JPH063173A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クーラント液Ｆの流量を正確かつ応答性よく
計測すると共に耐久性のある熱式流量計７を提供するこ
と。 【構成】 熱式流量計７は、流体通路中に配設され、発
熱抵抗センサ８と流体温度補償センサ９との外側に、チ
タンまたは窒化チタンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ
法または硬質金属コート法により厚さ１乃至５ミクロン
の薄膜が形成されている。従って、クーラント液Ｆ中に
残存している金属粉や砥粒が、速い流速をもって発熱抵
抗センサ８等に衝突しても、センサ部本体が損傷を受け
ることがないため、正確かつ安定してクーラント液Ｆの
流量を計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流量を計測する
熱式流量計に関し、さらに詳細には、金属加工機械等の
切屑や切粉である金属粉を含む研削液や切削液（いわゆ
るクーラント液）の流量を計測する熱式流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より液体の管路内に２つの検出体を
設置し、検出体の温度差を熱電対により計測して液体の
流速および流体の流量を計測する熱式流量計が使用され
ている。このとき、検出体を液体から保護するために検
出体を金属薄板で覆うことが特公昭５７−５１０５２号
公報で開示されている。すなわち、図８に示すように、
導線２５が接続したヒーター２３が絶縁物２２により覆
われており、さらに外側に金属薄板２１がスポット溶接
により固定されている。また、金属薄板２１には、上流
側と下流側とに各々熱電対４が取り付けられている。

【０００３】上記構成を有する熱式流量計の作用を説明
する。金属薄板２１は、ヒーター２３により一定温度に
上昇される。このとき、液体が流れていない状態では、
上流側の熱電対と下流側の熱電対の温度は等しいため、
熱起電力は発生しない。そして、液体が流れると、金属
薄板２１が冷却され、それを介して上流側の熱電対が冷
却され、上流側の熱電対と下流側の熱電対とに温度差が
発生し、その温度差に比例した電流が発生する。その電
流値を計測することにより、液体の流速が計測される。

【０００４】一方、上記熱電対を使用する熱式流量計で
は、応答速度が遅いため、速い応答性を必要とする場合
に、熱式流量計として熱線流速計により流速および流量
を計測することが行われている。ここで、熱式流速計と
は、電流を流して一定温度に加熱した抵抗線を流体中に
置き、流速を増すと奪い去られる熱量が多くなるので、
熱線の温度が下がり、その結果抵抗値が減少する。この
熱線の微小抵抗変化をブリッジ回路により検出して流速
および流量を計測する。

【０００５】そして、近年より実用的には熱線の代わり
に、絶縁体の表面に白金で抵抗パターンによるブリッジ
回路を形成したセンサが熱式流量計として使用されてい
る。すなわち、１つの発熱抵抗が常時流体温度より一定
温度だけ高くなるように加熱されている。ここで、流速
を増すと奪い去られる熱量が多くなるので、抵抗パター
ンの温度が下がり、その結果抵抗値が減少する。この抵
抗パターンの微小抵抗変化をブリッジ回路により検出し
て流速および流量を計測する。この熱式流量計によれ
ば、熱電対を使用する方法より正確かつ応答性よく流量
を計測することができるため、最近広く使用されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱式流量計には以下のような問題があった。 （１） 平面研削盤や円筒研削盤等の金属加工機械で使
用された金属屑や金属粉の含まれている切削液や研削液
（いわゆるクーラント液）の流量を計測する場合に、流
体が研磨性を有するため、絶縁体の表面に白金で抵抗パ
ターンによるブリッジ回路を形成した熱式流量計を使用
するときに外側を金属薄板等で保護する必要があった。
しかし、外側を金属薄板等で保護すると、応答性が悪く
なり流体の流量を正確に計測することができないという
問題があった。

【０００７】また、金属薄板等を取り付けた場合に、金
属薄板の取り付け部の熱的または電気的な接続が悪くな
る等して、耐久性に問題があった。このことは、近年平
面研削等の金属加工において超精密加工が行われ、研削
液等の流量を正確に制御する必要が高まり、まず、流量
を正確かつ迅速に計測する必要が高まり、問題となって
いた。

【０００８】（２）金属加工機械は、それ自体が大型の
モータを有し、また、他の大型機械が稼働する工場環境
で使用されるため、周囲でモータ等によるノイズが多く
発生するため、熱式流量計が誤動作する問題があった。

【０００９】（３）従来、熱線式流量計は、気体用流量
計として使用され、また保護薄板を使用する熱電対流量
計は液体用流量計として使用されていた。すなわち、気
体用流量計は、応答性が高いことが必要であり、液体用
流量計は液体の衝突に耐える強度が必要とされていた
が、強度と応答性とを兼ね備えた流量計がないため、気
体用流量計と液体用流量計とは別々のものとして構成さ
れていた。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、クーラント液の流量を正確かつ
応答性よく計測すると共に耐久性のある熱式流量計を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の熱式流量計は、流体通路中に配設され、感
温抵抗素子と、該感温抵抗素子を覆って形成される絶縁
膜とを有する熱式流量計であって、絶縁膜の外側に金属
薄膜が形成されている。

【００１２】また、本発明の熱式流量計は、流体通路中
に配設され、感温抵抗素子と、該感温抵抗素子を覆って
形成される絶縁膜とを有する熱式流量計であって、絶縁
膜の外側に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チ
タンにより形成された厚さ１乃至５ミクロンの薄膜であ
る。

【００１３】また、本発明の熱式流量計は、流体通路中
に配設され、感温抵抗素子と、該感温抵抗素子を覆って
形成される絶縁膜とを有する熱式流量計であって、絶縁
膜の外側に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チ
タンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属
コート法により形成した薄膜である。

【００１４】また、本発明の熱式流量計は、流体通路中
に配設され、感温抵抗素子と、該感温抵抗素子を覆って
形成される絶縁膜とを有する熱式流量計であって、絶縁
膜の外側に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チ
タンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属
コート法により形成された厚さ１乃至５ミクロンの薄膜
である。

【００１５】

【作用】上記の構成よりなる本発明の熱式流量計は、一
定の断面積を有する流体通路中に配設され、流体の流速
を計測することにより流体の流量を計測する。ここで、
絶縁体の表面に白金で抵抗パターンによるブリッジ回路
を形成したセンサである２以上の感温抵抗素子は、１つ
の発熱抵抗が常時流体温度より一定温度だけ高くなるよ
うに加熱されている。そして、流速を増すと奪い去られ
る熱量が多くなるので、抵抗パターンの温度が下がり、
その結果抵抗値が減少する。この抵抗パターンの微小抵
抗変化をブリッジ回路により検出して流速を計測する。

【００１６】感温抵抗素子を覆って形成される絶縁膜
は、導電性の流体に接触して抵抗パターンの抵抗値が変
化することを防止している。絶縁膜の外側に形成される
金属薄膜は、クーラント液等の金属粉により絶縁膜等が
損傷することを防止している。また、金属薄膜は１乃至
５μと薄いので、流体の温度をきわめて少ない時間遅れ
で抵抗パターンに熱伝導することができる。

【００１７】また、金属薄膜は、熱式流量用計全体を覆
って形成されているので、モータ等により発生する外部
ノイズを遮断して熱式流量計が誤計測することを防止し
ている。流速を計測して流量に換算する前提条件として
計測している断面における流れが層流であること、およ
び流量計の周囲の流れが層流であることが必要である。
整流板が熱式流量計のセンサ部の周囲の流れを層流状態
に維持している。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例である熱
式流量計７について図面を参照して説明する。図２の
（ａ）に熱式流量計７の構成を断面図で示す。熱式流量
計７には、発熱温度の低い流体温度補償抵抗センサ９と
発熱温度の高い発熱抵抗センサ８とが流れの方向に平行
かつ一列にホルダ１０に取り付けられ樹脂６により埋め
込まれている。ここで、図４の使用状態に示すように、
流体温度補償センサ９が発熱抵抗センサ８の上流側に配
設しているのは、流体温度補償センサ９が発熱抵抗セン
サ８で発熱された熱の影響を受けないようにするためで
ある。

【００１９】次に、発熱抵抗センサ８と流体温度補償セ
ンサ９の構成を説明する。図１に発熱抵抗センサ８と流
体温度補償センサ９の構成をセンサ１として断面図で示
す。基板５上に、０．３μ以下の膜厚でスパッタ蒸着さ
れた白金薄膜パターン２が形成されている。また、基板
５と白金薄膜パターン２とを覆って絶縁膜３が形成され
ている。また、絶縁膜を覆って膜厚１〜５μのチタン薄
膜４が形成されている。

【００２０】次に、熱式流量計７の製造方法を説明す
る。 （１）基板５上に白金をスパッタ蒸着して膜厚０．３μ
以下の白金薄膜を形成する。そして、白金薄膜を熱処理
する。 （２）フォトリソグラフにより不必要な白金薄膜を除去
して白金薄膜パターン２を形成する。 （３）基板５および白金薄膜パターン２の上に、ガラス
系またはポリイミド系の材料を蒸着法または浸積法によ
り付着させ絶縁膜３を形成する。これにより、発熱抵抗
センサ８および流体温度補償センサ９が製造される。

【００２１】（４）発熱抵抗センサ８および流体温度補
償センサ９をホルダ１０の孔にホルダ１０から同じ長さ
突き出している状態で嵌合させる。そして、融解させた
仮止め接着用樹脂６ａを流し込んで冷却し、図２の
（ｂ）に示すように、仮止め接着用樹脂６ａにより発熱
抵抗センサ８および流体温度補償センサ９をホルダ１０
に固定する。 （５）ホルダ１０の発熱抵抗センサ８および流体温度補
償センサ９が突き出している側にチタンまたは窒化チタ
ンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属コ
ート法により密着させ厚さ１乃至５ミクロンの薄膜を形
成する。 （６）発熱抵抗センサ８および流体温度補償センサ９に
各々一組の信号線１１を接続する。そして、充填用樹脂
６を注入し冷却する。

【００２２】ここで、発熱抵抗センサ８および流体温度
補償センサ９をホルダ１０に組み込んだ状態でスパッタ
蒸着等を行ないチタン薄膜を形成しているのは、熱式流
量計７全体の強度を高めるためと、また、チタン薄膜等
にアースを取ることにより、熱式流量計７全体をシール
ドして外部のノイズの影響を遮断するためである。ま
た、信号線１１の接続を蒸着後に行っているのは、蒸着
温度が高いため、先に信号線１１を接続していると半田
が溶けてしまうからである。

【００２３】次に、上記構成を有する熱式流量計７の使
用状態を図４に示す。ここで、流体温度補償センサ９が
発熱抵抗センサ８の上流側に配設されている。これによ
り、流体温度補償センサ９が発熱抵抗センサ８で発熱さ
れた熱の影響を受けることがない。熱式流量計７は流体
の流れの中に装着されている。このとき熱式流量計７が
配設されているボディ部１３の熱式流量計７を含む流路
の断面積は一定に構成されている。また、ボディ部１３
においてクーラント液Ｆの流れが層流状態となるように
構成されている。

【００２４】従って、流速を計測すれば、流速と断面積
との積を計算することにより容易に流量を計測すること
ができる。ホディ部１３の両端には、配管１４がネジに
より連結されている。熱式流量計７の上部には、熱式流
量計７を制御するための制御部１２が付設されている。

【００２５】次に、上記構成を有する熱式流量計７の作
用について説明する。本実施例では、クーラント液の１
つである平面研削盤の研削液の流量を検出している。研
削液中には、液本体に研削された金属粉や研削砥石の砥
粒が多数混在している。これらの金属粉や砥粒は、濾過
装置により大部分は濾過されるが、全てを濾過すること
はコスト的に困難であり、一部の金属粉や砥粒は研削液
と共に濾過装置から研削盤に送られる。近年、平面研削
の加工精度に対する要求が飛躍的に高まり、それと共に
研削液の流量を正確かつ応答性よく制御することが望ま
れている。

【００２６】クーラント液Ｆが配管１４から右方向にボ
ディ部１３に流入する。ボディ部１３においてクーラン
ト液Ｆの流れは層流状態となっている。ここで、絶縁体
の表面に白金で抵抗パターンによるブリッジ回路を形成
したセンサである発熱抵抗センサ８は、常時クーラント
液Ｆの温度より一定温度だけ高くなるように加熱されて
いる。そして、クーラント液Ｆの流速が増すと奪い去ら
れる熱量が多くなり、発熱抵抗センサ８の抵抗パターン
の温度が下がり、その結果発熱抵抗センサ８の抵抗値が
減少する。この抵抗パターンの微小抵抗変化を図７に示
すブリッジ回路により検出して流速を計測する。

【００２７】すなわち、発熱抵抗センサ８と流体温度補
償センサ９の各々の抵抗と２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２と
によりブリッジ回路が構成されている。また、チタン薄
膜４は１乃至５μと薄いので、流体の温度をきわめて少
ない時間遅れで抵抗パターンに熱伝導することができる
ので、チタン薄膜４が流速の計測に与える影響はほとん
どない。。そして、流体温度補償センサ９が発熱抵抗セ
ンサ８と共にクーラント液Ｆ中に配設されているので、
クーラント液Ｆ本体の温度変化による影響を正確に排除
できるため、熱式流量計の精度を高めることができる。

【００２８】クーラント液Ｆ中に残存している金属粉や
砥粒が、速い流速をもって流体温度補償センサ９および
発熱抵抗センサ８に衝突するが、流体温度補償センサ９
および発熱抵抗センサ８はチタン薄膜４により保護され
ているので、センサ部本体が損傷を受けることがないた
め、正確かつ安定してクーラント液Ｆの流量を計測する
ことができ、平面研削盤の加工精度が向上する。また、
耐久性能が向上し、熱式流量計のコストダウンが可能と
なる。

【００２９】また、チタン薄膜４がアースに接続されて
いるので、熱式流量計７全体がシールドされるため、研
削盤で使用されている大型パルスモータ等で発生するノ
イズの影響を受けることがないため、安定してクーラン
ト液Ｆの流量を計測し、制御することができる。それに
より、平面研削盤の加工精度が向上する。

【００３０】次に、第二の実施例について説明する。図
３に示すように、発熱抵抗センサ８と流体温度補償セン
サ９とを並列に配置し、クーラント液Ｆに対して同時に
接触するようにしたものである。使用方法等は、第一の
実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。ここで、
発熱抵抗センサ８と流体温度補償センサ９とを並列に配
置し、クーラント液Ｆに対して同時に接触させると、発
熱抵抗センサ８と流体温度補償センサ９とがクーラント
液Ｆから受ける影響が同一となるため、より正確に流速
および流量を計測することができる。

【００３１】次に、第三の実施例について説明する。ク
ーラント液Ｆの流れの乱れが激しくなり乱流状態に近づ
いてきた場合に、第一および第二の実施例の熱式流量計
７では、発熱抵抗センサ８と流体温度補償センサ９とが
クーラント液Ｆの流れにより振動するため、正確な計測
ができなくなるという問題がある。

【００３２】また、クーラント液Ｆが発熱抵抗センサ８
と流体温度補償センサ９に衝突することにより、発熱抵
抗センサ８等とクーラント液Ｆの流れとの剥離が発生
し、正確な計測ができなくなるという問題がある。これ
らの問題は、通常の流体よりも金属粉等を含むクーラン
ト液Ｆを計測する場合に大きな問題となる。第三の実施
例は、この問題を解決するための手段を提供するもので
ある。

【００３３】図５の（ａ）に第三の実施例の熱式流量計
７の正面図を示し、図５の（ｂ）に底面図を示す。流れ
に対して直列に配置されている流体温度補償センサ９と
発熱抵抗センサ８との流れ方向前方に上流側整流板１６
を配設し、両側に各々側面整流板１５を配設している。

【００３４】また、上流整流板１６と側面整流板１５の
高さは、発熱抵抗センサ８等の高さと同じにしている。
また、上流整流板１６の長さは図に示すように上流整流
板１６と側面整流板１５との間の隙間Ｃの５倍以上の長
さとしている。そして、整流板を設けた場合にも、チタ
ン薄膜の蒸着は全体を組み立てた段階で行っている。

【００３５】このように整流板を配設することにより、
発熱抵抗センサ８および流体温度補償センサ９の周囲で
のクーラント液Ｆの流れを層流状態とすることができ
る。これにより、研削盤において多量の研削液を流す場
合でも、正確かつ安定して流量を計測できる。また、上
流整流板１６に一度衝突して速度が減速されたクーラン
ト液Ｆが流体温度補償センサ９に衝突するので、流体温
度補償センサ９に加えられる衝撃が小さくなり、流体温
度補償センサ９が損傷されることがないため、正確かつ
安定して流量を計測することができる。

【００３６】図６に第四の実施例として、第二の実施例
に整流板を配設した場合を示す。クーラント液Ｆの流れ
に対して並列に配置されている発熱抵抗センサ８と流体
温度補償センサ９の上流側に２枚の上流整流板１６が配
設され、それらの両側に一組の側面整流板１５が配設さ
れている。また、上流整流板１６の長さは図に示すよう
に上流整流板１６と側面整流板１５との間の隙間Ｃの５
倍以上の長さとしている。

【００３７】このように整流板を配設することにより、
発熱抵抗センサ８および流体温度補償センサ９の周囲で
のクーラント液Ｆの流れを層流状態とすることができ
る。これにより、研削盤において多量の研削液を流す場
合でも、正確かつ安定して流量を計測できる。また、上
流整流板１６に一度衝突して速度が減速されたクーラン
ト液Ｆが流体温度補償センサ９に衝突するので、流体温
度補償センサ９に加えられる衝撃が小さくなり、流体温
度補償センサ９が損傷されることがないため、正確かつ
安定して流量を計測することができる。

【００３８】本発明は、上記実施例に限定されることな
く色々な応用が可能である。すなわち、本実施例では、
チタン薄膜をスパッタ蒸着法により形成しているが、窒
化チタン等の硬質金属を使用してもよい。また、スパッ
タ蒸着法によらずに、無電解メッキや硬質金属コーティ
ング等の金属薄膜製造法により薄膜を形成してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の熱式流量計によれば、流体通路中に配設され、感
温抵抗素子を覆って形成される絶縁膜の外側に金属薄膜
が形成されているので、クーラント液中に残存している
金属粉や砥粒が、速い流速をもって熱式流量計に衝突し
ても、熱式流量計は金属薄膜により保護されているた
め、センサ部本体が損傷を受けることがなく、正確かつ
安定してクーラント液Ｆの流量を計測することができ、
金属加工機の加工精度が向上する。また、耐久性能が向
上し、熱式流量計のコストダウンが可能となる。

【００４０】また、応答性と強度とを兼ね備えているの
で、１つの熱式流量計により気体用流量計と液体用流量
計とのどちらにも使用することが可能であり、使い勝手
がよい。また、金属薄膜がアースに接続されているの
で、熱式流量計全体がシールドされるため、金属加工機
で使用されている大型パルスモータ等で発生するノイズ
の影響を受けることがなく、安定してクーラント液の流
量を計測し、制御することができ、金属加工機の加工精
度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例である熱式流量計で使用
するの発熱抵抗センサの断面図である。

【図２】本発明の第一の実施例である熱式流量計の断面
図である。

【図３】本発明の第二の実施例である熱式流量計の断面
図である。

【図４】本発明の一実施例である熱式流量計の使用状態
を示す説明図である。

【図５】本発明の第三の実施例である熱式流量計の外観
図である。

【図６】本発明の第四の実施例である熱式流量計の外観
図である。

【図７】本発明の第一の実施例である熱式流量計の部分
制御回路図である。

【図８】従来の熱電対式流量計の断面図である。

【符号の説明】

２ 白金抵抗パターン ３ 絶縁膜 ４ チタン薄膜 ７ 熱式流量計 ８ 発熱抵抗センサ ９ 流体温度補償センサ １５ 側面整流板 １６ 上流整流板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体通路中に配設され、感温抵抗素子
   と、該感温抵抗素子を覆って形成される絶縁膜とを有す
   る熱式流量計において、 前記絶縁膜の外側に金属薄膜が形成されていることを特
   徴とする熱式流量計。
2. 【請求項２】 請求項１に記載するものにおいて、 前記金属薄膜がチタンまたは窒化チタンにより形成され
   た厚さ１乃至５ミクロンの薄膜であることを特徴とする
   熱式流量計。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載するもの
   において、 前記金属薄膜がチタンまたは窒化チタンをスパッタ蒸着
   法、無電解メッキ法または硬質金属コート法により形成
   した薄膜であることを特徴とする熱式流量計。