JPWO2008105197A1 - フローセンサ - Google Patents

Abstract

パッケージを、センサチップ５を収納する角穴５ａが形成された平板基板２ａと、センサチップ５へ計測対象の気体を導入するためのパッケージ内流路となる孔部６が形成された平板基板２ｂと、パッケージ内流路と連通すると共に、パッケージの同一端面における計測対象の気体の入口３ａ及び出口３ｂとなる孔部が形成された平板基板２ｃとを積層して構成した。

Description

この発明は、流量計等に用いられるフローセンサに関するものである。

特許文献１に開示されるハウジング構造を有する流速センサは、平板状のベース部材を貼り合わせたパッケージにセンサチップが内蔵される。ベース部材には、該ベース部材のセンサチップの実装面に平行な溝状の流路が設けられており、この流路の入出口がパッケージの対向する端面に形成される。また、センサチップの電極は、ベース部材に一体形成した電極にワイヤボンディングやはんだバンプによって電気的に接続される。

特許文献２に開示される熱式流量計は、センサチップを実装した基板を管状のボディの内壁に密着させて構成される。このセンサチップ又は基板には実装面に平行な溝が形成されており、ボディの内部において主流路と前記溝によるセンサ流路が形成される。

図２５は、前述した特許文献２に開示される従来の流量計におけるセンサチップ及び基板を示す斜視図である。図２５に示すように、基板３０２の表面には溝３０３ｂが形成されており、電気回路用電極３０４〜３０７が溝３０３ｂの両側に設けられている。また、センサチップ３０１においても溝３０３ａの両側に電極が設けられており、これらチップ電極と電気回路用電極３０４〜３０７をそれぞれ接合することで、溝３０３ａ及び溝３０３ｂからなるセンサ流路が形成される。

図２６は、特許文献２に開示される従来の熱式流量計の断面図である。この流量計３００では、図２６中に矢印で示すように、ボディ３０８の入口ポート３１１から流れ込んだ計測対象の気体が、入口流路３１２を経由してボディ３０８の底板３０９の端部で主流路とセンサ流路とに分流した後、出口流路３１４で再び合流して出口ポート３１５から流れ出す。このようにしてセンサ流路を流れた気体は、センサチップ３０１によって計測される。

センサチップ３０１を実装した基板３０２は、図２６に示すように電気素子３１６ａ〜３１６ｄを含む電気回路面がボディ３０８の外側になるようにＯリング３１０を介してねじ固定により密着される。このように特許文献２による流量計では、センサチップ３０１及び基板３０２の溝３０３ａ，３０３ｂによる流路を、ボディ３０８の内部流路の一つとして構成している。

また、特許文献３に開示されるフローセンサは、台座の角穴にセンサチップを配置し、スリットを設けた配線基板を配置するか若しくは隙間を設けて２枚の配線基板を対向配置してカバーを設けることにより、センサチップのセンサ面上に流路を形成している。なお、センサチップの電極と配線基板の外部回路接続用の電極パッドは、はんだや導電性の接着剤等により接合される。

図２７は、特許文献３に開示される従来のフローセンサを示す斜視図である。図２７（ａ）に示すフローセンサ１００Ａにおいて、ベース基板１０２上に設けた台座１０３にセンサチップ１０１を収容し、隙間を設けて２枚の配線基板１０４Ａ，１０４Ｂを対向配置している。この配線基板１０４Ａ，１０４Ｂ上にカバー１０７を接合することにより、図２７（ｂ）に示すようにセンサチップ１０１のセンサ面上に流路１０６が形成される。

このフローセンサ１００Ａを管路に実装する場合、図２８（ａ）に示すようにベース基板１０２の下面に充填材１０８ｂを施して管路１０９に配置し、フローセンサ１００Ａの周囲と管路１０９の内壁との間に施した充填材１０８ａにより流路１０６の入口側と出口側を管路１０９内で分離し、カバー１０７上から管路１０９に蓋をする。これにより、カバー１０７と管路１０９の蓋との間に充填材１０８ａがぬれ広がり、図２８（ｂ）に示すように封止される。この構成において、図２８（ｂ）中に矢印で示すように流路１０６を流れる計測対象の気体がセンサチップ１０１によって計測される。

特開昭６０−２２０８６４号公報 特開２００２−１６８６６９号公報 特開２００６−１１８９２９号公報

従来のセンサは、センサチップの実装面に対して平行に流路が形成されており、該流路の入出口がセンサの対向する端面にそれぞれ設けられている。このため、該センサを計測対象の気体の管路に設置しようとすると気密性を保持しながら接続することが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、気密性を保持しながら計測対象の気体の管路に接続することができ、また設置構造上の自由度があるフローセンサを得ることを目的とする。

この発明に係るフローセンサは、計測対象の気体を検知するセンサチップと、センサチップを格納するパッケージとを備えたフローセンサにおいて、パッケージを、センサチップを収納する孔部が形成された第１の平板基板と、センサチップへ計測対象の気体を導入するためのパッケージ内流路となる孔部が形成された第２の平板基板と、パッケージ内流路と連通するとともに、パッケージの同一端面における計測対象の気体の入出口となる孔部が形成された第３の平板基板とを積層して構成したことを特徴とするものである。

この発明に係るフローセンサは、第１の平板基板、第２の平板基板及び第３の平板基板に加えて複数の平板基板を積層し上下に積層させた平板基板に形成した孔部を連通させることにより垂直方向に屈曲させた屈曲部、及び同一層の平板基板内で水平方向に屈曲させた屈曲部の少なくとも一方を有するものである。

この発明に係るフローセンサは、パッケージ内流路が流路幅を減少させた絞り部分を有するものである。

この発明に係るフローセンサは、パッケージ内流路が分岐の一方を袋小路とした分岐部を有するものである。

この発明に係るフローセンサは、パッケージ内流路の入出口を有するパッケージ端面を除くパッケージ端面のいずれかを電気部品の実装用面としたものである。

この発明に係るフローセンサは、パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口の各周囲に前記樹脂によるシール用のブッシュ状凸部を設けたものである。

この発明に係るフローセンサは、パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口に連通する前記樹脂からなるチューブ差し込み部を設けたものである。

この発明に係るフローセンサは、計測対象の気体を検知するセンサチップと、センサチップを格納するパッケージとを備えたフローセンサにおいて、パッケージを、第４の平板基板上に、センサチップへ計測対象の気体を導入するためのパッケージ内流路となる孔部が形成された第５の平板基板と、開口部に段差を有し、センサ面をパッケージ内流路側にしてセンサチップを段差に嵌合することにより、センサチップの裏面とパッケージ端面とが同一平面になるとともに、センサチップで被覆されない開口部が、パッケージ内流路と連通した計測対象の気体の入出口となる孔部が形成された第６の平板基板とを積層して構成したことを特徴とするものである。

この発明によれば、センサチップを、パッケージ内流路の入出口を有するパッケージ端面側からその裏面が該パッケージ端面と同一平面となるように嵌合して構成したので、実装時にパッケージの一端面のみをシールすればよく、平坦面であることからシールが容易である。また、パッケージの他の端面を利用できることから、設置構造上の自由度があり、かつ小型化を図ることができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージ内流路が垂直方向及び水平方向の少なくとも一方に屈曲する屈曲部を有するので、計測対象の気体中の粉塵を屈曲部で集塵することができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージ内流路が流路幅を減少させた絞り部分を有するので、計測対象の気体中の粉塵を絞り部で集塵することができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージ内流路が分岐の一方を袋小路とした分岐部を有するので、計測対象の気体中の粉塵を袋小路の分岐部で集塵することができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージ内流路の入出口を有するパッケージ端面を除くパッケージ端面のいずれかを電気部品の実装用面としたので、パッケージ端面を有効に利用することができる他、センサ自体の小型化も図ることができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口の各周囲に前記樹脂によるシール用のブッシュ状凸部を設けたので、パッケージ内流路を外気から密閉するのに特別なシール材を用いることなく実現することができるという効果がある。

この発明によれば、パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口に連通する前記樹脂からなるチューブ差し込み部を設けたので、センサ設置の自由度が向上する上、より複雑な現場での計測作業にも対応することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるセンサを示す斜視図である。 図１中のフローセンサの組み立て工程を示す斜視図である。 図２中のＡ−Ａ線で切った断面図である。 実施の形態１によるフローセンサと従来のセンサとの構成を示す図である。 実施の形態１によるフローセンサの実装例を示す図である。 図５中のＢ−Ｂ線で切った断面図である。 従来のフローセンサにおけるシール態様を説明するための図である。 実施の形態１によるフローセンサの他の構成を示す図である。 図８中のフローセンサの構成を説明するための図である。 実施の形態１によるフローセンサの他の構成を示す図である。 実施の形態１によるフローセンサのパッケージ内流路の構成例を示す上面図である。 実施の形態１によるフローセンサのパッケージ内流路の他の構成例を示す図である。 図１２中の流路の除塵効果を説明するための図である。 実施の形態１によるフローセンサの実装構成の一例を示す図である。 実施の形態１によるフローセンサの構成の他の例を示す図である。 実施の形態１によるフローセンサの他の構成例を示す図である。 図１５中のフローセンサの使用状態を説明するための図である。 実施の形態１によるフローセンサにおけるセンサ設置構造を示す断面図である。 実施の形態１によるフローセンサのスペーサ部の一構成を示す図である。 実施の形態１によるフローセンサのスペーサ部の他の構成を示す図である。 ヒータパターンを施した基板を用いたフローセンサの組み立て工程を示す図である。 ヒータパターンを有するフローセンサを示す断面図である。 フローセンサのセンサチップを示す斜視図である。 ヒータパターンを有するフローセンサを制御する温度制御装置及びフローセンサ制御装置の構成を示す図である。 従来の流量計におけるセンサチップ及び基板を示す斜視図である。 従来の熱式流量計の断面図である。 従来のフローセンサを示す斜視図である。 従来のフローセンサの実装状態を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるセンサを示す斜視図であり、３枚の基板を接合してなるパッケージにセンサチップを収納して構成したフローセンサを示している。図１に示すように、実施の形態１によるフローセンサ１では、セラミック基板２ａ，２ｂ，２ｃを焼成接合して構成される矩形状のパッケージにセンサチップを内蔵し、該パッケージの平坦な同一端面（基板２ｃ面）に計測対象気体を流すパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂの双方を設けている。

なお、フローセンサ１のパッケージを構成する基板２ａ〜２ｃは、上下層の基板を積層する際に上下層の基板間で係合させる凹凸部を形成しない平板基板であり、各基板をそのまま重ね合わすことができる程度に平坦な端面を有していればよい。また、セラミック基板を用いる場合、本発明でいう基板の平坦な端面には、完全に平坦な端面に限らず、グリーンシートの焼成により多少の表面粗度が生じたようなものも含まれる。

また、このフローセンサ１は、パッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂのそれぞれに配置したシールリング４を、該パッケージ面（基板２ｃ面）と実装される側の取付面とで挟み込むことにより、流路の密閉性を保ちながら実装することが可能である。

ここで、パッケージを構成する平板基板をセラミック基板２ａ，２ｂ，２ｃとすることで、下記の（Ａ）〜（Ｃ）の効果が得られる。
（Ａ）電気絶縁性
センサチップのセンサ面（検知面）における電気的な接続が何らかの要因で外れても、パッケージ内では電気絶縁性を保つことができる。例えば、熱式流量センサでは、センサ面の電気的接続にワイヤボンドが使用されており、ワイヤボンドがパッケージ内流路に露出している。従って、ワイヤボンドが何らかの要因で外れると、パッケージがステンレス等の金属製である場合、パッケージ内で短絡して電気絶縁性を保つことができない。これに対して、実施の形態１によるフローセンサ１では、電気絶縁性のあるセラミック基板を積層してパッケージを構成している。このため、センサ面のワイヤボンドが外れても電気絶縁性を保つことができ、短絡により生じる二次的な不具合の発生を防止できる。なお、平板基板を樹脂で構成しても、同様の効果を得ることができる。
（Ｂ）熱膨張係数
パッケージを構成する平板基板をセラミック基板とすることにより、センサチップとの熱的な適合性が向上する。例えば、熱式流量センサのセンサチップは、シリコンの単結晶で構成される。このため、パッケージがステンレス等の金属製である場合、熱的負荷が印加されると熱膨張係数の違いからセンサチップが割れたり、センサ特性が変化する可能性がある。これに対して、実施の形態１によるフローセンサ１では、センサチップに近い熱膨張係数のセラミックをパッケージの平板基板に用いるので、熱膨張係数の違いによる不具合の発生を抑制することができる。なお、セラミック基板に限らず、平板基板を樹脂で構成しても、センサチップに近い熱膨張係数であれば同様の効果が得られる。
（Ｃ）量産性
パッケージをセラミック基板で構成することにより量産性の向上を図ることができる。例えば、ステンレス等の金属でパッケージを作成する場合、金属の切削加工やエッチング等によってパッケージの各部品を作成する必要がある。これに対して、本発明は、複数のセラミックのグリーンシートを積層して一括焼成し、センサチップを挿入した後、個々のパッケージに分割することにより製造が可能である。このため、ステンレス等の金属でパッケージを作成する場合と比較して格段に量産性を向上させることができる。また、パッケージを構成する平板基板を樹脂基板とした場合であっても、同様に一括成型での製造が可能であり量産性が向上する。

図２は、前述した図１中のフローセンサの組み立て工程を示す斜視図であり、図３は、図２中のＡ−Ａ線で切った断面図である。図２（ａ）に示すように、センサチップ設置層となる基板２ａの中央部には、センサチップ５の形状に対応した開口（例えば、菱形）の角穴５ａが設けられている。この角穴５ａにセンサチップ５を挿入する（図２（ｂ）参照）。また、流路層となる基板２ｂには、図２（ｃ）に示すような溝６が形成されており、この溝６部分がパッケージ内流路となってセンサチップ５のセンサ面が計測対象の気体に晒される。

また、センサチップ５のセンサ面上の電極と基板２ｂの電極は、図３に示すように導電性接合材２０により電気的に接続される。導電性接合材２０としては、例えばはんだよりも融点の高い材料である金（融点１０００度以上）のバンプ等を用いることができる。この場合、金バンプに熱加圧や熱超音波を併用した加圧を施すことで、センサチップ５と基板２ｂとを電気的に接続することができる。なお、バンプの形成には、金ワイヤのスタッドバンプ形成法やメッキ法等が用いられる。

導電性接合材２０として、はんだや導電性接着剤よりも融点が高い金を使用すると、例えばパッケージと他の基板とを接続する場合やパッケージ端面に電気部品を実装する際、パッケージ内にはんだや導電性接着剤の融点やガラス転移点に近い温度が加わることで、パッケージ内の接続部が短命化するのを抑制する効果が期待される。なお、本発明による導電性接合材２０としては、上述した高融点のものに限らず、従来通りはんだ等を用いても構わない。

基板２ｂ上に載置される基板２ｃには、図２（ｄ）に示すように、溝６の端部の位置に対応して流路の入口３ａ及び出口３ｂとなる孔部がそれぞれ形成される。このように基板２ａ〜２ｃでパッケージを構成することで、パッケージ内部で折り曲がった流路が形成される。なお、図２では基板２ｃ面に流路の入出口を設けた例を示したが、このパッケージ面のみに限定されるものではない。つまり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲でパッケージの他の端面、例えば基板２ａ面に入出口を設けてもよい。

（１）パッケージ端面の有効利用
図４は、実施の形態１によるフローセンサと従来のセンサとの構成を示す図であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）は従来のセンサを示し、図４（ｃ）は実施の形態１によるセンサを示している。実施の形態１によるフローセンサでは、前述のように、パッケージの平坦な同一面（基板２ｃ面）に流路の入口３ａ及び出口３ｂの双方を設けていることから、他のパッケージ面を有効に使用することができる。

例えば、図４（ａ）に示すように、従来のセンサ１００Ａでは、センサチップ１０１と別個に設けたベース基板１０２にセンサ構成上必要な電気回路が実装されており、このベース基板１０２上に設けた台座１０３にセンサチップ１０１を収容し、隙間を設けて２枚の配線基板１０４Ａ，１０４Ｂが対向配置される。センサチップ１０１の電極Ｐ１〜Ｐ６は、配線基板１０４Ａ，１０４Ｂの不図示の配線パターンと導電性接合材で接続される。また、配線基板１０４Ａ，１０４Ｂの配線パターンは、台座１０３の上下面に露出する導通路であるスルーホールを介してベース基板１０２の電極パッドＰＤ１〜ＰＤ６と電気的に接続される。

また、図４（ｂ）に示す従来のセンサ１００Ｂでは、ヘッダ部１０５に設けた突部１１０にセンサチップ１０１を載せる。また、センサチップ１０１の電極Ｐ１〜Ｐ６は、図４（ａ）と同様に配線基板１０４Ａ，１０４Ｂの不図示の配線パターンと導電性接合材で接続される。これら配線基板１０４Ａ，１０４Ｂの配線パターンは、台座１０３の上下面に露出するスルーホールを介してヘッダ部１０５上の電極ピンＴ１〜Ｔ６と電気的に接続される。

このように、従来のセンサを構成するには、ベース基板１０２やヘッダ部１０５などをセンサチップ１０１に接続する工程が必要であり、ベース基板１０２やヘッダ部１０５とセンサチップ１０１との間で電気信号をやり取りするための特別な構成を設けなければならない上、センサの小型化も図れない。

一方、実施の形態１によるフローセンサ１では、流路の入口３ａ及び出口３ｂを設けた面をシールするだけで実装可能である上、他のパッケージ面上にセンサ構成上必要な電気回路を形成することができる。例えば、図４（ｃ）に示すように、流路の入口３ａ及び出口３ｂを設けた面に対向するパッケージ面（基板２ａ面）上に、電気信号の外部引き出し用のコネクタ７ａや他の電気素子８等のような、従来ではベース基板やヘッダからさらに引き出され電気的に接続された基板等の上に実装していた電気回路の電気部品を全て実装する。

このように電気回路をパッケージの一端面に集約することにより、センササイズを格段に小型化することが可能である。また、ベース基板やヘッダが不要であることから、部品点数を削減することができ、コスト的にも有利である。

なお、図４（ｃ）では、流路の入口３ａ及び出口３ｂを設けた面に対向するパッケージ面（基板２ａ面）上に電気回路を実装する例を示したが、他のパッケージ面に実装する構成であってもよい。例えば、図４（ｃ）に示す外部引き出し用のコネクタ７ａをパッケージ側面（基板２ａ，２ｃ面に垂直なパッケージ面）に実装する構成などが考えられる。

図５は、実施の形態１によるフローセンサの実装例を示す図であり、計測対象の気体が流れる管路１３に実装する場合を示している。図５（ａ）において、管路１３のセンサ取付部には、フローセンサ１へ流体を流すための貫通孔１１ａ，１１ｂが設けられており、該貫通孔１１ａ，１１ｂの周囲にはシールリング４をはめ込む溝部が形成されている。

フローセンサ１は、シールリング４を介してパッケージ内流路の入出口と貫通孔１１ａ，１１ｂとを合わせて配置し、カバーとなる固定用ブラケット１０をかぶせて固定ねじ９で管路１３の取付部に設けたねじ穴１２に螺合する。これにより、シールリング４が前記溝部でつぶされて、パッケージ内流路や管路１３の密閉性が保たれる。このようにして、フローセンサ１は、図５（ｂ）に示すように管路１３の取付部に実装される。

図５から明らかなように、実施の形態１によるフローセンサ１では、パッケージの同一端面にパッケージ内流路の入出口を設けたので、該パッケージ端面のみを介して管路１３に実装すればよい。従って、従来のようにセンサ全体をシールしたり、センサ周囲に充填材を施す必要がなく、狭い設置スペースであっても十分に対応することができる。

また、図５中のＢ−Ｂ線で切った断面図である図６に示すように、上述のように取り付けたフローセンサ１では、基板２ａに設けたセンサチップ収納用の孔部の内壁とこれに収納したセンサチップ５の側壁との間に形成される隙間に樹脂シール材１４を施して密封されており、パッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂと管路１３の貫通孔１１ａ，１１ｂとの接続がシールリング４により密封される。このように、フローセンサ１は、外気から遮断されているので、管路１３を流れる計測対象の気体が貫通孔１１ａ及び流路入口３ａを介してパッケージ内流路に流入し、流路出口３ｂ及び貫通孔１１ｂを介して管路１３へ流出する。

次に、実施の形態１によるフローセンサのシール態様について説明する。
先ず、比較のため、特許文献２に開示される従来のフローセンサを例に挙げてシール態様を説明する。図７は、特許文献２に開示される従来のフローセンサのシール態様を説明するための図であり、図７（ａ）は従来のフローセンサを示す斜視図（特許文献２、第４図参照）であり、図７（ｂ）は図７（ａ）中のフローセンサをシールした態様を示す斜視図、図７（ｃ）は図７（ｂ）中のＢ１−Ｂ１線で切った断面の拡大図である。図７（ａ）に示すように、特許文献２に開示される従来のフローセンサでは、流路となる溝６を跨ぐようにセンサチップ５が基板面上に取り付けられ、センサチップ５の両側に形成される開口部がそれぞれ流路の入口３ａ及び出口３ｂとなる。計測対象の気体は、図７（ａ）中の矢印の方向に入口３ａから流入しパッケージ内流路を通過して出口３ｂから流出する。

また、特許文献２に開示される従来のフローセンサでは、溝６を形成した基板面上にセンサチップ５が配置されており、溝６を形成した基板面とセンサチップ５とが同一平面上にない。このため、溝６を形成した基板面を基準とすると、センサチップ５の高さ分だけ基板面から突出する。このように、溝６を形成した基板面とセンサチップ５とが同一平面上にない場合、図７（ｃ）に示すように、センサチップ５の側面と上記基板面との間にコーナー部分１４ａが形成される。

図７（ｂ）に示すように、従来のフローセンサに対して、ペースト状のシール材１４を施してシールする場合、上述したコーナー部分１４ａにシール材１４が十分に行き渡らず、コーナー部分１４ａからシールが破れて流体が漏れる可能性がある。また、弾性部材等をシール材として配置した場合は、コーナー部分１４ａにおける段差でシールができなかったり、コーナー部分１４ａでシール材１４を屈曲させてシールすると経年変化によって流体の漏れ原因になることも考えられる。このように、従来のフローセンサは、シール実施が困難な構造を有している。

これに対して、実施の形態１によるフローセンサ１では、パッケージ内流路の入出口が形成される端面が平坦な面であることから、例えばシールリング４でパッケージ内流路の入出口をシールしても漏れ要因となる部位が形成されない。このように、実施の形態１によるフローセンサ１では、シールが容易である上、シール漏れを低減することができることからセンサの圧力と流量の特性が安定させることができる。

また、実施の形態１によるフローセンサ１は、以下のような構成であってもよい。
図８は、実施の形態１によるフローセンサの他の構成を示す図であり、フローセンサ及びそのパッケージを構成する各基板を斜視図で示している。図８に示すフローセンサは、上述したものと同様に、セラミック基板２ａ，２ｂ，２ｃを焼成接合して構成される矩形状のパッケージにセンサチップを内蔵するが、パッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂを設けた端面側からセンサチップ５をはめ込み、平坦な端面（基板２ｃ面）となるように構成している。

図８に示すフローセンサのパッケージは、底板となる基板２ａ上に、パッケージ内流路となる溝６を形成した基板２ｂを積層し、その上に溝６と同一形状の溝にセンサチップ５をはめ込むための段差部５ｂを形成した基板２ｃを積層して接合することにより構成される。基板２ｃにおける段差部５ｂにセンサチップ５をはめ込むことにより、センサチップ５の両側の開口部がパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂとなる。なお、段差部５ｂは、センサチップ５をはめ込むことにより、基板２ｃ面とセンサチップ５の裏面とが同一平面上になるような深さに形成する。

このように構成することでも、図１で示した構成と同様の効果を得ることができる。
図９は、図８中のフローセンサの構成を説明するための図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）中のＢ２−Ｂ２線で切った断面図、図９（ｃ）はシール態様を示している。図９（ａ）に示すように、このフローセンサ１では、センサチップ５の裏面がパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂが形成される基板面と同一面になる。また、段差部５ｂは、センサチップ５の位置決めの自由度を持たせるため、センサチップ５の幅より若干大きく形成されている。

また、このパッケージでは、図９（ｃ）に示すようにチクソ性を有するシール材１４をセンサチップ５の側面と段差部５ｂとの間に充填することにより、パッケージ内流路のシールと位置固定の双方を行う。このようにすることで、シール材１４がセンサチップ５の側面と段差部５ｂとの間に収まってパッケージ内流路に流れ込むことを防止することができる。これにより、一定の流路断面が得られることからセンサ特性を安定化できる。なお、シール材１４が基板面側にあふれても研磨して平坦にすることが可能である。

さらに、この構成においても、図１等で示した構成と同様に平坦な同一端面にパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂが形成されることから、漏れ要因のない確実なシールが可能である他、図９（ｃ）に示すようにシールリング４により入口３ａと出口３ｂをそれぞれ別個にシールすることができる。

また、センサチップ５として、流路幅と同程度のものが得られる場合は以下のようにパッケージを構成してもよい。
図１０は、実施の形態１によるフローセンサの他の構成を示す図であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中のＢ３−Ｂ３線で切った断面図、図１０（ｃ）はシール態様を示している。このフローセンサでは、図１０（ｂ）に示すように、流路側にせり出すように位置決め部６Ａを設けられており、基板２ｃに設けた溝にはめ込んだセンサチップ５が位置決め部６Ａ上に配置される。これにより、センサチップ５の裏面がパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂが形成される基板面と同一面になるパッケージが構成される。

また、このパッケージにおいても、図１０（ｃ）に示すように、センサチップ５の側面と位置決め部６Ａにより流路側が遮られた溝内壁との間にチクソ性を有するシール材１４を充填することにより、パッケージ内流路のシールと位置固定の双方を行う。このようにすることで、シール材１４がセンサチップ５の側面と溝内壁との間に収まってパッケージ内流路に流れ込むことを防止することができる。これにより、一定の流路断面が得られることからセンサ特性を安定化できる。

さらに、この構成においても平坦な同一端面にパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂが形成されることから、漏れ要因のない確実なシールが可能である他、図１０（ｃ）に示すようにシールリング４により入口３ａと出口３ｂをそれぞれ別個にシールすることができる。

（２）パッケージ内流路の改良
図１１は、実施の形態１によるフローセンサのパッケージ内流路の構成例を示す上面図であり、流路を視認できるようにするために上部構成を透明にして記載している。従来のフローセンサでは、計測対象の気体の平均流速をかせぐために、図１１（ａ）に示すような直線上の流路とするのが一般的であった。この構成において、計測対象の気体中に粉塵が含まれていると、何の障害もなく粉塵がセンサチップ５のセンサ面（流体検出部）に達し、計測に必要な温度分布にゆがみを与えたり、電解腐食の発生要因になっていた。

そこで、実施の形態１によるフローセンサ１では、例えば図１１（ｂ）に示すように、パッケージの同一端面に流入口３ａと流出口３ｂを有するパッケージ内流路６Ａとして基板２ｂ面に平行に曲がりくねった流路を構成する。このように構成することにより、パッケージ内流路６Ａに慣性除塵によるエアロゾル除去を行う機能を持たせている。

このように構成すると、パッケージ内流路６Ａの角部１５を曲がって計測対象の気体が流れる際、該気体中に含まれる粉塵のうち角部１５を曲がりきれない分は、流路６Ａの内壁に衝突して角部１５周辺に留められる。なお、パッケージ内流路６Ａにおいて、角部１５の角度を直角若しくはそれ以下の鋭角にすることで、慣性除塵の効果をより高めることができる。

また、基板２ｂ面に平行に流路を単に曲がりくねらすだけでなく、図１１（ｃ）に示すようにパッケージ内流路６Ｂとして、流路中に分岐した一方を短い袋小路にしたＴ字路を設け、該Ｔ字路に入るまでの流路幅を絞る絞り部１６を設けたり、曲がり角に段差を設けた構成であってもよい。

図１１（ｃ）のように構成すると、パッケージ内流路６Ｂを流れる計測対象の気体に含まれる粉塵が、絞り部１６を通過できずにその入口部分に留められる他、絞り部１６を通過してもＴ字路の袋小路の内壁に付着して集塵される。ここで、流路内で粉塵粒子が付着する部分である集塵用インパクタには、計測対象の気体のエアロゾルにおける一定粒径以上の空気動力学的粒径を有する粒子が衝突し、再飛散や重力による落下等がない限り該インパクタに粉塵粒子が付着したままとなる。

なお、従来のフローセンサでは、パッケージ内流路の入口の上流にメッシュやフィルタを設けて除塵する場合があるが、実施の形態１によるフローセンサ１では、上述のようなパッケージ内流路構成とすることで、メッシュやフィルタを設けなくても除塵効果を確保することができる。

図１２は、実施の形態１によるフローセンサのパッケージ内流路の他の構成例を示す図であり、基板面に垂直な方向（縦方向）に流路を曲げた構成を示している。図１２（ａ）は、該流路構成を有するフローセンサの組み立て工程を示しており、図１２（ｂ）は、図１２中のＣ−Ｃ線で切ったフローセンサの断面図を示している。なお、図１２（ａ）の上段の斜視図では、基板の積層状態を視認しやすくするために基板の厚みを強調して記載している。

図１２（ａ）のように、基板２ａ−１には、センサチップ５を嵌合する角穴５ａが形成されている。また、基板２ａ−２には、角穴５ａの他、流路における集塵用のインパクタとなる孔部６ａが形成されている。さらに、基板２ａ−３には、角穴５ａの他、集塵用インパクタへ計測対象の気体を導く流路及び集塵用インパクタから下流へ計測対象の気体を導く流路を構成する孔部６ｂが形成されている。なお、ここでは、基板２ａ−３において、角穴５ａに関して対称に孔６ｂを設けることにより、逆流気体に対しても集塵機能を持つように構成した例を示している。これら３枚の基板２ａ−１〜２ａ−３を積層することにより、センサ設置層となる基板２ａが構成される。

流路層となる基板２ｂには、センサチップ５のセンサ面に計測対象の気体を晒すための溝６ｄと、前述の集塵用インパクタに計測対象の気体を入出する経路となる孔部６ｃが形成されている。この基板２ｂは、図１２（ａ）に示すように基板２ａ上に積層される。また、基板２ｃ−１には、基板２ｂの孔部６ｃに連通する孔部６ｅが形成されており、基板２ｃ−２には、基板２ｃ−１の孔部６ｅ，６ｅに連通するパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂが形成されている。

これら基板２ｃ−１，２ｃ−２を基板２ｂ上に順に積み上げて焼成等により各基板を接合することにより、図１２（ｂ）に示すように、基板面に垂直な方向（縦方向）に曲がる流路を有するパッケージが構成される。なお、図１２の例では、孔部６ｅを形成した基板２ｃ−１上に基板２ｃ−２を積層する場合を示したが、基板２ｃ−１に流路の入口３ａ及び出口３ｂを形成して流路層上に積層する基板数を削減してもよい。

図１３は、図１２に示す流路構成を有するフローセンサの除塵効果を説明するための図である。図１３には特に図示していないが、このフローセンサにおいてもパッケージ基板に設けたセンサチップ収納用の孔部の内壁とこれに収納したセンサチップ５の側壁との間に形成される隙間に樹脂シール材を施して密封される。図１３（ａ）に示すように基板面に垂直な方向に曲がる流路の折り返し部分１７は、上述した基板面に平行に流路を曲げた場合と同様に集塵用のインパクタとして機能する。また、この構成においても、流路の曲がり角が鈍角であると、粉塵の捕集効果は小さくなる（図１３（ｂ）参照）。一方、図１３（ｃ）に示すように流路の曲がり角が鋭角であると、粉塵の捕集効果は大きくなる。

上述したようなパッケージ内流路を基板面に垂直な方向に曲がる流路とする構成は、上述した基板面に平行な方向に流路を屈曲させた構成よりも、パッケージ内流路を構成するための抜き打ち形状が複雑にならないので、寸法精度を出しやすく、製造が容易である。また、基板面に平行な方向に屈曲させる場合と比較してパッケージの幅方向の寸法を小さくすることも可能である。

なお、パッケージ内流路の構成として、基板面に平行な方向に折り曲げる場合と基板面に垂直な方向に折り曲げる場合を別個に説明したが、基板面に平行な方向に折り曲げ、かつ基板面に垂直な方向に折り曲げた流路としてもよい。また、集塵用のインパクタとなり得る構成を基板面に垂直な方向に設けても構わない。

（３）パッケージ実装構造の改良
図１４は、実施の形態１によるフローセンサの実装構成例を示す図である。図１４（ａ）に示す実装構成では、フローセンサ１のパッケージ内流路の入出口と実装される側の計測対象の気体の取り出し用孔（流路の入口と出口に連通する両端には差圧がある）とをシールリング４を介して配置し、固定用ブラケット１０をかぶせ、固定ねじ９を実装される側のねじ穴に螺合して固定する。

また、図１４（ｂ）に示す実装構成では、平板を断面Ｕ字状に折り曲げた部材にパッケージ内流路の入出口に連通させる孔部と固定用ねじの通し穴９ａとを設けた簡易な構造の固定用ブラケット１０ａを用いる。フローセンサ１は、この固定用ブラケット１０ａ上に充填材１８で一体の構造体となるように取り付けられる。これを実装するには、パッケージ内流路の入出口に連通する固定用ブラケット１０ａの孔部と、実装される側の計測対象気体の取り出し・戻し用の孔部とをシールリング４を介して配置し、通し穴９ａを介して固定ねじを実装される側のねじ穴に螺合する。

これにより、図１４（ｂ）中のＤ−Ｄ線で切った断面図に示すシールリング４が、固定用ブラケット１０ａの底面と実装される側の取付面との間でつぶされて、パッケージ内流路の密閉性が保たれる。なお、図１４（ｂ）に示す固定用ブラケット１０ａは、プレス加工で廉価に作成することができ、図１４（ａ）に示す実装構成よりも簡易でかつコスト的に有利なセンサを提供することができる。

図１５は、実施の形態１によるフローセンサの他の構成例を示す図であり、図１５（ａ）はフローセンサ１の断面図、図１５（ｂ）はパッケージ外部を樹脂で覆った構成の断面図を示しており、図１５（ｃ）は実装時における図１５（ｂ）中のＤ部分の拡大図である。図１５に示す構成では、図１５（ａ）に示すフローセンサ１のパッケージを、外部取り出しケーブル７ｃに繋がるコネクタ７ｂを取り付ける部分とパッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂの部分とを残して樹脂１９で覆っている。なお、図１５（ａ）には特に図示していないが、このフローセンサにおいてもパッケージ基板に設けたセンサチップ収納用の孔部の内壁とこれに収納したセンサチップ５の側壁との間に形成される隙間に樹脂シール材が施されて密封される。

このような樹脂１９による被覆は、パッケージの周りに溶融した樹脂１９を型に合わせて流し込んで固める一体成型により可能である。なお、ナイロンやＡＢＳなどを用いる従来のプラスチック成型では、射出圧力が数百〜１トン／ｃｍ²以上となり電子部品が圧力ダメージを受ける可能性がある。一方、熱可塑性のホットメルト接着剤を用いると、数〜５０ｋｇｆ／ｃｍ²程度の低い射出圧での成型が可能である。そこで、図１５に示すセンサでは、熱可塑性のホットメルト接着剤を樹脂１９として用いて一体成型している。なお、センサパッケージにダメージを与えない低圧形成が可能な材料ならば、ホットメルト接着剤以外を用いても構わない。

また、パッケージ内流路の入口３ａ及び出口３ｂ周辺部分には、図１５（ｂ）に示すようにブッシュ状の凸部１９ａを樹脂１９で形成する。樹脂１９は硬度の低い樹脂であるので、凸部１９ａは、実装時にシールリングと同様に機能して、図１５（ｃ）に示すように取付部の溝部でつぶれて流路を外気から密閉する。このように、図１５に示す構成とすることにより、シールリングを用いなくても実装可能であり、シールリングを安定して配置できない箇所にセンサを取り付ける場合（例えば、鉛直面への設置）に有効である。

図１６は、実施の形態１によるフローセンサの他の構成例を示す図であり、図１６（ａ）はセンサ下方からの斜視図を示し、図１６（ｂ）はセンサ上方からの斜視図を示している。なお、図１６（ｂ）は、フローセンサ１Ａの内部を視認できるように樹脂１９内の構成を破線で記載している。図１７は、図１６中のフローセンサの使用状態を説明するための図であり、図１７（ａ）は側面図、図１７（ｂ）は上面図を示し、図１７（ｃ）は図１７（ｂ）中のＤ１−Ｄ１線で切った断面図を示している。図１７（ｃ）には特に図示していないが、このフローセンサ１Ａにおいてもパッケージ基板に設けたセンサチップ収納用の孔部の内壁とこれに収納したセンサチップ５の側壁との間に形成される隙間に樹脂シール材を施して密封がなされる。

フローセンサ１Ａは、図１６（ｂ）に示すように、外部引き出し用のコネクタ７ａが露出するようにフローセンサ１のパッケージを樹脂１９で覆って構成され、樹脂１９により図１６（ａ）に示すような下方に突出した管状のチューブ差し込み部３Ａ，３Ｂが形成される。また、チューブ差し込み部３Ａ，３Ｂには、図１６（ａ）及び図１７（ｃ）に示すように、パッケージ内流路の入口３ａに連通する流入孔３ａ−１及び出口３ｂに連通する流出孔３ｂ−１をそれぞれ形成する。これら樹脂１９による外部構成は、図１５と同様にパッケージの周りに溶融した樹脂１９を型に合わせて流し込んで固める一体成型により作成可能である。

図１７（ａ）に示すように、チューブ差し込み部３Ａには、計測対象気体の導入用のチューブ３Ａ１が差し込まれ、チューブ差し込み部３Ｂには、計測対象気体の流出用のチューブ３Ｂ１が差し込まれる。チューブ３Ａ１を介して導入された計測対象の気体は、チューブ差し込み部３Ａの流入孔３ａ−１及びこれに連通する入口３ａを経由してパッケージ内流路に流れ込み、パッケージ内流路の出口３ｂ及びこれに連通する流出孔３ｂ−１を経由してチューブ３Ｂ１へ流出する。これにより、パッケージ内流路の気体の流れがセンサチップ５により検出される。

このように、フローセンサ１Ａは、チューブ３Ａ１，３Ｂ１を介して計測対象気体の取り込みと戻しが可能な設置対象であれば取り付けが可能であり、固定ねじによるねじ止めが不要で、計測現場における取り付けも容易である。また、計測対象気体の管路等にフローセンサ１Ａを設置するスペースがない場合であっても、チューブ３Ａ１，３Ｂ１を引き回してスペースのとれる場所に取り付けることが可能である。このように、フローセンサ１Ａは、設置の自由度が高く、より複雑な現場での計測作業にも対応することができる。

（４）流量計への適用例
実施の形態１によるフローセンサ１は、例えば参考文献１に開示される流量計に好適に実装することができる。参考文献１に開示される流量計では、特許文献３に示すような従来のフローセンサを用いていたが、該センサはマウンタなどの自動機で実装することができず、流量計内の回路基板に接着剤で取り付けられていた。また、特許文献３に示すような従来のセンサは、センサチップがダイボンド、ワイヤボンドで基板に実装されることから、センササイズが大きくなる分だけ流量計の大型化の要因となっていた。
（参考文献１）国際公開番号ＷＯ２００５／１２１７１８（第１図参照）

そこで、実施の形態１によるフローセンサ１を、従来のフローセンサの代わりに流量計に実装することで、流量計の製造を容易化することができ、また流量計の小型化も図ることができる。つまり、フローセンサ１は、上述したように基板を接合してなるパッケージチップとして構成されており、流量計内の回路基板上に実装する他の電気部品と同様にチップマウンタなどの自動機で実装することができる。また、フローセンサ１は、電気的な接続にワイヤボンドを用いないので設置スペースが狭い場合でも取り付けが可能である。これにより、フローセンサ１の設置に必要なスペースを削減することができ、流量計自体の小型化も図ることができる。

（５）センサ設置構造の改良１
フローセンサ１では、例えば図２に示すような基板２ａ〜２ｃを積層して接合しパッケージを構成した後、導電性接合材を用いて基板２ｂの電極とセンサチップ５のセンサ面における電極とを電気的に接続しつつ角穴５ａにセンサチップ５をフェイスダウン実装し、その後樹脂シール材を塗布する。

図１８は、パッケージへのセンサ実装例を説明するための図であり、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は従来のセンサチップ実装用の角穴を示し、図１８（ｃ）は段差を有する孔としてセンサチップ実装用の角穴を構成した場合を示している。図１８（ａ）に示すように、センサチップ５の厚みより角穴５ａが深いか、導電性接合材の高さ方向の寸法が足りないため、角穴５ａにセンサチップ５が沈んでしまうと、センサチップ５をつかみにくくなり、角穴５ａに挿入し嵌合した後のセンサチップ５の実装位置の手直しが困難である。

また、図１８（ｂ）に示すように、センサチップ５の厚みより角穴５ａを浅くするか、導電性接合材の高さ方向の寸法を増やすなどして、角穴５ａに嵌合したセンサチップ５が基板２ａ面から突出する場合、上方からセンサチップ５をつかむことができ実装位置の手直しは容易である。しかしながら、基板２ａ面から突出するので、センサチップ５に直接機械的な衝撃が加わったり、樹脂シール材が基板２ａ面の部品実装部へ広がる可能性がある。このように、角穴５ａからセンサチップ５が突出してもしていなくても、それぞれの状態に固有の課題が存在していた。

そこで、実施の形態１では、図１８（ｃ）に示すような段差２１を有する孔部を、センサチップ実装用の角穴５Ａとしている。この角穴５Ａにセンサチップ５をフェイスダウン実装すると、センサチップ５は、段差２１からは突出するが、基板２ａ面からは突出しない。このように構成することで、センサチップ５の段差２１から突出した部分をつかんで、センサチップ５の実装位置の手直しを行うことができる。また、センサチップ５をパッケージ内に封止するのに必要な量の樹脂シール材１４を加えても、角穴５Ａの段差２１上には広がるが、基板２ａ面上の電気部品まで広がることはない。

また、樹脂シール材１４としてチクソ性のある材料を用い、センサチップ５を角穴５Ａ（この場合、段差のない通常の角穴であってもよい）に嵌合した際におけるセンサチップ５の側面と角穴５Ａの内壁との隙間にシール材１４を充填する。これにより、センサチップ５のシールと流路断面積の一定化の双方を実現することができる。この場合、シール材１４の充填量は、流路内に液だれの起こらない適切な注入が行えるディスペンサの注入圧力及び注入時間等の注入条件を決定しておき、これに基づいて注入量管理を行う。

なお、上記説明では、図１８（ｃ）に示したセンサ設置構造をフローセンサ１に適用する場合を示したが、パッケージ開口にセンサチップを実装するセンサであれば、フローセンサ１以外の構成のセンサであってもよい。

（６）センサ設置構造の改良２
角穴５ａにフェイスダウン実装されたセンサチップ５の電極と基板２ｂの電極とを電気的に接続するにあたり、センサチップ５を基板２ｂに押し付ける強度や導電性接合材のつぶれしろ（溶けしろ）のばらつきなどによって、センサチップ５の高さ方向の寸法にばらつきが生じる場合がある。このようにセンサチップ５の高さ方向の寸法がばらつくと、流路とこれに晒されたセンサ面で規定される流路断面積が不均一になってセンサ特性がばらついてしまう。

そこで、実施の形態１によるフローセンサ１では、センサチップ５の高さ方向の位置（角穴５ａの深さ方向の位置）を一定に保つためのスペーサ部を基板２ｂ上に設けている。図１９は、実施の形態１によるフローセンサのスペーサ部の一構成を示す図であり、図１９（ａ）は上面図を示しており、図１９（ｂ）は図１９（ａ）中のＥ−Ｅ線で切った断面図を示している。なお、図１９（ａ）では、パッケージの同一端面に流入口３ａと流出口３ｂを有する流路とセンサチップ５との関係を視認できるようにするため上部構成を透明にして記載しており、図１９（ｂ）では、センサチップ５の記載を省略している。

スペーサ部２２は、図１９（ｂ）に示すように一定の高さ寸法（角穴５ａの深さ方向に沿った寸法が一定）を有し、図１９（ａ）に示すようにセンサチップ５の各辺に対応して設けられる。なお、スペーサ部２２は、基板２ｂと共にセラミック材で一体成型される。角穴５ａにフェイスダウン実装されたセンサチップ５の電極と基板２ｂの電極とを電気的に接続するにあたり、図１９（ｂ）に示す角穴５ａにセンサチップ５を押し込んでも、スペーサ部２２がストッパの役割を果たし、センサチップ５が過度に基板２ｂに押し付けられることはない。

また、スペーサ部２２は、一定の高さ寸法を有していることから、角穴５ａに実装したセンサチップ５の高さ方向の寸法がばらつくことがなく、流路断面積が一定に保たれる。これにより、均一なセンサ特性を得ることができる。なお、上記図１５に示した構造は、パッケージの実装用孔部にセンサチップを実装するセンサであれば、フローセンサ１以外の構成のセンサに適用することも可能である。

図２０は、実施の形態１によるフローセンサのスペーサ部の他の構成を示す図であり、図２０（ａ）は上面図を示しており、図２０（ｂ）は図２０（ａ）中のＦ−Ｆ線で切った断面図を示している。なお、図２０（ａ）では、パッケージの同一端面に流入口３ａと流出口３ｂを有する流路とセンサチップ５との関係を視認できるようにするため上部構成を透明にして記載しており、図２０（ｂ）では、センサチップ５の記載を省略している。

スペーサ部２２ａは、図２０（ｂ）に示すように一定の高さ寸法（角穴５ａの深さ方向に沿った寸法が一定）を有し、図２０（ａ）に示すように、流路に沿って溝６の土手状に形成される。なお、スペーサ部２２ａも基板２ｂと共にセラミック材で一体成型される。

角穴５ａにフェイスダウン実装したセンサチップ５の電極と基板２ｂの電極とを電気的に接続するにあたり、図２０（ｂ）に示す角穴５ａにセンサチップ５を押し込んでも、スペーサ部２２ａがストッパの役割を果たし、許容される強度以上にセンサチップ５が基板２ｂに押し付けられることはない。

また、スペーサ部２２ａも一定の高さ寸法を有していることから、角穴５ａに挿入したセンサチップ５の高さ方向の位置がばらつくことがなく、流路断面積が一定に保たれる。これにより、均一なセンサ特性を得ることができる。さらに、溝６の土手状に形成したスペーサ部２２ａでは、導電性接合材による接続部を保護する絶縁樹脂材が流路まで広がることを防止する防波堤として機能する。

なお、上記説明では、図１９及び図２０に示したセンサ設置構造をフローセンサ１に適用する場合を示したが、パッケージに設けた開口部にセンサチップを挿入し、そのセンサ面とこれに対向するパッケージ内の基板面との間に計測対象の気体を流すパッケージ内流路が形成されるセンサであれば、フローセンサ１以外のセンサに適用してもよい。

（７）温度制御機構
熱式フローセンサにおいて、計測対象の気体の流れが止まり、パッケージ内流路に気体が滞っている場合、センサ表面に結露や水分付着が生じて、センサ面上における計測対象の気体の熱の関係が崩れ、気体流量に対するセンサ精度が劣化したり、センサ出力が正しくならないことがある。そこで、実施の形態１によるフローセンサ１では、パッケージを構成する基板に加熱用のヒータパターンを形成し、センサチップ上の温度検出部で検出された周囲温度に基づいて温度制御がなされる。

図２１は、ヒータパターンを施した基板を用いたフローセンサの組み立て工程を示す図であり、セラミック基板２ａ−１Ａ、２ａ−２Ａ、２ｂ−１Ａ、２ｂ−２Ａの順に積層してパッケージを構成する。基板２ａ−１Ａには、センサチップ５を挿入する角穴５ａが形成されている。また、基板２ａ−２Ａには、角穴５ａの他、この角穴５ａの周囲にヒータパターン２３が形成されている。

基板２ｂ−１Ａは、パッケージ内流路となる溝６が設けられたセラミック基板であり、この溝６の長手方向の両側にヒータパターン２３がジグザク状に形成されている。また、基板２ｂ−２Ａは、ヒータパターン２３のないセラミック基板であり、中央にパッケージ内流路となる溝６が設けられている。

これら基板２ａ−１Ａ、２ａ−２Ａ、２ｂ−１Ａ、２ｂ−２Ａを順に積層し、図１２中の基板２ｃ−２に相当するパッケージ内流路の流入口３ａ及び流出口３ｂを設けた不図示のセラミック基板を基板２ｂ−２Ａ上に積層して焼成結合することにより、パッケージ壁内にヒータパターン２３が施されたセンサ用パッケージが構成される。なお、ヒータパターン２３がパッケージ内流路に剥き出しになると、電解腐食が発生して故障の原因となるため、ヒータパターン２３は、基板組み上げ時に流路が形成される部分には形成しない。

図２２は、ヒータパターンを有するフローセンサを示す断面図であり、図１と同様にパッケージの同一端面に流路の入出口を設けたセンサを示している。図２２には特に図示していないが、このフローセンサにおいてもパッケージ基板に設けたセンサチップ収納用の孔部の内壁とこれに収納したセンサチップ５の側壁との間に形成される隙間に樹脂シール材を施して密封がなされる。また、図２３は、実施の形態１によるフローセンサのセンサチップを示す斜視図である。図２２において、基板２ａ−２Ａ，２ｂ−１Ａは、図２１と同様にヒータパターン２３が施されている。パッケージ内流路の入口３ａに流れ込んだ計測対象の気体は、溝６からなる流路を経由して出口３ｂから流出する。なお、パッケージ内流路に流れ込んだ計測対象の気体は、センサ面上の温度検出部で温度が検出される。

また、図２２に示すセンサチップ５は、例えば図２３のように構成されており、金属薄膜のヒータ２３ａ、ヒータ２３ａの両側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体からなる温度センサ２４ａ，２４ｂ、金属薄膜の感熱抵抗体からなる周囲温度センサ２５、及び信号取り出し用の電極パッドＰ１〜Ｐ６を備える。なお、ヒータ２３ａと温度センサ２４ａ，２４ｂとによって、センサ部２６が構成される。

センサ部２６を気体流速計測に用いる場合、ヒータ２３ａは、周囲温度センサ２５で計測される周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ２４ａ，２４ｂは定電流又は定電圧で駆動される。計測対象の気体の流速が零の時には温度センサ２４ａ，２４ｂの温度は同一になり、温度センサ２４ａ，２４ｂの抵抗値に差は生じない。

計測対象気体の流れがあるときには、上流に位置する温度センサ２４ａは、ヒータ２３ａの方向へ向かう気体の流れにより熱が運び去られるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ２４ｂは、ヒータ２３ａの方向からの気体の流れによって熱せられる。

これによって、上流側温度センサ２４ａと下流側温度センサ２４ｂの抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧値の差として検出することにより、計測対象の気体の流速ｖが求められる。この流速ｖに流路の断面積Ｓを乗じることによって計測対象の気体の流量Ｑが求められる。

また、センサ部２６を気体熱伝導率計測に用いる場合、ヒータ２３ａは、周囲温度センサ２５で計測される周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、このときのヒータ電圧と電流からヒータ２３ａで消費されるヒータ電力Ｐｈが求められる。ヒータ電力Ｐｈは、センサ部２６が晒されている気体の熱伝導率に応じて変化するため、ヒータ電力Ｐｈから熱伝導率を求めることができる。なお、気体の熱伝導率計測では、流速がゼロでないとき誤差が生じるため、流速ゼロの状態であるか否かをヒータ２３ａの両側の温度センサ２４ａ，２４ｂの抵抗値に差が生じていないことで確認することができる。

図２４は、ヒータパターンを有するフローセンサを制御する温度制御装置及びフローセンサ制御装置の構成を示す図である。図２４に示す温度制御装置２７及びフローセンサ制御装置３１は、通信可能な別個の装置として構成してもよく、同一装置における一つの機能モジュールとして構成してもよい。

図２４において、温度制御装置２７は、温度センサ入力部２８、ヒータパターン出力制御部２９及び演算処理部３０を備える。温度センサ入力部２８は、フローセンサ１の外部引き出し用コネクタ７ｂを介して、流路内温度を捉える温度センサ２４ｃにより検出された周囲温度を入力する。図２４に示す温度センサ２４ｃは、フローセンサ１のパッケージ端面に実装したサーミスタを用いている。なお、温度センサ２４ｃとしては、サーミスタの代わりに熱電対を用いてもよく、またパッケージ端面に実装可能な他の温度検出器であっても構わない。

また、温度センサ２４ｃとしては、上述のようにフローセンサ１のパッケージ端面に実装したサーミスタを用いる構成の他、センサチップ５の流路に面したセンサ表面にパターン形成して実装してもよく、流路に面した側の裏面となる基板側のセンサ表面に実装してもよい。なお、基板側のセンサ表面に実装する場合、温度センサ２４ｃは、センサチップ５を介して流路内から伝わる熱を捉えて計測した温度を流路内温度として出力する。

ヒータパターン出力制御部２９は、ヒータパターン２３への通電量を制御する。演算処理部３０は、温度センサ入力部２８により入力された周囲温度に基づいてヒータパターン出力制御部２９を制御する。なお、温度制御装置２７は、マイコン制御による通常の温度調節器等を用いて実現可能である。また、温度制御装置２７の全て或いはその一部をフローセンサ１内に構成しても構わない。

また、フローセンサ制御装置３１は、ヒータ駆動部３２及び温度センサ入力部３３を備える。ヒータ駆動部３２は、センサ部２６のヒータ２３ａの駆動を制御するとともに、該ヒータ２３ａに流れる電流値をモニタ機能を有する。温度センサ入力部３３は、センサ部２６の温度センサ２４ａ，２４ｂの出力から気体流量を計測する。なお、フローセンサ制御装置３１は、マイコン制御による制御機器等を用いて実現可能である。また、フローセンサ制御装置３１の全て或いはその一部をフローセンサ１内に構成しても構わない。

次に動作について説明する。
先ず、温度制御装置２７による温度制御について説明する。
温度制御装置２７の温度センサ入力部２８は、外部引き出し用コネクタ７ｂを介して、温度センサ２４ｃにより検出されたフローセンサ１の流路内温度（基板内温度）を入力する。演算処理部３０は、温度センサ入力部２８から流路内温度（基板内温度）を入力すると、内部メモリに格納されている所定の使用温度と比較し、比較結果に基づいて基板内温度が前記使用温度になるようにヒータパターン出力制御部２９を制御する。

ヒータパターン出力制御部２９は、演算処理部３０からの制御信号に応じて、フローセンサ１のヒータパターン２３への通電量を制御する。これにより、フローセンサ１内の基板内温度を所定の使用温度に保つ。この使用温度としては、近接する気体よりも表面温度が低い物に対して結露が発生することを考慮して、計測対象の気体の温度よりも高い値に設定する。

このように制御することで、センサチップ５の表面における結露が防がれる上、周囲温度を一定に保たれるので、周囲温度の変動による影響が低減され、センサ精度を高めることができる。

また、演算処理部３０による温度制御方法としては、温度センサ入力部２８から入力される温度に基づいて使用温度を常時制御するか、気体又は流路の温度に応じて選択的に温度制御してもよく、また連続加熱駆動や間欠加熱駆動であってもよい。

さらに、暖かいところには粉塵が付着しにくいので、フローセンサ１を常に加温して流路内壁への粉塵付着を防止するように温度制御してもよい。

続いて、フローセンサ制御装置３１による結露状態からの回復処理について説明する。
フローセンサ制御装置３１のヒータ駆動部３２は、センサ部２６のヒータ２３ａに流れる電流値が増加して所定の閾値を超えると、センサチップ５のセンサ部２６に結露が発生していると判定する。これにより、結露状態からの回復処理が開始される。なお、結露の判定方法は、上述のようにヒータ２３ａの電流値をモニタして判定するものの他、その他の結露判定に関する周知技術、例えば露出した櫛形電極間のインピーダンス変化から結露と判定する方法などを用いてもよい。

結露が起こっていると判定されると、ヒータ駆動部３２は、その旨を温度制御装置２７の演算処理部３０へ通知する。演算処理部３０は、結露が起こっている旨の通知を受けると、ヒータパターン出力制御部２９の動作をヒータパターンの高温シーケンスに切り替える。この高温シーケンス処理では、ヒータパターン出力制御部２９が、フローセンサ１のパッケージ内温度を一定にするための通常の加熱状態より所定の時間だけ高い温度となるようにヒータパターン２３への通電量を制御して加熱を行う。

上記所定時間が経過すると、演算処理部３０は、ヒータパターン出力制御部２９を制御して、ヒータパターン２３への通電量を通常時の値に戻し通常の設定温度となるように制御する。このとき、演算処理部３０は、パッケージ内温度を通常の設定温度に戻す処理が行われてからの経過時間をカウントし一定時間が経過すると、その旨をフローセンサ制御装置３１に通知する。

フローセンサ制御装置３１のヒータ駆動部３２は、上記通知を受けると、センサ部２６のヒータ２３ａに流れる電流値をモニタし、上述の閾値を越えているか否かを確認する。このとき、ヒータ２３ａに流れる電流値が閾値以下になっていれば、結露から回復したものと判断し、依然として閾値を越えているようであれば上述の回復処理を繰り返す。このように制御することで、センサ表面が結露してしまっても加熱によって付着した水分を飛ばしてセンサ特性の復帰を試みることができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、パッケージの平坦な同一端面に計測対象の気体の入口３ａ及び出口３ｂを有し、センサチップ５へ計測対象の気体を導入するパッケージ内流路を備えるので、実装時にパッケージの一端面のみをシールすればよく、平坦面であることからシールが容易である。また、パッケージの他の端面を利用できることから、設置構造上の自由度があり、かつ小型化を図ることができる。

また、この実施の形態１によれば、パッケージの角穴５ａに実装したセンサチップ５のセンサ面に対向するパッケージ内の基板２ｂ面に角穴５ａの深さ方向におけるセンサチップ５の位置を規定するスペーサ部２２，２２ａを設けたので、センサチップ５の高さ方向の寸法ばらつきが抑制され、均一なセンサ特性を得ることができる。

さらに、この実施の形態１によれば、実装したセンサチップ５が段差面から突出する一方、パッケージの外表面には突出しない深さ寸法を有する角穴５Ａを設けたので、センサチップ５の実装位置の手直し作業が容易であり、かつ樹脂シール材１４の基板２ａ面上へはみ出しを防止することができる。また、樹脂シール材１４としてチクソ性のある材料を用いて、センサチップ５を角穴５Ａに嵌合した際におけるセンサチップ５の側面と角穴５Ａの内壁との隙間にシール材１４を充填することにより、センサチップ５のシールと流路断面積の一定化の双方を実現することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、パッケージを構成する基板のうちの少なくとも一つにヒータパターン２３を設け、パッケージ内のセンサチップ５の周囲温度に応じてヒータパターン２３への通電量を制御することによりパッケージ内の温度を制御するので、計測対象の気体に流れがなく流路内に滞りが生じても、センサ表面への結露や水分付着を防止することができ、またセンサに結露してしまっても加熱によって付着した水分を飛ばしてセンサ特性の復帰を試みることができ、またセンサ周囲温度を一定に制御することによりセンサ精度を高めることができる。

なお、上記実施の形態１では、パッケージを構成する基板としてセラミック基板を用いる例を示したが、複数の基板を接合してセンサパッケージを構築できる材料であればよく、樹脂基板を用いても構わない。

また、上記実施の形態１では、センサチップ５として図２３に示す構造を例に挙げたが、本発明の趣旨から逸脱しない限り、他の構造のセンサチップを用いてもよい。

この発明に係るフローセンサは、気密性を保持しながら計測対象の気体の管路に接続することができると共に、設置構造上の自由度があり、かつ小型化が可能であることから、設置スペースが狭く、作業性の悪い条件下で使用される流量計に適している。

Claims (8)

1. 計測対象の気体を検知するセンサチップと、前記センサチップを格納するパッケージとを備えたフローセンサにおいて、
   前記パッケージを、
   前記センサチップを収納する孔部が形成された第１の平板基板と、
   前記センサチップへ前記計測対象の気体を導入するためのパッケージ内流路となる孔部が形成された第２の平板基板と、
   前記パッケージ内流路と連通すると共に、前記パッケージの同一端面における前記計測対象の気体の入出口となる孔部が形成された第３の平板基板とを積層して構成したことを特徴とするフローセンサ。
2. パッケージ内流路は、第１の平板基板、第２の平板基板及び第３の平板基板に加えて複数の平板基板を積層し上下に積層させた前記平板基板に形成した孔部を連通させることにより垂直方向に屈曲させた屈曲部、及び同一層の平板基板内で水平方向に屈曲させた屈曲部の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
3. パッケージ内流路は、流路幅を減少させた絞り部分を有することを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
4. パッケージ内流路は、分岐の一方を袋小路とした分岐部を有することを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
5. パッケージ内流路の入出口を有するパッケージ端面を除くパッケージ端面のいずれかを電気部品の実装用面としたことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
6. パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口の各周囲に前記樹脂からなるシール用のブッシュ状凸部を設けたことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
7. パッケージを樹脂で被覆し、パッケージ内流路の入出口に連通する前記樹脂からなるチューブ差し込み部を設けたことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
8. 計測対象の気体を検知するセンサチップと、前記センサチップを格納するパッケージとを備えたフローセンサにおいて、
   前記パッケージを、
   第４の平板基板上に、
   前記センサチップへ前記計測対象の気体を導入するためのパッケージ内流路となる孔部が形成された第５の平板基板と、
   開口部に段差を有し、検知面を前記パッケージ内流路側にして前記センサチップを前記段差に嵌合することにより、前記センサチップの裏面と前記パッケージ端面とが同一平面になると共に、前記センサチップで被覆されない開口部が、前記パッケージ内流路と連通した前記計測対象の気体の入出口となる孔部が形成された第６の平板基板とを積層して構成したことを特徴とするフローセンサ。

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