JPH11281441A

JPH11281441A - 流量センサー

Info

Publication number: JPH11281441A
Application number: JP7985198A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamagishi; 喜代志山岸; Shinichi Inoue; 眞一井上; Toshiaki Kawanishi; 川西　　利明; Kenji Tomonari; 健二友成
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】流量センサー各部からケーシング及び外部へ
放逸する熱量を極力少なくして、流体の比熱が小さい場
合、流量が少ない場合等にあっても、流量を高精度に測
定できる流量センサーを提供する。【解決手段】基板６上に発熱体８と感温体１２とを形
成した流量検知部２を有する流量センサー１において、
前記基板６にエッチングにより凹部１４を形成し、この
凹部１４をガラスからなるプレパラートにより封止して
空気層を設ける。そして、被検知流体との間で熱伝達を
行うフィンプレート３の一端面に、前記発熱体８、前記
感温体１２を積層した面を対向させて、前記流量検知部
２を固着して流量センサー１を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管内を流れる気
体、液体等の流体の流量を測定するための流量センサー
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種流体、特に液体の流量（又は
流速）を測定する流量センサー（又は流速センサー）と
しては、種々形式のものが使用されているが、低価格化
が容易であるという理由から、いわゆる熱式（特に傍熱
型）の流量センサーが幅広く使用されている。

【０００３】その中でも、熱応答性に優れ、測定精度が
高く、小型かつ安価な傍熱型流量センサーとして、特開
平８−１４６０２６号公報に開示される薄膜素子を用い
た傍熱型流量センサーが知られている。この流量センサ
ー１０１は、図９に示すように、薄膜技術を利用して基
板１０２上に薄膜発熱体１０３と薄膜感温体１０４とを
絶縁層１０５を介して積層したものであり、図１０に示
すように、配管１０６の適宜位置に設置されて使用され
る。

【０００４】この流量センサー１０１では、発熱体１０
３に通電することにより感温体１０４を加熱し、感温体
１０４の電気抵抗値の変化を検出する。ここで、流量セ
ンサー１０１は配管１０６に設置されているため、発熱
体１０３の発熱量の一部は基板１０２を介して配管内を
流れる流体中へと放逸され、感温体１０４に伝達される
熱量はこの放逸熱量を差し引いたものとなる。そして、
この放逸熱量は流体の流量に対応して変化するから、供
給される熱量により変化する感温体１０４の電気抵抗値
の変化を検出することによって、配管内を流れる流体の
流量を測定できるということになる。又、前記放逸熱量
は流体の温度によっても変化するから、図１０に示すよ
うに、配管１０６の適宜位置に温度センサー１０７を設
置し、感温体１０４の電気抵抗値の変化を検出する電気
回路中に温度補償回路を付加して、流体の温度による流
量測定値の誤差をできるだけ少なくすることも行われて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の流量セ
ンサー１０１は、金属製配管１０６に直接設置されてお
り、しかも、その金属製配管１０６は外気に露出してい
た。よって、熱伝導性が高い金属製配管１０６を介して
流体の保有する熱量が外気へと放逸され、又は、外気か
ら流体へと熱量が供給されやすく、流量センサー１０１
の測定精度を低下させる要因となった。特に、流体の流
量が微小である場合には、測定精度に与える影響が大き
く、流体の温度と外気の温度との差が大きい場合、流体
の比熱が小さい場合にあっては、さらにその影響は顕著
であった。

【０００６】又、流体が比較的粘度の高い粘性流体であ
る場合には、配管１０６の横断面における流速は管壁近
傍部と中央部とで大きく異なり、その流速ベクトルは中
央部に極値を有する略放物線状を呈するようになる。よ
って、従来のように、管壁に基板１０２又はそれに接続
されたケーシング１０８を設置し、管壁近傍部のみの流
速を測定するのでは、中央部の流速が考慮されないた
め、流量の測定精度は低いものとならざるを得なかっ
た。尚、常温においては粘度が低い流体も温度が低下に
つれて粘度は上昇するため、上記のような問題を無視す
ることはできない。特に、流量が微小である場合には、
粘度の影響は一層顕著であった。

【０００７】さらに、流量センサー１０１は、地理的条
件、屋内外の別等種々異なった環境下で使用され、特
に、屋外では、季節的条件、昼夜の別等の要因も加わる
ため、外部環境による温度変化も考慮しなければならな
い。しかし、従来の流量センサー１０１は、このような
外部温度環境の影響を受けやすい構造であったため、流
量の測定値に誤差が大きく、幅広い外部温度環境下で精
度良く流量を検知することができる流量センサーが望ま
れていたのである。

【０００８】そこで、本発明者等は、かかる従来におけ
る問題点を解消すべく、図１１に示すように、基板２０
２上に薄膜発熱体２０３と薄膜感温体２０４とを絶縁層
２０５を介して積層した流量検知部２０６を、Ｌ字型に
折曲したフィンプレート２０７の水平板部２０７ａ上に
載置した流量センサー２０１を開発した。そして、ケー
シング２０８内において、フィンプレート２０７の垂直
板部２０７ｂと流通管２０９の開口部との間にガラス２
１０を充填して密封し、流量検知部２０６とフィンプレ
ート２０７の水平板部２０７ａ全体を合成樹脂２１１に
よって被覆し、密封するとともに固定した。

【０００９】この流量センサー２０１によって、外気へ
の熱量放逸又は供給、管路横断面における流速変化、外
部温度環境の影響等に起因する流量の測定精度の低下と
いう問題は大幅に改善された。

【００１０】しかし、上記流量センサー２０１において
は、流量検知部２０６と合成樹脂２１１とが直接接触し
ているため、感温体２０４の保有する熱量が合成樹脂２
１１へと流出又は流入される。又、流量検知部２０６は
熱伝導性が良好な銀ペースト等の接合材２１２によって
フィンプレート２０７の水平板部２０７ａに接合されて
いるため、フィンプレート２０７を伝達する熱量が接合
材２１２を介して合成樹脂２１１へと流出又は流入され
る。よって、流体の比熱が小さい場合、流量が少ない場
合等にあっては、流量センサー２０１の感度を低下させ
る虞れがある。

【００１１】一方、フィンプレート２０７の垂直板部２
０７ｂと流通管２０９の開口部との間はガラス２１０に
より熱伝達を遮断しているが、ガラス２１０を充填して
密封しているため、流体が流動することによりフィンプ
レート２０７が微小振動する等して、密封状態が不完全
となると、フィンプレート２０７を伝達する熱量が熱伝
達性の良好な金属製流通管２０９を介してケーシング２
０８へと流出又は流入される。よって、同様に、流体の
比熱が小さい場合、流量が少ない場合等にあっては、流
量センサー２０１の感度を低下させる虞れがある。

【００１２】本発明は、かかる問題点をも解消し、本発
明者等らが開発した流量センサー２０１をさらに改良
し、高精度化するものであって、流量センサー各部から
ケーシング及び外部へ放逸する熱量を極力少なくして、
流体の比熱が小さい場合、流量が少ない場合等にあって
も、流量を高精度に測定できる流量センサーを提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、基板上に発熱体と感温体とを形成した流
量検知部を有する流量センサーであって、前記基板に凹
部を形成し、この凹部を封止して空気層を設けたもので
ある。

【００１４】ここで、前記凹部は、エッチングにより形
成することができ、ガラスからなるプレパラートにより
封止することができる。

【００１５】検知流体との間で熱伝達を行うフィンプレ
ートを設け、このフィンプレートの一端面に、前記発熱
体、前記感温体を積層した面を対向させて、前記流量検
知部を固着する構成とすれば、流量センサー各部からケ
ーシング及び外部へ放逸する熱量を極力少なくすること
ができ、より好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の流量センサーの好
適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

【００１７】流量センサー１は、図１に示すように、流
量検知部２、フィンプレート３、出力端子４及び被覆部
材５よりなる。

【００１８】流量検知部２は、図２に示すように、基板
６上に順次、絶縁層７、薄膜発熱体８、電極層９，１
０、絶縁層１１、薄膜感温体１２、絶縁層１３を積層、
形成したチップ状のものである。

【００１９】基板６は、シリコン、アルミナ等からなる
厚さ６００μｍ、大きさ２×３ｍｍ程度の矩形板であ
り、図３に示すように、発熱体８、感温体１２を積層し
た反対面より、エッチング等により、深さ５５０μｍの
凹部１４を形成してある。ここで、凹部の深さは、特に
限定されるものではないが、基板６の強度を十分確保で
きれば、基板６の厚さに極力近い方が好ましい。又、凹
部１４の内径寸法も、特に限定されるものではないが、
発熱体８又は感温体１２の外形寸法より大とする方がよ
り好ましい。そして、図３に示すように、基板６の発熱
体８、感温体１２を積層した反対面には、ガラスからな
る膜厚５０〜２００μｍのプレパラート１５を固着さ
せ、前記凹部１４を完全に封止し、ここに空気層を設け
てある。

【００２０】発熱体８は、膜厚１μｍ程度で所望形状に
パターニングしたサーメットからなり、電極層９，１０
は、膜厚０．５μｍ程度のニッケル、又はこれに膜厚
０．５μｍ程度の金を積層してなる。感温体１２は、膜
厚０．５〜１μｍ程度で所望形状、例えば蛇行状にパタ
ーニングした白金、ニッケル等の温度係数が大きく安定
な金属抵抗膜、又は酸化マンガン系のＮＴＣサーミスタ
ーからなる。絶縁層７，１１，１３は、膜厚１μｍ程度
のＳｉＯ₂からなる。

【００２１】フィンプレート３は、銅、ジュラルミン、
銅−タングステン合金等の熱伝導性の良好な材料からな
り、厚さ２００μｍ、幅２ｍｍ程度の矩形薄板である。

【００２２】流量検知部２は、図１に示すように、フィ
ンプレート３の上端面に、発熱体８、感温体１２を積層
した面を対向させて、銀ペースト等の接合材１６を介し
て固着してある。そして、ボンディングワイヤー１７に
よって出力端子４と接続し、流量検知部２、フィンプレ
ート３の上半部及び出力端子４の下半部をモールディン
グによる被覆部材５により被覆してある。

【００２３】このように、本発明の流量センサー１は、
流量検知部２の基板６に凹部１４を形成して、ここに断
熱効果の高い空気層を設けるとともに、フィンプレート
３の上端面に、発熱体８、感温体１２を積層した面を対
向させて、流量検知部２を固着して、被覆部材５と発熱
体８、感温体１２が接触する面積を極力少なくしたか
ら、感温体１２の保有する熱量、又、フィンプレート３
を伝達する熱量が被覆部材５へと流出又は流入すること
が極めて少なくなる。よって、流体の比熱が小さい場
合、流量が少ない場合等にあっても、流量センサー１の
感度を低下させることがない。

【００２４】流量センサー１の製造方法としては、種々
方法を採用することができるが、前記フィンプレート３
と出力端子４とを一体化するようにしてもよい。例え
ば、図４に示すように、プレート素材１７をエッチング
して所定形状のプレート基材１８を形成した後、順次、
流量検知部２を接合する部分を銀メッキ処理し、銀ペー
ストを塗布して流量検知部２を固着し、流量検知部２と
出力端子４とをワイヤーボンディングによって接続し、
フィンプレート３に相当する部分をニッケルメッキす
る。そして、流量検知部２、フィンプレート３の上半部
及び出力端子４の下半部をエポキシ樹脂によってモール
ディングし、図５に示すような流量センサー１を製造す
るようにしてもよい。

【００２５】本発明の流量センサー１は、図６及び図７
に示すように、ケーシング２２内に組み込まれ、流量検
出装置２１を構成する。この流量検出装置２１は、図６
及び図７に示すように、ケーシング２２、流通管２３、
流量センサー１、温度センサー２４及び流量検出回路基
板２５等よりなる。

【００２６】ケーシング２２は、塩化ビニル樹脂等の合
成樹脂製で、本体部２６及びこれに着脱自在な蓋体部２
７からなり、本体部２６の両端部は外部配管と接続する
ための接続部２８，２８とし、本体部２６内には流通管
２３を貫通させてある。本体部２６の上部にはセンサー
挿入空間２９を画成してあり、このセンサー挿入空間２
９から前記流通管２３に向かってセンサー挿入孔３０，
３１を穿設してある。

【００２７】流通管２３は、銅、鉄、ステンス鋼等の金
属からなる円管であり、前記センサー挿入孔３０，３１
に対応する位置に開口部３２，３３を形成してある。

【００２８】温度センサー２４は、温度検知部３４、フ
ィンプレート３５、出力端子３６及び被覆部材３７より
なり、流量検知部２の発熱体８、電極層９，１０、絶縁
層１１を有しない以外は、同様の構成である。又、温度
センサー２４の製造方法としても、流量センサー１と同
様の方法を採用することができる。

【００２９】流量センサー１、温度センサー２４は、ケ
ーシング２２のセンサー挿入空間２９からセンサー挿入
孔３０，３１に嵌挿され、フィンプレート３，３５の下
半部は、流通管２３の開口部３２，３３を挿通して流通
管２３内に位置し、嵌挿時に、フィンプレート３，３５
の下端は、流通管２３の軸線より下方まで到達するよう
にしてある。尚、流量センサー１、温度センサー２４と
センサー挿入孔３０，３１との間にはＯリング３８，３
９を介在させ、これら間隙より流体が漏洩するのを防止
している。

【００３０】流量センサー１、温度センサー２４を嵌挿
した後、センサー挿入空間２９にセンサー押圧板４０を
挿入して流量センサー１、温度センサー２４の被覆部材
５，３７の上面を押圧し、さらに、流量検出回路基板２
５を装着する。

【００３１】流量検出回路基板２５は、流量センサー５
と温度センサー２４の出力端子４，３６と電気的に接続
されており（図示せず）、全体として、図８に示すよう
な回路が構成されている。直流電源４１から供給される
電圧が並列接続された発熱体８とブリッジ回路５２に印
加され、ブリッジ回路５２中に配設された差動増幅器５
３の出力として、流量を示す出力が得られるようになっ
ている。すなわち、流量センサー５においては、フィン
プレート３を介して流体に放逸された熱量を発熱体８の
発熱量から差し引いた熱量を感温体１２が検知し、一
方、温度センサー２４においては、フィンプレート３５
を介して流体の保有する熱量を感温体が検知し、流体温
度補償が実行されて、流体の流量が精度良く検知される
のである。

【００３２】このように、流量検知部２、フィンプレー
ト３の上半部及び出力端子４の下半部をモールディング
による被覆部材５により被覆した流量センサー１とし、
流量検出装置２１のケーシング２２にセンサー挿入孔３
０を穿設しておけば、流量センサー１をセンサー挿入孔
３０に確実に嵌挿でき、密封状態が完全となって、フィ
ンプレート３を伝達する熱量が金属製流通管２３を介し
てケーシング２２へと流出又は流入することも極めて少
なくなる。

【００３３】又、流量検知部２、フィンプレート３の上
半部及び出力端子４の下半部をモールディングによる被
覆部材５により被覆して一体化した流量センサー１と
し、流量検出装置２１のケーシング２２に形成したセン
サー挿入孔３０に嵌挿する構成とすれば、流量センサー
１のケーシング２２への組み込みは極めて簡単となり、
しかも、固定状態も安定となって耐久性の高いものとな
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量セン
サーによれば、流量センサー各部からケーシング及び外
部へ放逸する熱量を極力少なくすることができて、流体
の比熱が小さい場合、流量が少ない場合等にあっても、
流量を高精度に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量センサーの一実施形態を示す
（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。

【図２】本発明の流量センサーの一実施形態の流量検知
部の分解斜視図である。

【図３】本発明の流量センサーの一実施形態の流量検知
部の縦断面図である。

【図４】本発明の流量センサーの一実施形態の製造工程
を示す説明図である。

【図５】図４に示す製造工程により製造される流量セン
サーの断面図である。

【図６】本発明の流量センサーを組み込んだ流量検出装
置の一実施形態を示す正面断面図である。

【図７】本発明の流量センサーを組み込んだ流量検出装
置の一実施形態を示す側面断面図である。

【図８】図６に示す流量検出装置の流量検出回路図であ
る。

【図９】従来の流量センサーの流量検知部の（Ａ）は斜
視図、（Ｂ）は断面図である。

【図１０】従来の流量センサーを配管に設置した状態を
示す断面図である。

【図１１】本発明者等が開発した流量検知部をフィンプ
レートに載置した流量センサー及びそれを設置した流量
検出装置の概略説明図である。

【符号の説明】

１流量センサー２流量検知部３フィンプレート６基板８発熱体１２感温体１４凹部１５プレパラート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者友成健二埼玉県上尾市原市1333−２三井金属鉱業株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に発熱体と感温体とを形成した流
量検知部を有する流量センサーであって、前記基板に凹
部を形成し、この凹部を封止して空気層を設けたことを
特徴とする流量センサー。
【請求項２】前記凹部は、エッチングにより形成され
たものであることを特徴とする請求項１に記載の流量セ
ンサー。
【請求項３】前記凹部は、ガラスからなるプレパラー
トにより封止されたものであることを特徴とする請求項
１又は２に記載の流量センサー。
【請求項４】検知流体との間で熱伝達を行うフィンプ
レートを設け、このフィンプレートの一端面に、前記発
熱体、前記感温体を積層した面を対向させて、前記流量
検知部を固着したことを特徴とする請求項１乃至３に記
載の流量センサー。