JP5061963B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

本発明は流量センサに関し、具体的には、気体や液体などの流体の流量や流速を計測するための流量センサに関する。

（特許文献１の流量センサ）
流体の流量を計測する流量センサとしては、特開２００７−２１２１９９号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この流量センサにあっては、特許文献１の図２及び図３に記載されているように、流路ボディ内に形成された流体流路の上面の一部が流路ボディの凹所内に開口しており、流路ボディ上面の凹所にはＯリングを介してセンサチップが納められる。そして、センサチップは流路ボディの上面に重ねた押さえ板によってＯリングに押圧されており、押さえ板の上面から流路ボディにボルトをねじ込むことによって押さえ板と流路ボディを一体に結合し、センサチップの下面と凹所との間にＯリングを挟みこむことによって流体流路の上面開口の周囲を封止している。センサチップの下面に設けた流量検出部は、流体流路の上面開口に面しており、流体流路に流れる流体の流量は流量検出部により測定される。

図１（ａ）（ｂ）は、特許文献１に開示された流量センサを表した概略平面図及び概略断面図である。特許文献１のような流量センサでは、センサチップ１２を納めた流路ボディ１１と押さえ板１３を上面からねじ込んだボルト１４で結合させており、しかも、ボルト１４が流体流路１５へ突き抜けることのないように四隅をボルト１４で止めている。そのため、図１（ｂ）に示すように、押さえ板１３の上面にボルト１４の頭部が飛び出し、また図１（ａ）に示すように、上面側から見た場合、押さえ板１３と流路ボディ１１の四隅にそれぞれボルト１４で止めるための領域（ねじ穴などの領域）が必要となる。従って、特許文献１のような構造では、流量センサを小型化することが困難であった。

また、特許文献１の流量センサでは、押さえ板１３の四隅をボルト１４で固定されており、その一方センサチップ１２が流体流路１５の一部を構成しているため、センサチップ１２や押さえ板１３は流体からの圧力やＯリング１６からの弾性反発力を受けており、センサチップ１２や押さえ板１３には図１（ａ）に破線で、図１（ｂ）に矢印で示すような分布応力が加わる。これらの応力により、センサチップ１２や押さえ板１３には、図１（ｂ）に示すようにドーム状の反りが発生する。その結果、流量センサを小型・薄型化した場合には、押さえ板１３の変位により流路断面積が変化し特性変動を引き起こしたり、センサチップ１２の中心部に加わる応力によりセンサチップ１２上の配線パターンが断線したり、流量検出部１７にクラックが発生したりして流量センサが損傷する恐れがあった。また、センサチップ１２の反りを小さくして流量センサの損傷を小さくするためには、セラミック基板のような高価な基板を用いなければならないので、流量センサのコストが上昇する。

また、特許文献１の流量センサでは、ボルト１４が必要であるために部品点数が増加し、組立て工程においてはボルト１４を締める工程が増加し、ボルト１４の締付けトルクの管理が必要になる問題があった。

（特許文献２の流量センサ）
別な流量センサとしては、米国特許第６６５２０７号明細書（特許文献２）に記載されたものがある。この流量センサにあっては、特許文献２の図５に示されているように、ハウジング（housing）内に流路部材（flow tube）を納めて流体流路を形成し、基板（substrate base）の下面に設けたセンサチップ（flow sensor）を流路部材の上面開口に臨ませるようにして流路部材の上に基板を重ねている。基板の上面にはカバー（cover）を重ねてあり、カバーは外周部に設けられたノッチ状のスナップ（notch）をハウジングの側面に設けた突起（peg）に引っ掛けてハウジングに固定され、基板や流路部材をカバーで押さえ付けてシール性を確保している。

図２は特許文献２に開示された流量センサの構造を簡略化して表した図であり、符号２１はハウジング、２２は流路部材、２３は流体流路、２４は基板、２５はセンサチップ、２６は流路部材の上面開口、２７はカバー、２８はスナップ、２９は突起である。このような構造の流量センサにあっては、カバー２７の組込み方向と基板２４の変位可能方向とがいずれも垂直方向であるという点で一致しており、しかも、スナップ２８は流量センサの小型化に伴って薄く脆弱になり易いため、流体の圧力や環境変化の影響により基板２４が垂直方向に変位する恐れがある。そして、基板２４が垂直方向に変位すると、流体流路２３の形状が変化したり、流体流路２３の位置がずれたりするため、流量センサの特性が変化する問題があった。また、基板２４が浮き上がると、流体流路２３のシール性を確保することができなくなる恐れがあった。

なお、図３に示すように、特許文献２の流路部材２２と基板２４の間に接着剤３０を塗布することによって流路部材２２と基板２４とを接着する方法も考えられる。しかし、接着剤を用いる工程では、接着剤の塗布工程が必要であるために工数が増加する。また、塗布した接着剤が流体流路に流れ込むと流量センサの特性に影響を与え、製品ばらつきを生じる要因となるため、塗布量の管理も必要となる。さらに、接着剤を硬化・乾燥させるための養生時間が長くなるので、製造効率が低下するという問題が生じる。

特開２００７−２１２１９９号公報 米国特許第６６５２０７号明細書

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型化することができ、ハウジングの強度を確保することができ、基板に加わるストレスを緩和することができ、しかも部品点数及び組立て工程数を削減してローコスト化を図ることのできる流量センサを提供することにある。

本発明にかかる流量センサは、内部の流体流路と基板設置面とを有し、前記流体流路の上面の一部が前記基板設置面で開口したベースと、前記流体流路の開口を囲むようにして前記基板設置面の上に載置されたシール部材と、前記シール部材の上に載置されて前記流体流路の開口を覆う基板と、前記流体流路の開口に面するようにして前記基板の下面に設けられたセンサチップと、前記ベースに取り付けてハウジングを構成するカバーとを備えた流量センサであって、前記カバーと前記ベースは、前記基板が前記シール部材を押圧する方向と異なる方向へ前記カバーを動かすことによって互いに嵌め合わされる係合部と被係合部をそれぞれ有し、前記カバーは、前記基板の上面を前記シール部材の押圧方向に向けて押圧する基板押さえ部を有していることを特徴としている。

本発明の流量センサにあっては、基板押さえ部によってシール部材の上の基板を押圧しているので、シール部材を基板と基板設置面との間に挟みこんで基板により流体流路の開口を確実に封止することができる。また、カバーとベースは係合部と被係合部を嵌め合わせることによって組み立てられるので、カバーとベースで強度の高いハウジングを構成することができる。しかも、基板のシール部材を押圧する方向と異なる方向へカバーを動かすことによってカバーの係合部とベースの被係合部を互いに嵌め合わせてカバーをベースに取り付け、カバーに設けた基板押さえ部で基板上面をシール部材押圧方向に向けて押圧しているので、シール部材押圧力の反力が係合部と被係合部との嵌め合わせを外す方向にほとんど働かないため、流体流路のシール性が損なわれにくい。また、基板が浮き上がりにくいので、流体流路の断面積が変化しにくく、流量センサの特性変化を抑制することができる。

本発明の流量センサにあっては、カバーをベースに取り付けるための係合部と被係合部はそれぞれカバーとベースに設けられ、基板を押さえるための基板押さえ部もカバーに設けられているので、カバーとベースを結合して一体化するために別部材が必要なく、また基板を押さえるための別部材も必要なく、部材点数が増加することもない。さらに、別部材が必要ないので、流量センサの小型化を図ることができる。また、カバーとベースを組み立てるためには係合部と被係合部とを嵌め合わせるだけでよく、しかも、係合部と被係合部とを嵌め合わせることによって基板押さえ部が基板の上面を押圧するので、流量センサの組立性もよい。

なお、本発明の流量センサでは、カバーをベースに取り付けるために接着剤を必要としないので、接着剤が流体流路に流れ込んで流量センサの特性に影響を与えることもない。

従って、本発明の流量センサによれば、流量センサの小型化を図りつつハウジングの強度を確保することができ、また部品点数及び組立て工程数を削減してローコスト化を図ることができる。

本発明のある実施態様による流量センサは、前記係合部と前記被係合部が、前記カバーを前記基板の上面と平行な方向へ動かすことによって互いに嵌め合わされている。かかる実施態様によれば、シール部材押圧力の反力が係合部と被係合部との嵌め合わせを外す方向には全く働かないため、流体流路のシール性が損なわれることがない。また、基板が浮き上がらないので、流体流路の断面積が変化せず、流量センサの特性が変化しない。さらに、この実施態様にあっては、係合部と被係合部を嵌め合わせる際には、基板押さえ部は基板の上面に沿って移動するので、基板を基板押さえ部で押圧しながらカバーとベースを組み立てることができ、組立性も良好となる。

本発明の別な実施態様による流量センサは、前記カバーに基板押さえ部を複数設けている。かかる実施態様によれば、基板押さえ部から基板に加わる押圧力を分散させることができるので、シール部材の反力や内部圧力による基板の撓みをより低減することができる。よって、基板に設けられた配線パターンが断線したり、センサチップにクラックが生じたり、基板に実装されている電子部品が基板から剥離したりしにくくなり、流量センサの耐久性を向上させることができる。また、基板が撓みにくくなるので、流体流路のシール性もより向上する。

本発明のさらに別な実施態様による流量センサは、前記基板押さえ部の先端部下面に面取りが施されている。かかる実施態様によれば、ベースにカバーを取り付けながら、基板の外周側から基板押さえ部をスライドさせて基板押さえ部で基板の上面を押圧する際、基板押さえ部の先端部が基板の縁に引っ掛かりにくくなり、流量センサの組立性が向上する。

本発明のさらに別な実施態様による流量センサは、前記係合部の少なくとも一部が、前記カバーを前記ベースに取り付ける際に、前記基板押さえ部の先端が前記基板に接触するよりも以前に前記被係合部に接触する長さを有している。かかる実施態様によれば、カバーの係合部の少なくとも一部をベースの被係合部に嵌め込んだ後に、基板の外周側から基板押さえ部をスライドさせて基板押さえ部で基板の上面を押圧することができる。よって、基板押さえ部が基板の端に触れたときから基板に基板押さえ部による押圧力が発生するので、流量センサの組立性が向上する。

本発明のさらに別な実施態様による流量センサは、前記基板押さえ部が、前記シール部材の少なくとも一部の直上で前記基板を押圧している。かかる実施態様によれば、基板押さえ部で基板の上からシール部材を押さえてシール部材の弾性反発力を減殺することができるので、シール部材の反力による基板の撓みを低減することができる。よって、基板に設けられた配線パターンが断線したり、センサチップにクラックが生じたり、基板に実装されている電子部品が基板から剥離したりしにくくなり、流量センサの耐久性を向上させることができる。

本発明のさらに別な実施態様による流量センサは、前記基板押さえが、前記基板の上面の対向する辺のうち一方の辺から他方の辺までを押圧している。かかる実施態様によれば、基板押さえ部の押圧面積が大きくなるので、基板押さえ部から基板に加わる押圧力を分散させることができ、シール部材の反力や内部圧力による基板の撓みをより低減することができる。よって、基板に設けられた配線パターンが断線したり、センサチップにクラックが生じたり、基板に実装されている電子部品が基板から剥離したりしにくくなり、流量センサの耐久性を向上させることができる。また、基板が撓みにくくなるので、流体流路のシール性もより向上する。

本発明のさらに別な実施態様による流量センサは、前記ベースの内面にも前記基板の上面を押さえるための基板押さえ部を設けている。かかる実施態様によれば、基板押さえ部の数を増やすことができるので、基板押さえ部から基板に加わる押圧力を分散させることができ、シール部材の反力や内部圧力による基板の撓みをより低減することができる。よって、基板に設けられた配線パターンが断線したり、センサチップにクラックが生じたり、基板に実装されている電子部品が基板から剥離したりしにくくなり、流量センサの耐久性を向上させることができる。また、基板が撓みにくくなるので、流体流路のシール性もより向上する。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
以下、図４〜図２０を参照して本発明の実施形態１を説明する。図４は本発明の実施形態１による流量センサ４１を示す斜視図である。図５（ａ）（ｂ）は流量センサ４１の平面図及び底面図であり、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は流量センサ４１の正面図、背面図および側面図である。図７は流量センサ４１の斜め上方から見た分解斜視図である。図８は流量センサ４１の斜め下方から見た分解斜視図である。図９は図５（ａ）のＸ１−Ｘ１線断面図、図１０は図５（ａ）のＸ２−Ｘ２線断面図である。図１１（ａ）は図５（ａ）のＹ１−Ｙ１線に沿って断裁した状態の斜視図、図１１（ｂ）は図５（ａ）のＹ１−Ｙ１線断面図である。図１２（ａ）は図５（ａ）のＹ２−Ｙ２線に沿って断裁した状態の斜視図、図１２（ｂ）は図５（ａ）のＹ２−Ｙ２線断面図である。

流量センサ４１の外観は、図４、図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、カバー４２とベース４３からなるハウジング４４によって構成されており、ベース４３の両側面には脚部４５が設けられ、脚部４５には流量センサ４１をネジなどで固定するための透孔４６が開口している。流量センサ４１の上面においてカバー４２とベース４３との間に形成された窓４７からは、信号取出用コネクタ４８が突出しており、コネクタ４８内には端子４９が設けられている。流量センサ４１の下面には、一対の流体導入ポート５０が開口している。なお、ハウジング４４の前後方向の厚みは約１０ｍｍ、脚部４５を除いた部分の横幅が約２５ｍｍ、高さが約１０ｍｍである。

図７に示すように、ベース４３は、台座部５１、脚部４５、台座部５１の背面上部に垂直に立った背壁部５２、および台座部５１と脚部４５との境界で垂直に立った側壁部５３によって構成されている。図９及び図１０に示すように、ベース４３の内部には逆Ｕ形の流体流路５４が形成されており、流体流路５４は、下端が底面の流体導入ポート５０につながった垂直流路５４ｂと、左右の垂直流路５４ｂの上端間を連通させる水平流路５４ａとで構成されている。水平流路５４ａの底面には水平流路５４ａの流路断面積を部分的に狭くするための凸部５５が設けられており、ベース４３の上面には水平流路５４ａ内へ貫通した測定窓５６が開口している。測定窓５６の周囲を囲むようにして台座部５１の上面（基板設置面）にはＯリングなどの弾性を有する環状のシール部材５７を嵌め込むための凹所５８が形成され、凹所５８の深さはシール部材５７の厚みよりも浅くなっている。

また、左右の側壁部５３の上端部には、カバー４２の上側ボス５９を圧入するための被圧入穴６０が設けられている。台座部５１の前面には、カバー４２の下側ボス６１、６２を圧入するための被圧入穴６３、６４が設けられている。被圧入穴６０、６３、６４はベース４３の前後方向に向けて水平に開口している。図示例では、上側ボス５９及び被圧入穴６０は二組、下側ボス６１及び被圧入穴６３は二組、下側ボス６２及び被圧入穴６４は一組となっているが、これらはカバー４２とベース４３をしっかりと結合一体化できるようになっていればよく、これらの数にはこだわらない。なお、被圧入穴６０、６３は、後半部では前半部よりも内径が若干大きくなっていて、上側ボス５９及び下側ボス６１の圧入抵抗を低減している。

図８に示すように、カバー４２においては、内面の左右上部から水平に上側ボス５９が突出し、内面の左右下部から水平に下側ボス６１が突出し、内面の中央下部から水平に下側ボス６２が突出している。上側ボス５９や下側ボス６１の先端部外周には先細りのテーパー状に面取りを施してあり、被圧入穴６０、６３の縁には擂り鉢状に面取りしてあるので、上側ボス５９や下側ボス６１をそれぞれ被圧入穴６０、６３にスムーズに挿入できる。下側ボス６２の先端部上縁及び下縁には面取りを施してあり、被圧入穴６４の縁にも擂り鉢状に面取りをしているので、下側ボス６２も被圧入穴６４にスムーズに挿入できる。

さらに、カバー４２内面の両側部には棒状の基板押さえ６５が突出しており、その内側には断面逆Ｌ形をした基板押さえ６６が突出している。この基板押さえ６５の下面と基板押さえ６６の下端面とは同じ高さに揃っている。そして、後述のようにして上側ボス５９、下側ボス６１、６２をそれぞれ被圧入穴６０、６３、６４に圧入してカバー４２とベース４３とを組み合わせたとき、カバー４２とベース４３が嵌合して回路基板６７を収納するためのハウジング４４が形成されるとともに、その上面にはコネクタ４８を突出させるための窓４７が形成される。

回路基板６７には適宜配線パターンが形成されており、回路基板６７の下面中央部には流体の流量や流速などを測定するためのセンサチップ６８が実装され、また回路基板６７には電源用やヒータ制御用、出力増幅用などの電子部品６９が表面実装されている。回路基板６７の上面中央部にはコネクタ４８が設けられており、コネクタ４８の端子４９は回路基板６７の回路に電気的に接続されている。回路基板６７としては、少なくともシール部材５７の内側にはスルーホールなどを持たない表面実装用の基板が望ましい。

図１３はセンサチップ６８の基本構成を説明する概略断面図である。符号７０はシリコン基板等からなるセンサ基板であって、センサ基板７０の上面には空間７１が凹設されており、センサ基板７０の上面には空間７１を覆うようにしてダイアフラム（薄膜）７２が形成されている。ダイアフラム７２の空間７１の上に位置する領域の中央部には発熱用のヒータ７３が設けられており、流体が流れる方向に沿ってヒータ７３の両側には測温抵抗体７４ａ、７４ｂが形成されている。しかして、測定動作時にはヒータ７３はオンになっていて発熱しており、ヒータ７３の周囲には温度分布が生じている。すなわち、ヒータ７３から遠くなるにしたがって温度が次第に低くなっていて、ヒータ７３に近いところが高温側Ｈとなり、ヒータ７３から遠い側が低温側Ｌとなっている。センサチップ６８の表面に沿って流体の流れのない場合には、図１３（ａ）に示すようにヒータ７３の周囲の温度分布は対称となっており、両側の測温抵抗体７４ａ、７４ｂの検出温度は等しくなっている。これに対し、図１３（ｂ）に示す矢印の方向に流体の流れが生じている場合には、流体によってヒータ７３の熱が風上から風下へと運ばれるので、風下の測温抵抗体７４ｂの測定温度が風上の測温抵抗体７４ａの測定温度よりも高温になる。しかも、流体の流量や流速が大きいほど両測温抵抗体７４ａ、７４ｂの測定温度差が大きくなる。よって、両測温抵抗体７４ａ、７４ｂの測定温度に基づいて流体流路５４に流れる流体の流量や流速を計測することができる。センサチップ６８は図１３に示した構造のものを上下反転させて回路基板６７の下面に実装されている。

図７、図１４及び図１５により、流量センサ４１の組立手順を説明する。流量センサ４１の組立にあたっては、まず、図７に示すように、測定窓５６の周囲の凹所５８に環状のシール部材５７をはめ込む。ついで、図１４に示すように、台座部５１と回路基板６７との間にシール部材５７を挟みこむようにして上方から台座部５１の上面に回路基板６７を水平に置く。この状態では、回路基板６７はシール部材５７の上に乗っており、台座部５１の上面（基板設置面）からは若干浮き上がっている。また、下面のセンサチップ６８は測定窓５６内に位置していて水平流路５４ａ内に面している。

こうしてベース４３にシール部材５７と回路基板６７を重ねた後、図１５に示すように、基板押さえ６５及び基板押さえ６６で回路基板６７を下へ押さえてシール部材５７を押し潰した状態で、矢印のようにカバー４２をベース４３へ向けて水平に（回路基板６７の上面と平行に）押し、カバー４２の上側ボス５９、下側ボス６１、６２をそれぞれ水平方向からベース４３の被圧入穴６０、６３、６４に押し込んでカバー４２とベース４３を結合一体化し、流量センサ４１を組み立てる。

こうして組み立てられた流量センサ４１においては、基板押さえ６５、基板押さえ６６によって回路基板６７が下方へ押圧され、シール部材５７が回路基板６７と台座部５１との間で押し潰されて測定窓５６の周囲で回路基板６７と台座部５１との間を封止している。また、回路基板６７とシール部材５７は基板押さえ６５、６６と台座部５１との間に挟み込まれているので、回路基板６７はハウジング４４内にがたつきなく保持される。また、回路基板６７の横幅はベース４３の側壁部５３の内面間の距離にほぼ等しくなっており、回路基板６７の前後方向の長さは背壁部５２の内面と台座部５１の内面との距離にほぼ等しくなっているので、回路基板６７は台座部５１の上面に載置したときにほぼ一定位置に位置決めされ、その下面のセンサチップ６８も測定窓５６内のほぼ一定位置に位置決めされる。

流量センサ４１の組立て方法は、大まかには上記の通りであるが、具体的な組立て方法は、以下に説明するように、基板押さえ６５、６６や上側ボス５９、下側ボス６１、６２の長さによって異なる。ここでは、台座部５１の上面に載置された回路基板６７の前端面の位置が台座部５１の前面にほぼ揃っているものとし、台座部５１の前面から被圧入穴６０の前端までの水平距離をＡとする。また、カバー４２においては、上側ボス５９の前端が基板押さえ６５、６６の前端から水平方向にＢだけ引っ込んでおり（上側ボス５９の前端が基板押さえ６５、６６の前端よりも飛び出ている場合には、水平距離Ｂは負の値をとるものとする。）、下側ボス６１の前端が基板押さえ６５、６６の前端から水平方向にＣだけ引っ込んでいるものとする（下側ボス６１の前端が基板押さえ６５、６６の前端よりも飛び出ている場合には、水平距離Ｃは負の値をとるものとする。）。なお、下側ボス６２は比較的短くて最後に被圧入穴６４に圧入されるものとする。

図１６は、水平距離Ａ、Ｂ、Ｃどうしの関係が
−Ｂ＜Ａ
Ｃ＞０
Ｃ−Ｂ＜Ａ
である場合を表している。この場合には、図１６（ａ）に示すように、基板押さえ６５、６６の下面で回路基板６７の上面を押さえてシール部材５７を押し潰し、そのまま基板押さえ６５、６６を回路基板６７の上面に沿って滑らせるようにしてカバー４２を水平に押し、図１６（ｂ）のように下側ボス６１を被圧入穴６３へ圧入させる。ついで、さらにカバー４２を水平に押して図１６（ｃ）のように上側ボス５９を被圧入穴６０に圧入させる。最後に、下側ボス６２を被圧入穴６４に圧入してカバー４２とベース４３をぴったりと嵌め合わせて流量センサ４１を組立て終わる。

上記のような関係を満たしていれば、基板押さえ６５、６６で回路基板６７を押さえる動作と、下側ボス６１を被圧入穴６３に圧入する動作と、上側ボス５９を被圧入穴６０に圧入する動作とを同時でなく、順番に行うことができるので、流量センサ４１の組立てを容易に行うことができる。なお、Ｃ−Ｂ＜Ａの関係に代えて、Ｃ−Ｂ＞Ａとすれば、基板押さえ６５、６６で回路基板６７を押さえる動作、上側ボス５９を被圧入穴６０に圧入する動作、下側ボス６１を被圧入穴６３に圧入する動作という順序で組み立てることになる。

つぎに、図１７は、水平距離Ａ、Ｂ、Ｃどうしの関係が
−Ｂ＜Ａ
Ｃ＜０
Ｃ−Ｂ＜Ａ
である場合を表している（ただし、第３式は第１式及び第２式より導かれるので、第１式と第２式の条件だけを満たしていればよい。）。この場合には、まず図１７（ａ）のように下側ボス６１の先端部を被圧入穴６３へ圧入させる。ついで、カバー４２を水平方向に押し込んで、図１７（ｂ）に示すように基板押さえ６５、６６を先端側から回路基板６７の上面に乗り上げさせて基板押さえ６５、６６で回路基板６７を下方へ押さえ込む。基板押さえ６５、６６の先端が回路基板６７の上に乗る前には、シール部材５７の潰し代分だけ回路基板６７が台座部５１の上面から浮いているが、基板押さえ６５、６６の先端部下面には、図１８（ａ）に示すような円弧状の面取り７６、あるいは図１８（ｂ）に示すような傾斜面状の面取り７６を施しているので、カバー４２を水平にスライドさせたとき、基板押さえ６５の面取り７６にガイドされて基板押さえ６５、６６が回路基板６７に引っ掛かることなくスムーズに回路基板６７の上に乗るとともに回路基板６７が下に押さえ込まれてシール部材５７が弾性的に押し潰される。さらに、カバー４２を水平に押し込んで、図１７（ｃ）のように上側ボス５９を被圧入穴６０に圧入させる。最後に、下側ボス６２を被圧入穴６４に圧入し、カバー４２とベース４３をぴったりと嵌め合わせて流量センサ４１を組立て終わる。上記のような関係を満たしていれば、下側ボス６１を被圧入穴６３に圧入する動作と、基板押さえ６５、６６で回路基板６７を押さえる動作と、上側ボス５９を被圧入穴６０に圧入する動作とを順番に行うことができるので、流量センサ４１の組立てを容易にすることができる。さらに、はじめに下側ボス６１を被圧入穴６３内に圧入させておくことでカバー４２の上下方向の位置が決まり、その状態でカバー４２を押し込むと、カバー４２を水平に押し込む力が基板押さえ６５、６６の回路基板６７を下に押し下げる力に変換され、基板押さえ６５、６６の先端が回路基板６７の端に乗り上げたときから回路基板６７に押圧力が働くので、流量センサ４１の組立てがより容易になる。

上側ボス５９、下側ボス６１や基板押さえ６５、６６の長さは上記の例以外にも、適宜異ならせることができる。例えば、上側ボス５９と下側ボス６１が同時に被圧入穴６０、６３に嵌るようにしてもよく、上側ボス５９を長くして最初に上側ボス５９が被圧入穴６０に嵌り込むようにしてもよい。

このようにして組み立てられた流量センサ４１は、図９〜図１２に示すような構造となっている。カバー４２とベース４３は水平な上側ボス５９、下側ボス６１、６２を水平な被圧入穴６０、６３、６４に圧入することによって水平方向から結合され、回路基板６７は両側から結合されたカバー４２とベース４３の間に挟み込んで保持されている。よって、カバー４２とベース４３を結合させて強固なハウジング４４を構成することができる。

そして、回路基板６７は両側から結合されたカバー４２とベース４３のうちのカバー４２に水平に設けられた基板押さえ６５、６６によって垂直下方へ押圧されてシール部材５７を押し潰している。よって、シール部材５７の弾性反発力によって回路基板６７が上方へ付勢されても、回路基板６７が受ける力の方向と、カバー４２及びベース４３が結合している方向とが直交しているので、シール部材５７の弾性反発力が原因となってカバー４２がベース４３から緩んだり、分離したりすることがなく、ハウジング４４の強度がより強固になる。

また、流体流路５４はベース４３の内部にのみ形成されており（つまり、流体流路５４はカバー４２とベース４３を合わせることによって形成されたものでない。）、流体流路５４の測定窓５６は回路基板６７とシール部材５７によって気密的に封止されているので、両端の流体導入ポート５０が外部の流体用パイプに気密的に接続されると、流体流路５４は確実に気密性を保たれる。回路基板６７の下面に設けられたセンサチップ６８は測定窓５６内に位置している。

しかして、何れかの流体導入ポート５０から流体流路５４内に流体が導入されると、センサチップ６８によって流体の流量または流速が計測される。図１３のような構造のセンサチップ６８は方向性を持たないので、流体はどちら向きに流れていてもよく、流量または流速の双方向検出が可能である。流量計測の場合には、流体流路５４の気密が不完全であると測定誤差が大きくなるが、この流量センサ４１では下記のように流体流路５４の気密を維持することできるので、測定精度の信頼性を高めることができる。

また、この流量センサ４１は上記のような構造を有しているので、カバー４２とベース４３の結合が仮に緩んでも基板押さえ６５、６６が浮き上がることがなく、緩みが生じる前と変わりなく回路基板６７を確実に押圧しておくことができ、流体流路５４のシール性を維持することができる。

さらに、この流量センサ４１においては、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、複数の基板押さえ６５、６６によって前後方向に沿って回路基板６７の前端から後端まで帯状に押さえているので、シール部材５７の弾性反発力や流体流路５４内の内部圧力を基板押さえ６５、６６で受けることができ、回路基板６７の応力を分散、緩和して回路基板６７の撓みを小さくすることができる。特に、基板押さえ６６はシール部材５７の真上で回路基板６７を押さえているので、シール部材５７の弾性反発力による回路基板６７の撓みをより効果的に抑制することができる。また、基板押さえ６６は断面Ｌ形に形成されていて剛性が高くなっており、シール部材５７を強い力で押圧できるようにしている。

こうして回路基板６７の撓みを抑制できるので、回路基板６７が撓んで流体流路５４のシール性が低下するのを防ぐことができ、また、回路基板６７の撓みによって配線パターンが断線したり、センサチップ６８にクラックが発生したり、電子部品６９が回路基板６７から外れたりするのを防ぐことができる。

なお、流体流路５４の内部圧力が小さく、回路基板６７の撓みが小さい場合には、基板押さえの数を減らしてもよい。例えば、図２１（ａ）に示すカバー４２の変形例では、内側の基板押さえ６６を省いて両端の２つの基板押さえ６５だけにしている。また、流体流路５４内の内部圧力によって回路基板６７が撓み易い場合には、基板押さえで回路基板６７の中央部を押さえるようにしてもよい。例えば、図２１（ｂ）に示すカバー４２の変形例では、両端の基板押さえ６５によって回路基板６７の両端を押さえ、真ん中の基板押さえ６６で最も応力の影響を受けやすい回路基板６７の中央部を押さえるようにしている。また、図２１（ｂ）の変形例では、真ん中の基板押さえ６６の基板押圧面（下面）をＬ形に形成し、回路基板６７の長手方向と平行な縁の一部も押圧できるようにしている。

また、この流量センサ４１では、カバー４２とベース４３を結合一体化するためにボルトのような別部品を必要とせず、また、回路基板６７を水平方向から２部材（カバー４２、ベース４３）で挟み込むことによって流量センサ４１が組み立てられるので、流量センサ４１を小型化することができる。また、カバー４２やベース４３を樹脂製とすれば、流量センサ４１を小型軽量化することができる。

回路基板６７に実装される電子部品６９は、基板押さえ６５、６６や台座部５１の上面と干渉しない位置に配置されている。また、台座部５１の上面には回路基板６７を固定するためのねじ穴やカシメ、接着剤溜まりなどが必要なく、基板押さえ６５、６６は回路基板６７の上面側にしかないので、回路基板６７の下面に電子部品６９を実装することができ、さらに台座部５１の上面には回路基板６７の下面に実装された電子部品６７との干渉するさけるための窪み７５を設けることもできる。

また、この流量センサ４１では、カバー４２とベース４３を組み立てるためにボルトや接着剤などの別部材を用いないので、部品点数と組立て工数を減らすことができ、流量センサ４１の組立性が向上すると共にローコスト化を図ることができる。

図２０は、特許文献２に開示されたスナップフィット方式の流量センサをサンプルＳ１とし、本発明の実施形態１の流量センサをサンプルＳ２とし、プレッシャクッカ試験を行った結果を示す。サンプルＳ１は、シール部材及び回路基板と同様に、ベースに上方からカバーを取り付け、カバーのスナップをベースの突起に引っ掛けてカバーとベースを結合させるようにしたものである。プレッシャクッカ試験は、温度１０５℃、湿度１００％ＲＨ、放置時間（測定時間間隔）２４時間とし、流体流路を流れる流体の流量を０ミリリットル／分から３００ミリリットル／分まで変化させ、それぞれの測定流量の誤差を計測した。この試験結果によれば、サンプルＳ２ではサンプルＳ１の約半分の測定誤差となることが分かった。また、このときの流路断面積の変化につながる基板高さの最大寸法変化量は、サンプルＳ１では３.７９％、サンプルＳ２では０.４２％であった。

よって、実施形態１の流量センサ４１によれば、小型で、信頼性と耐久性の高い流量センサを製作することが可能になる。

（第２の実施形態）
つぎに、本発明の実施形態２による流量センサを説明する。実施形態２においては、図２２に示すように、ベース４３の背壁部５２の内面に、回路基板６７の後端部を押さえるための水平な基板押さえ８２を設けている。

実施形態２の流量センサを組み立てる場合には、台座部５１の凹所５８にシール部材５７を置いた後、図２３（ａ）に示すように、回路基板６７の後端部を基板押さえ８２の下に差し込むようにしながらシール部材５７の上に回路基板６７を重ねる。ついで、図２３（ｂ）に示すように、基板押さえ６５、６６で回路基板６７を押さえながらカバー４２を水平に押し込み、図２３（ｃ）に示すように、順次下側ボス６１、上側ボス５９をそれぞれ被圧入穴６３、６０に圧入させて流量センサを組み立てる。

この流量センサによれば、回路基板６７の後端部も基板押さえ８２によって押さえることができるので、より一層回路基板６７が歪みにくくなり、回路基板６７に実装されているセンサチップ６８や電子部品６９が破損しにくくなる。

（第３の実施形態）
図２４は本発明の実施形態３による流量センサ９１の分解斜視図である。図２５（ａ）は流量センサ９１の断面図、図２５（ｂ）は図２５（ａ）のＺ１−Ｚ１線断面図である。実施形態３の流量センサ９１は、スライドレール構造によってカバー４２とベース４３を結合させるようにしたものである。

ベース４３においては、側壁部５３の内面上端部に沿って水平にスライドレール９３が突設されている。カバー４２においては、内面両側部からそれぞれ断面コ字状をしたガイドアーム９２が水平に突出しており、ガイドアーム９２の外側面にはスライドレール９３と係合可能なガイド溝９４が形成されている。また、ガイドアーム９２の下面は回路基板６７を押さえるための基板押さえ９７となっている。従って、流量センサ９１の組立にあたっては、図２４に示すように、ベース４３の凹所５８にシール部材５７を置いてその上に回路基板６７を重ねる。そして、基板押さえ９７で回路基板６７を押さえながらガイド溝９４とスライドレール９３とを嵌め合わせ、カバー４２を水平に押し込んで基板押さえ９７を回路基板６７の上面に沿って滑らせると共に、スライドレール９３をガイド溝９４に挿入し、カバー４２をベース４３に取り付ける。

また、図２５（ｂ）に示すように、ガイドアーム９２のガイド溝９４内には突起状の被係止部９５が設けられ、スライドレール９３には被係止部９５が嵌り込む凹状の係止部９６が設けられており、カバー４２とベース４３が組み合わさった状態では、被係止部９５が係止部９６に係合してカバー４２とベース４３との結合が緩むのを防止する。

なお、スライドレール９３の厚みとガイド溝９４の溝高さが等しくてスライドレール９３がガイド溝９４内にぴったりと挿入されるようになっていてもよいが、図２５（ａ）に示すように、スライドレール９３の厚みがガイド溝９４の溝高さよりも小さくてスライドレール９３の下面とガイド溝９４の底面との間に隙間が生じていてもよい。スライドレール９３の厚みがガイド溝９４の溝高さよりも小さい場合でも、スライドレール９３の上面がガイド溝９４の天面に接触して基板押さえ９７で回路基板６７をしっかりと押圧するようになっていればよい。

また、この実施形態では、ガイド溝９４を有するガイドアーム９２の下面が基板押さえ９７となっていたが、ガイドアーム９２と基板押さえ９７とは別々に設けてもよい。

（第４の実施形態）
図２６は本発明の実施形態４による流量センサ１０１を示す斜視図、図２７（ａ）はその平面図、図２７（ｂ）は図２７（ａ）のＺ２−Ｚ２線断面図である。実施形態１の流量センサ４１では、流体流路５４の両端は下面の流体導入ポート５０につながった垂直流路５４ｂとなっていたが、実施形態４の流量センサ１０１では、流体流路５４の両端は側面から突出するように水平に延びた水平流路５４ｃとなっている。また、実施形態１のようにカバー４２とベース４３の下部両側に下側ボス６１及び被圧入穴６３を設けると水平流路５４ｃと交差することになるので、下側ボスは中央の下側ボス６２のみとして、下部の被圧入穴も中央の被圧入穴６４のみとしている。ただし、この下側ボス６２は実施形態１の下側ボス６１のように長くして被圧入穴６４との結合強度を高くしている。

この実施形態は、流量センサの外部の流路を流量センサの下面に接続することができない場合に有用である。また、流体流路５４の両端部が水平に延びているので、流量センサ１０１の厚み（高さ）を小さくすることができる。

（第５の実施形態）
図２８は本発明の実施形態５による流量センサ１１１を示す背面側からの斜視図、図２９（ａ）はその平面図、図２９（ｂ）は図２９（ａ）のＺ１−Ｚ１線断面図である。実施形態５の流量センサ１１１では、流体流路５４の両端はベース４３の背面から突出するように水平に延びた水平流路５４ｃとなっている。また、この流量センサ１１１では、機器に流量センサ１１１と取り付けるためのフック部１１２を設けている。この実施形態でも、流体流路５４の両端が水平となっているので、流量センサの外部の流路を流量センサの下面や側面に接続することができない場合に有用である。

従来主流であった産業機械向けの流量計は堅牢かつ高価であったが、本発明の流量センサはこのような産業機械向けの流量計として用いることを目的とするものではなく、小型軽量で簡便に用いることができ、ローコストで製造することのできる簡略な構造の流量センサを提供するものである。

例えば、ノート型パソコン等のモバイル機器には、従来のような蓄電池でなく、小型燃料電池を用いて駆動されるものがあるが、このような小型燃料電池では発電効率向上のため燃料ガスや空気の流量管理が必要とされる。本発明の流量センサは小型軽量であるので、燃料ガスや空気の流量計測のために小型燃料電池に本発明の流量センサを組み込んでも小型燃料電池の重量が重くなることがなく、また小さな組み込みスペースで済み、コスト増加も抑えることができる。

また、ハンディプローブ型のガス環境分析器、汚染度評価装置、パーティクルカウンタ等のポータブル環境分析器においては、成分濃度（密度）を算出するために、サンプリング気体の流量を測定してサンプリング気体の体積を求める必要がある。このような用途に本発明の流量センサを用いれば、ポータブル環境分析器の小型軽量化に寄与することができる。その他、家庭用医療機器等の各種機器にも組み込むことが可能である。

図１（ａ）は、特許文献１の流量センサの問題点を説明するための概略平面図、図１（ｂ）はその概略断面図である。 図２は、特許文献２の流量センサの問題点を説明するための概略断面図である。 図３は、基板を流路部材に接着剤で接着する場合を示す概略断面図である。 図４は、本発明の実施形態１による流量センサを示す斜視図である。 図５（ａ）（ｂ）は、実施形態１の流量センサの平面図及び底面図である。 図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施形態１の流量センサの正面図、背面図および側面図である。 図７は、実施形態１の流量センサを斜め上方から見た分解斜視図である。 図８は、実施形態１の流量センサを斜め下方から見た分解斜視図である。 図９は、図５（ａ）のＸ１−Ｘ１線断面図である。 図１０は、図５（ａ）のＸ２−Ｘ２線断面図である。 図１１（ａ）は、図５（ａ）のＹ１−Ｙ１線に沿って断裁した状態の斜視図、図１１（ｂ）は、図５（ａ）のＹ１−Ｙ１線断面図である。 図１２（ａ）は。図５（ａ）のＹ２−Ｙ２線に沿って断裁した状態の斜視図、図１２（ｂ）は、図５（ａ）のＹ２−Ｙ２線断面図である。 図１３は、センサチップの基本構成を説明する概略図である。 図１４は、実施形態１の流量センサの組立手順を説明する斜視図である。 図１５は、実施形態１の流量センサの組立手順を説明する一部破断した斜視図である。 図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施形態１の流量センサの組立手順を説明する概略図である。 図１７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、下側ボス等の長さの異なる実施形態１の流量センサの組立手順を説明する概略図である。 図１８（ａ）（ｂ）は、いずれも基板押さえの先端部下面に設けた面取りを示す側面図である。 図１９（ａ）（ｂ）は、実施形態１の流量センサの作用説明図である。 図２０は、従来例の流量センサと実施形態１の流量センサを用いてプレッシャクッカ試験を行った結果を示す図である。 図２１（ａ）（ｂ）は、いずれもカバーの変形例を説明するための斜視図である。 図２２は、実施形態２における流量センサに用いられるベースの斜視図である。 図２３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施形態２の流量センサの組立手順を説明する概略図である。 図２４は、本発明の実施形態３による流量センサの分解斜視図である。 図２５（ａ）は、実施形態３の流量センサの断面図、図２５（ｂ）は図２５（ａ）のＺ１−Ｚ１線断面図である。 図２６は、実施形態４による流量センサを示す斜視図である。 図２７（ａ）は、実施形態４による流量センサの平面図、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＺ２−Ｚ２線断面図である。 図２８は、実施形態５による流量センサを示す背面側からの斜視図である。 図２９（ａ）は、実施形態５の流量センサの平面図、図２９（ｂ）は、図２９（ａ）のＺ３−Ｚ３線断面図である。

符号の説明

４１、９１、１０１、１１１ 流量センサ
４２ カバー
４３ ベース
４４ ハウジング
５１ 台座部
５２ 背壁部
５３ 側壁部
５４ 流体流路
５６ 測定窓
５７ シール部材
５９ 上側ボス
６０ 被圧入穴
６１、６２ 下側ボス
６３、６４ 被圧入穴
６５、６６、９７ 基板押さえ
６７ 回路基板
６８ センサチップ
７６ 面取り
８２ 基板押さえ
９２ ガイドアーム
９３ スライドレール
９４ ガイド溝

Claims (8)

1. 内部の流体流路と基板設置面とを有し、前記流体流路の上面の一部が前記基板設置面で開口したベースと、
   前記流体流路の開口を囲むようにして前記基板設置面の上に載置されたシール部材と、
   前記シール部材の上に載置されて前記流体流路の開口を覆う基板と、
   前記流体流路の開口に面するようにして前記基板の下面に設けられたセンサチップと、
   前記ベースに取り付けてハウジングを構成するカバーとを備えた流量センサであって、
   前記カバーと前記ベースは、前記基板が前記シール部材を押圧する方向と異なる方向へ前記カバーを動かすことによって互いに嵌め合わされる係合部と被係合部をそれぞれ有し、
   前記カバーは、前記基板の上面を前記シール部材の押圧方向に向けて押圧する基板押さえ部を有していることを特徴とする流量センサ。
2. 前記係合部と前記被係合部は、前記カバーを前記基板の上面と平行な方向へ動かすことによって互いに嵌め合わされることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記カバーに基板押さえ部を複数設けたことを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
4. 前記基板押さえ部の先端部下面に面取りが施されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
5. 前記係合部の少なくとも一部は、前記カバーを前記ベースに取り付ける際に、前記基板押さえ部の先端が前記基板に接触するよりも以前に前記被係合部に接触する長さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
6. 前記基板押さえ部が、前記シール部材の少なくとも一部の直上で前記基板を押圧していることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
7. 前記基板押さえは、前記基板の上面の対向する辺のうち一方の辺から他方の辺までを押圧していることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
8. 前記ベースの内面にも前記基板の上面を押さえるための基板押さえ部を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。

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