献２に開示された流量測定装置を模式化して示した断面図である。図７（ｃ）の流量測定装置９２では、空気を通過できる支柱３ｓを介して、センサ素子上にカバー３が設けられ、パーティクル等が直接センサ素子１上に堆積しないようにしている。
特開２００２-１７４５４０号公報 特開平８-２１０８９０号公報

図８（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に示した従来の流量測定装置９０〜９２の問題点を説明する図である。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、図７（ａ），（ｂ）の流量測定装置９０，９１は、配管での跳ね返りによってランダム方向に飛んでくるパーティクルに対して、剥き出し状態にあるセンサ素子１が無防備である。このため、ランダム方向に飛んでくるパーティクルが衝突して、センサ素子１が傷ついたり、破壊したりすることがある。

一方、図８（ｃ）に示すように、図７（ｃ）の流量測定装置９２は、ランダム方向に飛んでくるパーティクルに対しては、カバー３によりセンサ素子１が防御されている。しかしながら、センサ素子１上にカバー３と支柱３ｓが設けられたことで、被測定流体である空気の流れが変化するため、流量の測定精度が落ちる。また、部品点数と組付工数が増えるため、製造コストが増大する。

流量測定装置９２におけるカバー３の替わりに、センサ素子１上に厚い保護膜を形成して、ランダム方向に飛んでくるパーティクルに対してセンサ素子１を防御することも可能である。しかしながら、この場合には被測定流体に対してセンサ素子１が剥き出し状態でなくなるため、やはり流量の測定精度が悪くなる。

そこで本発明は、ランダム方向に飛んでくるパーティクルによるセンサ素子破壊を抑制することができ、且つ高い測定精度が確保された流量測定装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、上方表面が被測定流体に露出して、前記被測定流体の流量を測定するセンサ素子と、前記センサ素子を搭載する支持板とを備える流量測定装置において、前記センサ素子が、ゲルからなる衝撃吸収材を介して、前記支持板に搭載され、前記被測定流体に露出される前記ゲルの上方表面部位に、パーティクル付着防止カバーが設けられてなることを特徴としている。

これによれば、ランダム方向に飛んでくるパーティクルがセンサ素子に衝突しても、ゲルからなる衝撃吸収材によってパーティクル衝突の衝撃が緩和される。このため、センサ素子が傷ついたり、破壊したりするのを抑制することができる。また、当該流測定装置においては、センサ素子が被測定流体に対して剥き出し状態であるため、センサ感度が良く、高い測定精度が確保された流量測定装置とすることができる。
衝撃吸収材として用いるゲルは、柔らかく、パーティクル衝突に対して高い衝撃吸収力を有する。また、ゲルを用いる場合には、被測定流体に露出されるゲルの上方表面部位に、パーティクル付着防止カバーを設けることが好ましい。粘着性のあるゲルの場合には、これによって、被測定流体に露出されるゲルの上方表面部位にパーティクルが付着するのを防止することができる。

請求項２に記載の発明は、上記流量測定装置において、前記センサ素子の下方において前記支持板が除かれて、センサ素子の被測定流体に露出する上方表面と反対側の下方表面が、前記衝撃吸収材のみで保持されることを特徴としている。

これによれば、センサ素子の下方に支持板がある場合に較べて、衝撃吸収材によるパーティクル衝突時のより大きな衝撃緩和効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、上記流量測定装置において、前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、前記センサ素子の周りにおいて階段形状をなし、前記階段形状の上方表面の段が、被測定流体の下流側に向かって低く設定されることを特徴としている。請求項４に記載の発明は、上記流量測定装置において、前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、前記センサ素子の周りにおいてスロープ形状をなし、前記スロープ形状の上方表面のスロープが、被測定流体の下流側に向かって低く設定されることを特徴としている。また、請求項５に記載の発明は、上記流量測定装置において、前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、前記センサ素子の周りにおいてスロープ形状をなし、前記スロープ形状の上方表面のスロープが、前記センサ素子の表面を頂部として、被測定流体の上流側と下流側に向かって低く設定されることを特徴としている。

これによれば、センサ素子の周りの上方表面に形成された階段形状もしくはスロープ形状によって、パーティクルが飛来してもセンサ素子の周囲へ流され易くなるため、センサ素子へのパーティクルの堆積が抑制される。尚、スロープ形状の上方表面は、階段形状の上方表面に較べて、被測定流体の流れの表面形状による乱れが抑制され、より好ましい。

請求項６に記載のように、上記流量測定装置は、前記センサ素子が、半導体基板上にヒータ素子と温度感知素子形成され、当該ヒータ素子と温度感知素子の下部の半導体基板に空隙が形成されて、ヒータ素子と温度感知素子が半導体基板に対して浮いた膜状態にあり、前記ヒータ素子で発生する熱が、被測定流体を介して温度感知素子に伝達され、前記温度感知素子の温度上昇に基づいて、被測定流体の流量を検出する流量測定装置に好適である。

半導体基板上に形成され、ヒータ素子と温度感知素子が半導体基板に対して浮いた膜状態にある（メンブレン構造）センサ素子は、高いセンサ感度を有する反面、メンブレン構造部の強度が低く、パーティクル衝突によって破壊され易い。このような、メンブレン構造を有するセンサ素子であっても、上記のように衝撃吸収材を介して支持板に搭載することで、ランダム方向に飛んでくるパーティクルによる破壊を抑制することができる。

上記のヒータ素子と温度感知素子を有するセンサ素子は、請求項７に記載のように、ヒータ素子と温度感知素子を、前記被測定流体の流れ方向に沿って、交互に並んで配置することで、被測定流体の流量の測定精度を高めることができる。

請求項８に記載のように、上記流量測定装置は、前記被測定流体が空気であるエアフローセンサに好適である。エアフローセンサでは、被測定流体である空気にゴミやパーティクルが混入し易いが、上記のように衝撃吸収材を介してセンサ素子を支持板に搭載することで、パーティクルの衝突によるセンサ素子の破壊を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の基本となる流量測定装置の一例を示す模式図で、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示す流量測定装置１００は、空気を被測定流体とするエアフローセンサである。流量測定装置１００は、空気の流量を測定するセンサ素子１と、センサ素子１を搭載する支持板２ｃとを備えており、衝撃吸収材４を介して、センサ素子１が支持板２ｃに搭載されている。

図２（ａ）〜（ｄ）は、上記の流量測定装置１００に用いられるセンサ素子１を説明するための模式図で、４種類のセンサ素子１ａ〜１ｄをより詳細に示した断面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、エアフローセンサのセンサ素子１ａ〜１ｃは、半導体基板１０上に形成されたヒータ素子ｈと温度感知素子ｔとを有する。図２（ａ）のセンサ素子１ａでは、1個のヒータ素子ｈと２個の温度感知素子ｔとが、空気の流れ方向に沿って、交互に並んで配置されている。図２（ｂ）のセンサ素子１ｂでは、２個のヒータ素子ｈと３個の温度感知素子ｔとが、空気の流れ方向に沿って、交互に並んで配置されている。また、図２（ｃ）のセンサ素子１ｃでは、３個のヒータ素子ｈと４個の温度感知素子ｔとが、空気の流れ方向に沿って、交互に並んで配置されている。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すエアフローセンサのセンサ素子１ａ〜１ｃでは、ヒータ素子ｈで発生する熱が、被測定流体である空気を介して温度感知素子ｔに伝達され、温度感知素子ｔの温度上昇に基づいて、空気の流量が検出される。図２（ｃ）に示すセンサ素子１ｃのように、ヒータ素子ｈと温度感知素子ｔの数を増やすほど、精密な流量測定が可能である。

尚、図２（ｄ）のセンサ素子１ｄに示すように、通常、ヒータ素子ｈと温度感知素子ｔの下部の半導体基板１０ｍに空隙ｓが形成されて、ヒータ素子ｈと温度感知素子ｔは半導体基板１０ｍに対して浮いた膜状態にある（メンブレン構造）。メンブレン構造を持つセンサ素子１ｄは、メンブレン構造部の強度が低く、パーティクル衝突によって破壊され易い。一方、メンブレン構造を持つセンサ素子１ｄは、半導体基板１０ｍを介した伝熱が抑制されるため、高いセンサ感度を有する。

図１（ａ），（ｂ）に示す流測定装置１００においては、センサ素子１が被測定流体である空気に対して剥き出し状態にあり、これによっても、センサ感度が良く高い測定精度が確保された流量測定装置となっている。

図１（ａ），（ｂ）に示す衝撃吸収材４は、図１（ｂ）に示すように、ランダム方向に飛んでくるパーティクルがセンサ素子１に衝突した場合に、衝突による衝撃を緩和するために配置されたものである。これによって、センサ素子１が傷ついたり、破壊したりするのを抑制することができる。特に、センサ素子１の衝撃吸収材４を介した支持板２ｃへの搭載は、高いセンサ感度を有する反面、強度に低いメンブレン構造を有するセンサ素子に対して効果的である。

図１（ａ），（ｂ）に示す衝撃吸収材４には、耐熱性ゴムを用いることができる。図２（ａ）〜（ｄ）で説明したようにセンサ素子１は発熱するヒータ素子ｈを有するが、センサ素子１の発熱に対して劣化しない耐熱性ゴムであれば、パーティクル衝突による衝撃吸収力も劣化することがなく、長期間の使用が可能である。

図１（ａ），（ｂ）に示す衝撃吸収材４には、耐熱性樹脂を用いることもできる。また、耐熱性樹脂を発泡体とすることで、パーティクル衝突による衝撃吸収力を増大することができる。耐熱性樹脂としては、例えば、ポリスチレン、ポリウレタン、エポキシ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のいずれかを用いることができる。

図１（ａ），（ｂ）に示す衝撃吸収材４には、ゲルを用いることもできる。

図３は、衝撃吸収材としてゲル４ｇを用いた本発明に係る流量測定装置１０１の模式的な断面図である。ゲル４ｇは柔らかく、パーティクル衝突に対して高い衝撃吸収力を有する。ゲル４ｇを用いる場合には、図３に示すように、被測定流体に露出されるゲル４ｇの上方表面部位に、パーティクル付着防止カバー４ｇｃを設けることが好ましい。粘着性のあるゲル４ｇの場合には、これによって、被測定流体に露出されるゲル４ｇの上方表面部位にパーティクルが付着するのを防止することができる。

図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の基本となる流量測定装置に関する別の例を示す模式的な断面図である。図４（ａ）〜（ｆ）の流量測定装置１０２〜１０７においては、センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された被測定流体に露出する上方表面が、それぞれ、異なった形状になるように構成されている。

図４（ａ）の流量測定装置１０２は、センサ素子１、衝撃吸収材４および支持板２ｄで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の周りにおいて階段形状をなしている。図４（ｂ）の流量測定装置１０３は、センサ素子１、衝撃吸収材４および支持板２ｅで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の上流側において段差のないスロープ形状をなしており、センサ素子１の下流側において階段形状をなしている。図４（ｃ）の流量測定装置１０４は、センサ素子１、衝撃吸収材４および支持板２ｆで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の上流側において階段形状をなしており、センサ素子１の下流側においてスロープ形状をなしている。図４（ｄ）の流量測定装置１０５は、センサ素子１、衝撃吸収材４および支持板２ｇで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の周りにおいてスロープ形状をなしている。図４（ｅ）の流量測定装置１０６は、センサ素子１、衝撃吸収材４ｓおよび支持板２ｄで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の周りにおいてスロープ形状をなしている。

上記の図４（ａ）〜（ｅ）の流量測定装置１０２〜１０６においては、いずれも、階段形状の上方表面の段もしくはスロープ形状の上方表面のスロープが、空気の流れの下流側に向かって低く設定されている。

図４（ｆ）の流量測定装置１０７は、センサ素子１、衝撃吸収材４および支持板２ｈで構成された空気に露出する上方表面が、センサ素子１の周りにおいてスロープ形状をなしている。図４（ｆ）の流量測定装置１０７においては、スロープ形状の上方表面のスロープが、センサ素子１の上方表面を頂部として、空気の流れの上流側と下流側に向かって低く設定されている。

上記の図４（ａ）〜（ｆ）に示す流量測定装置１０２〜１０７においては、センサ素子の周りの上方表面に形成された階段形状もしくはスロープ形状によって、パーティクルが飛来してもセンサ素子１の周囲へ流され易くなっている。このため、センサ素子１へのパーティクルの堆積が抑制される。従って、長期間に渡って、高い測定精度の流量測定が可能である。尚、図４（ｄ）〜（ｆ）の流量測定装置１０５〜１０７におけるスロープ形状の上方表面は、図４（ａ）の流量測定装置１０２における階段形状の上方表面に較べて、空気の流れの表面形状による乱れが抑制され、より好ましい。

図５（ａ）〜（ｃ）および図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の基本となる流量測定装置に関する別の例を示す模式図である。

図５（ａ），（ｂ）は流量測定装置１０８を示す図で、図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は断面図である。

図５（ａ），（ｂ）に示す流量測定装置１０８においては、センサ素子１の下方において支持板２ｉが除かれて、センサ素子１の空気に露出する上方表面と反対側の下方表面が、衝撃吸収材４ａのみで保持されている。これによって、センサ素子１の下方に支持板２ｃがある図１（ａ），（ｂ）の流量測定装置１００に較べて、衝撃吸収材４ａによるパーティクル衝突時のより大きな衝撃緩和効果を得ることができる。

図５（ｃ）の流量測定装置１０９は、図５（ａ），（ｂ）の流量測定装置１０８に対して、スロープ形状の上方表面を持つ支持板２ｊにより、さらに、空気の流れの表面形状による乱れを抑制した流量測定装置である。

図６（ａ），（ｂ）は、別の流量測定装置１１０を示す図で、図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は断面図である。

図６（ａ），（ｂ）に示す流量測定装置１１０においても、センサ素子１の下方において支持板２ｋが除かれて、センサ素子１の空気に露出する上方表面と反対側の下方表面が、衝撃吸収材４ｂのみで保持されている。図６（ａ），（ｂ）の流量測定装置１１０では、センサ素子１の下流側の支持板２ｋも除かれており、センサ素子１が片持ち状態で保持されている。このため、衝撃吸収材４ｂにより、図５（ａ），（ｂ）の流量測定装置１０８に較べてさらに大きな衝撃緩和効果を得ることができる。

図６（ｃ）の流量測定装置１１１は、図６（ａ），（ｂ）の流量測定装置１１０に対して、スロープ形状の上方表面を持つ支持板２ｌにより、さらに、空気の流れの表面形状による乱れを抑制した流量測定装置である。

以上のように、図１および図３〜６に示す流量測定装置１００〜１１１は、ランダム方向に飛んでくるパーティクルによるセンサ素子１の破壊を抑制することができ、且つ高い測定精度が確保された流量測定装置となっている。

本発明の基本となる流量測定装置の一例を示す模式図で、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、流量測定装置に用いられるセンサ素子を説明するための模式図で、４種類のセンサ素子をより詳細に示した断面図である。 衝撃吸収材としてゲルを用いた本発明に係る流量測定装置の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の基本となる流量測定装置に関する別の例を示す模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の基本となる流量測定装置に関する別の例を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の基本となる流量測定装置に関する別の例を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の流量測定装置を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に示す従来の流量測定装置の問題点を説明する図である。

符号の説明

９０〜９２，１００〜１１１ 流量測定装置
１，１ａ〜１ｄ センサ素子
２ａ〜２ｌ 支持板
４，４ａ，４ｂ，４ｇ，４ｓ 衝撃吸収材
４ｇｃ パーティクル付着防止カバー
ｈ ヒータ素子
ｔ 温度感知素子
ｓ 空隙
１０，１０ｍ 半導体基板

Claims (8)

1. 上方表面が被測定流体に露出して、前記被測定流体の流量を測定するセンサ素子と、前記センサ素子を搭載する支持板とを備える流量測定装置において、
   前記センサ素子が、ゲルからなる衝撃吸収材を介して、前記支持板に搭載され、
   前記被測定流体に露出される前記ゲルの上方表面部位に、パーティクル付着防止カバーが設けられてなることを特徴とする流量測定装置。
2. 前記センサ素子の下方において前記支持板が除かれて、センサ素子の被測定流体に露出する上方表面と反対側の下方表面が、前記衝撃吸収材のみで保持されることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
3. 前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、
   前記センサ素子の周りにおいて階段形状をなし、
   前記階段形状の上方表面の段が、被測定流体の下流側に向かって低く設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
4. 前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、
   前記センサ素子の周りにおいてスロープ形状をなし、
   前記スロープ形状の上方表面のスロープが、被測定流体の下流側に向かって低く設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
5. 前記センサ素子、衝撃吸収材および支持板で構成された、前記被測定流体に露出する上方表面が、
   前記センサ素子の周りにおいてスロープ形状をなし、
   前記スロープ形状の上方表面のスロープが、前記センサ素子の表面を頂部として、被測定流体の上流側と下流側に向かって低く設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の流量測定装置。
6. 前記センサ素子が、
   半導体基板上にヒータ素子と温度感知素子形成され、
   当該ヒータ素子と温度感知素子の下部の半導体基板に空隙が形成されて、ヒータ素子と温度感知素子が半導体基板に対して浮いた膜状態にあり、
   前記ヒータ素子で発生する熱が、被測定流体を介して温度感知素子に伝達され、
   前記温度感知素子の温度上昇に基づいて、被測定流体の流量を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流量測定装置。
7. 前記ヒータ素子と温度感知素子が、前記被測定流体の流れ方向に沿って、交互に並んで配置されることを特徴とする請求項６に記載の流量測定装置。
8. 前記被測定流体が、空気であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の流量測定装置。

Images