WO2015019863A1 - 熱式質量流量計及び質量流量制御装置 - Google Patents

熱式質量流量計及び質量流量制御装置 Download PDF

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佐々木　章
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal mass flow meter used to measure a mass flow rate of a fluid and a mass flow controller incorporating the thermal mass flow meter.
  • Mass flow controllers are widely used to control the supply amount of process gas supplied into a chamber in a semiconductor manufacturing process.
  • the mass flow controller includes a mass flow meter that monitors mass flow, a control valve that controls mass flow, and a control circuit.
  • mass flowmeters There are various types of mass flowmeters, among which the thermal mass flowmeter is characterized in that, in principle, the mass flow can be measured accurately. For this reason, thermal mass flowmeters are widely used as mass flowmeters used by being incorporated in a mass flow controller.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a structure of a sensor unit of a thermal mass flowmeter.
  • the sensor unit 1 of the thermal mass flow meter includes a sensor tube 2 in which the fluid flows, an upstream heater element 3 and a downstream heater element 4 formed of a heating resistance wire provided on the outer periphery of the sensor tube 2, and heat generation.
  • the ends of the resistance wire are constituted by a plurality of welding terminals 5 electrically connected by spot welding.
  • the heat applied to the fluid also moves from the upstream side to the downstream side accordingly, so the temperature distribution of the sensor unit 1 changes, and the upstream heater element 3 And the electric resistance of the downstream heater element 4 changes.
  • the mass flow rate of the fluid flowing inside the sensor tube 2 can be detected.
  • the end portions of the heat generating resistive wires constituting the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4 are electrically connected to the surfaces of the plurality of welding terminals 5 by spot welding.
  • the welding terminal 5 is further electrically connected to a conducting wire 7 for supplying a current to the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4 and measuring a change in electrical resistance value.
  • the welding terminal 5 functions as an input / output terminal for supplying current to the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4 or measuring a change in electric resistance value.
  • phosphor bronze or the like which is easy to process and has high electrical conductivity is used for the welding terminal 5.
  • welding terminals used for general electrical connection there are conventionally known configurations of welding terminals that can stably make electrical connection by spot welding.
  • a pressing plate is used to press the welding terminal against the conductor with a constant pressing force, and the excessive current is
  • the welding terminal used in this method is a nickel bronze plating of 1.5 ⁇ m thick as a base layer on the surface of a base material made of phosphor bronze and a gold plating of 1 ⁇ m thick thereon. is there.
  • Patent Document 2 when welding is performed to a 42-alloy lead frame by spot-welding a welding terminal on which a brass base material is plated with nickel as a base layer and on which tin plating is applied.
  • a welding terminal on which a brass base material is plated with nickel as a base layer and on which tin plating is applied.
  • an Fe (iron) -Ni (nickel) alloy wire can be suitably used as a heating resistance wire constituting the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4 of the thermal mass flow meter.
  • Fe-Ni alloy wire is spot-welded to a welding terminal made of, for example, phosphor bronze, it is difficult to find welding conditions that can perform appropriate welding even when trying to optimize the welding conditions of spot welding.
  • the heating resistance wire is pulled due to insufficient connection, there is a possibility that the welding terminal may be easily peeled off.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is a thermal mass flowmeter which can stably perform spot welding of a heating resistance wire and is constituted by a welding terminal which is unlikely to cause welding with an electrode.
  • the purpose is to provide
  • the heating resistance wire using the Fe-Ni alloy wire and the welding terminal made of phosphor bronze have a large difference between the melting point of the material and the heat capacity due to the difference in their sizes. It was suggested that it was difficult to melt in a well-balanced manner to form a fused part.
  • the inventor of the present invention impairs the stability of spot welding with an Fe-Ni alloy wire by providing a covering layer on the surface of the welding terminal. It has been found that welding with the electrode can be prevented without having to complete the present invention.
  • the present invention is a thermal mass flow meter having the sensor unit of the above configuration, wherein the welding terminal is made of metal or alloy having a melting point whose temperature difference with the melting point of the heating resistance wire does not exceed 100 ° C. And, it is an invention of a thermal mass flowmeter characterized in that one or two or more coating layers are provided on the surface of the welding terminal. Furthermore, the present invention is an invention of a mass flow controller comprising the above-mentioned thermal mass flowmeter.
  • thermal mass flow meter According to the configuration of the thermal mass flow meter according to the present invention, spot welding between the end portion of the heat generating resistance wire and the welding terminal can be stably performed. Therefore, the reliability between the heat generating resistance wire and the welding terminal Thus, the reliability of the thermal mass flow meter and the mass flow control device incorporating it can be enhanced.
  • spot welding is a form of resistance welding, in which two metal members to be welded are sandwiched between two opposing electrodes and electricity is applied while applying pressure to the electrodes.
  • This is a welding method in which the contact portion between the two members is melted by resistance heat, and then the current flow is stopped to cool and solidify to form a connection portion called nugget.
  • nugget formation is common to general spot welding in that thin wires are welded to the surface of plate-like welding terminals. And the shape is different.
  • FIG. 2A, FIG. 2B and FIG. 2C are schematic diagrams showing the example of application of spot welding with the heating resistance wire and the welding terminal in the present invention.
  • the end of the heating resistance wire of the upstream heater element 3 or the downstream heater element 4 is set on the surface of the welding terminal 5 (FIG. 2A).
  • the end of the welding terminal 5 and the heating resistance wire is sandwiched between the tips of the upper and lower two electrodes 8 using a foot lever or the like, and current is applied between the electrodes 8 while applying pressure.
  • the contact resistance is large at the portion where the end of the heating resistance wire is in contact with the tip of the upper electrode 8 and the surface of the welding terminal 5, these members are heated by resistance heat (FIG. 2B).
  • FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing an example of application of spot welding of a heating resistance wire and a welding terminal.
  • the raised part at the center of the photograph is the nugget formed on the surface of the welding terminal.
  • the end of the heating resistance wire extended from the upper side of the photograph is welded while maintaining its shape.
  • spot welding of a heating resistance wire and a welding terminal if the heating resistance wire is heated to such an extent that it melts to the center of the heating resistance wire, the heating resistance wire will burn out. It is necessary to carry out heating under welding conditions in which only a part is melted. When the diameter of the heating resistance wire is small, finding such appropriate welding conditions is generally difficult.
  • the welding conditions in spot welding can be controlled by changing the conduction time, current value, pressure and the like of spot welding.
  • Fe-Ni alloy wire for the heating resistance wire that constitutes the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4.
  • the reason why Fe-Ni alloy wire is preferable is that it is excellent in oxidation resistance at high temperature, has a relatively large temperature coefficient of electrical resistance, and has a small thermal expansion coefficient so that internal stress is unlikely to occur even if the temperature changes. It is. If the composition range of the Fe-Ni alloy wire is less than 30 mass% of Ni, the oxidation resistance at high temperature is inferior, and if it exceeds 80 mass%, the thermal expansion coefficient becomes large and internal stress is easily generated.
  • Ni is 30% by mass or more and 80% by mass or less, and the balance is Fe.
  • the Ni content is more preferably 60% by mass or more and 80% by mass or less.
  • Ni is more preferably 30% by mass or more and 45% by mass or less.
  • the Fe-Ni alloy wire in which Ni is 70% by mass and the balance is Fe is balanced in all points, and is suitable as a material of the heating resistance wire. Since the heating resistance wire needs to be wound around the outer periphery of the sensor tube in a coil shape, it is preferable to cover the surface with an insulating film.
  • the insulating film used for the coating for example, a film of a polyimide resin excellent in heat resistance is preferable.
  • the wire diameter of the heating resistance wire is preferably 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • a more preferable range of the wire diameter is 10 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less.
  • the material constituting the welding terminal is a metal or an alloy having a melting point at which the temperature difference ⁇ T with the melting point of the heating resistance wire does not exceed 100 ° C. If ⁇ T exceeds 100 ° C., the heating resistance wire can not be properly welded to the surface of the welding terminal regardless of how the welding conditions of spot welding are changed.
  • the heating resistance wire will burn out, and conversely, if the welding conditions are adjusted in the direction of heating less, the connection resistance between the heating resistance and the welding terminal It weakens and easily peels off. For this reason, it is not possible to find welding conditions for connecting the welding wire with the welding terminal with sufficient strength without burning the heating resistance wire.
  • the heat capacities of the two differ extremely due to the difference in the shape of the members to be welded. Therefore, it is presumed that the heat balance at the time of heating and heat radiation is poor, and the heating resistance wire with a small heat capacity tends to be more excessively heated. Therefore, in the present invention, it is assumed that the temperature difference ⁇ T of the melting point does not exceed 100 ° C.
  • the upper limit of the more preferable temperature difference ⁇ T is 50 ° C.
  • the same alloy system is selected as the material forming the heating resistance wire and the welding terminal, or the same alloy system is selected as close as possible. It is preferable to do.
  • the same alloy system Fe-Ni alloy as the material constituting the welding terminal.
  • the temperature of the liquidus line of the binary phase diagram is in the range of 1450 ° C. ⁇ 25 ° C. in the region of 30% by mass to 80% by mass of Ni, so the heating resistance wire and the welding terminal
  • the size of .DELTA.T can be made 50.degree. C.
  • Fe-Ni alloy is selected as the material of the welding terminal, for example, it is preferable to select 42 alloy containing 42% by mass of Ni and the balance being Fe.
  • the 42 alloy is relatively easy to spot weld with Fe—Ni alloy wire, and has the advantage of being widely used as a material for lead frames and relatively easy to obtain.
  • the coating layer of the welding terminal which is the feature of the present invention will be described. If spot welding is performed by selecting a material whose difference in melting point ⁇ T between the heating resistance wire and the welding terminal does not exceed 100 ° C., good welding can be performed between the heating resistance wire and the welding terminal as described above. However, at almost the same time as the heating resistance wire and the welding terminal are welded, resistance heating is also performed between the surface opposite to the surface on which the welding terminal is to be welded and the surface of the electrode pressed there. As a result, a part of the surface of the welding terminal is melted to contaminate the electrode, or welding occurs between the two.
  • one or more coating layers are provided on the surface of the welding terminal in order to prevent the above-mentioned undesirable welding.
  • the covering layer is repelled as spotting of welding between plates as an obstacle to welding, and for example, as disclosed in Patent Document 2, the covering layer at the welding site is intentionally removed before welding to expose the base material. May be preferred.
  • the covering layer provided on the surface of the welding terminal does not prevent the spot welding but rather prevents the undesirable welding with the electrode. It exerts an effect unique to the present invention.
  • the reason for this is not clear, by providing the covering layer on the surface of the welding terminal, the electrical resistance value between the welding terminal and the electrode is stabilized compared to the case without the covering layer, and between the welding terminal and the electrode It is thought that the occurrence of sparks and welding are less likely to occur.
  • Cu (copper) or Au (gold) which does not have a very high melting point and is excellent in electrical conductivity as a material which constitutes the coating layer of the welding terminal. Since Cu and Au have excellent electrical conductivity, the contact resistance between the welding terminal and the electrode can be reduced to effectively prevent welding. Further, by reducing the electric resistance of the welding terminal itself to prevent heat generation, it is possible to improve the measurement accuracy of the thermal flowmeter or to reduce the power consumption. Furthermore, Cu and Au have a melting point higher than that of Sn (tin), which is often used as a covering layer, and therefore have the advantage that whisker formation at high temperatures which is often observed when using Sn in the covering layer is less likely to occur. There is also.
  • the coating layer of Au is extremely excellent in oxidation resistance, no oxide is formed on the surface, and the contact resistance can be kept low stably, and the effect of preventing welding between the welding terminal and the electrode, or welding terminal It is more preferable because the effect of securing the wettability of the solder when soldering the lead wire is particularly excellent.
  • the thickness of the coating layer of the welding terminal is thinner than 0.05 ⁇ m, the effect of preventing welding can not be obtained, and if it exceeds 5.0 ⁇ m, the welding with the heating resistance wire is hindered, 0 ⁇ m or less is preferable.
  • a more preferable thickness is 0.1 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
  • the covering layer may be provided as a single layer, but for the purpose of enhancing the adhesion with the surface of the welding terminal, a base covering layer may be provided first on the surface of the welding terminal and a surface covering layer may be further provided on the surface.
  • a Ni coating layer is first provided as a base coating layer between a 42 alloy welding terminal and an Au coating layer
  • adhesion is better than when an Au coating layer is provided directly on the surface of the welding terminal. It is preferable because it increases.
  • the thickness of the undercoating layer is thinner than 0.05 ⁇ m, the effect of improving the adhesion can not be obtained, and if it exceeds 5.0 ⁇ m, welding with the heating resistance wire is impeded.
  • 5.0 ⁇ m or less are preferable.
  • the thickness of the entire coating layer exceeds 5.0 ⁇ m, welding with the heating resistance wire is hindered, so the thickness of the entire coating layer is 5.0 ⁇ m or less It is preferable to
  • the covering layer may be provided on the entire surface of the welding terminal, and may be provided on a part of the welding terminal if this is possible. Since the covering layer is provided for the purpose of preventing welding between the welding terminal and the electrode, when the covering layer is provided on a part of the welding terminal, the covering layer is at least a portion of the surface of the welding terminal which is in direct contact with the electrode. Need to be established.
  • known means such as electrolytic plating, electroless plating, sputtering, vapor deposition and the like can be used.
  • electrolytic plating When providing a coating layer on the whole surface of a welding terminal, it is preferred to use electrolytic plating from a viewpoint of work efficiency, homogeneity of a coating layer, adhesiveness, etc.
  • means such as sputtering or vapor deposition.
  • the shape of the welding terminal is not particularly limited, it is generally preferable to use a flat plate processed into a predetermined shape. By making the shape into a flat plate, sandwiching by the upper and lower electrodes in spot welding can be reliably performed.
  • the nugget in spot welding is generally formed on the flat portion of the welding terminal, and the end of the heating wire is electrically connected to the surface of the nugget.
  • the welding terminal can be provided with a protrusion for facilitating the combination with other members or for achieving the electrical connection with the lead wire, as needed.
  • FIG. 4 shows the example of the shape of the welding terminal which provided the protrusion part in the both ends which bent and produced the flat plate and produced it.
  • the shorter protrusion 10 b is inserted into the hole provided in the mold 6 shown in FIG. 1 and has a function of fixing the welding terminal to the mold 6. Further, the long protrusion 10a is inserted into another hole provided in the mold 6, and the lead 7 is electrically connected to the tip by soldering.
  • a plurality of necessary numbers may be prepared according to the number of sensor elements. For example, in the example shown in FIG. 1, a total of four welding terminals are used, one for each of the end portions of the heating resistance wire of the upstream heater element 3 and the downstream heater element 4. This is to ensure spot welding at the end of each heating resistance wire. Depending on the configuration of the electric circuit, the ends of a plurality of heat generating resistance wires may be spot welded to one welding terminal, whereby the number of welding terminals per thermal mass flowmeter can be reduced. .
  • spot welding machines such as table-top type spot welding machines, foot type spot welding machines or pneumatic spot welding machines can be used as an apparatus for carrying out spot welding.
  • a round bar-shaped electrode having a diameter of about 10 mm using tungsten or the like can be used.
  • the welding time is 2 to 10 cycles
  • the pressure is 10 to 50 kg
  • the current is about 2 to 10 kA.
  • the welding condition can be established such that sufficient connection strength can be obtained by means such as checking whether the heating resistance wire after welding is peeled off by hand while changing the welding conditions. be able to.
  • a plate made of 42 alloy having a thickness of 0.3 mm was processed to prepare a material of a welding terminal having a shape shown in FIG.
  • the entire surface of the obtained material is first subjected to electrolytic nickel plating with a thickness of 3.0 ⁇ m and then electrolytic gold plating with a thickness of 0.2 ⁇ m, thereby forming a coating composed of two layers of nickel and gold.
  • a 42 alloy welding terminal having a layer was prepared.
  • an Fe-Ni alloy wire (70 mass% of Ni, the balance of which is Fe) having a wire diameter of 15 ⁇ m and an insulating film of polyimide resin was prepared.
  • the melting point of the material of the prepared welding terminal is 1450 ° C.
  • the melting point of the heat-generating resistance wire is 1440 ° C. Therefore, the temperature difference ⁇ T between them was 10 ° C.
  • the prepared heating resistance wire was wound at two places on the outer periphery of the sensor tube to form an upstream heater element and a downstream heater element. Then, set the prepared welding terminal in a foot type spot welding machine, set the end of the heating resistance wire parallel to the surface, and then sandwich the welding terminal and the heating resistance wire between the upper and lower tungsten electrodes, Pressure was applied with the foot lever. Then, spot welding was carried out by conducting current of 4.0 kA between the electrodes and conducting for 2 cycles. When the pressure between the electrodes was released after spot welding, the welding terminal could be easily removed from the electrodes. The tip of the tungsten electrode after the removal of the welding terminal was clean, and no adhesion of the melt or the like of the welding terminal was observed.
  • the welding conditions were changed in order to prevent welding between the welding terminal and the electrode.
  • the welding current between the welding terminal and the electrode can be prevented to a certain extent by reducing the current value between the electrodes, the welding strength between the heating resistance wire and the welding terminal is lowered, and the heating resistance wire is manually pulled after spot welding. And easily peeled off.
  • welding between the welding terminal and the electrode became stronger as the current value between the electrodes was increased. Therefore, it has not been possible to find suitable welding conditions capable of spot welding the heating resistance wire and the welding terminal while preventing welding between the welding terminal and the electrode.
  • a plate material made of phosphor bronze having a thickness of 0.3 mm was processed to prepare a material of a welding terminal having a shape shown in FIG.
  • the entire surface of the obtained material is first subjected to electrolytic nickel plating with a thickness of 3.0 ⁇ m, and then electrolytic gold plating with a thickness of 0.2 ⁇ m, to form a coating composed of two layers of nickel and gold.
  • a phosphor bronze welding terminal having a layer was prepared.
  • an Fe-Ni alloy wire 70 mass% of Ni, the balance of which is Fe having a wire diameter of 15 ⁇ m and an insulating film of polyimide resin was prepared.
  • the melting point of the material of the prepared welding terminal is 980 ° C.
  • the melting point of the heat-generating resistance wire is 1440 ° C. Therefore, the temperature difference ⁇ T between them was 460 ° C.

Abstract

　熱式質量流量計のヒータエレメントの入出力端子として機能する溶接端子において、ヒータエレメントを構成する発熱抵抗線の端部とのスポット溶接による電気的接続の信頼性を高め、かつ、スポット溶接装置の電極との溶着を効果的に防止すること。　溶接端子を構成する材料を発熱抵抗線の融点との温度差が１００℃を超えない融点を有する金属又は合金とし、溶接端子の表面に１層又は２層以上の被覆層を設ける。被覆層は、Ｎｉで構成された下地被覆層とＡｕで構成された表面被覆層とが好ましい。

Description

熱式質量流量計及び質量流量制御装置
　この発明は、流体の質量流量の測定に用いられる熱式質量流量計及び熱式質量流量計が内蔵された質量流量制御装置に関する発明である。
　質量流量制御装置（マスフローコントローラ）は、半導体の製造プロセスにおいてチャンバー内に供給されるプロセスガスの供給量を制御する目的で広く使用されている。質量流量制御装置は、質量流量をモニタリングする質量流量計、質量流量を制御する制御弁及び制御回路等で構成されている。質量流量計にはさまざまな種類があるが、なかでも熱式質量流量計は、原理的に質量流量を正確に計測することができるという特徴を有する。このため、熱式質量流量計は、質量流量制御装置に組み込まれて使用される質量流量計として広く普及している。
　図１は、熱式質量流量計のセンサ部の構造を示す模式図である。熱式質量流量計のセンサ部１は、流体が内部を流動するセンサチューブ２と、センサチューブ２の外周に設けられた発熱抵抗線でなる上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４と、発熱抵抗線の端部がスポット溶接により電気的に接続された複数の溶接端子５と、で構成されている。上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４に電流を流すことにより、センサチューブ２の内部を流動する流体が加熱される。流体が上流側から下流側に向かって流動すると、それに伴って流体に加えられた熱も上流側から下流側に向かって移動するので、センサ部１の温度分布が変化し、上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を計測することにより、センサチューブ２の内部を流動する流体の質量流量を検知することができる。
　上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４を構成する発熱抵抗線の端部は、複数の溶接端子５の表面とスポット溶接によりそれぞれ電気的に接続される。溶接端子５には、上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４に電流を供給したり電気抵抗値の変化を計測するための導線７がさらに電気的に接続される。このようにして、溶接端子５は、上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４に電流を供給したり電気抵抗値の変化を計測したりするための入出力用端子として機能する。溶接端子５には、一般に、加工が容易で電気伝導度の高いリン青銅などが用いられる。
　一般的な電気的接続に用いられる溶接端子に関しては、スポット溶接による電気的接続を安定に行うことができる溶接端子の構成が従来より知られている。例えば、特許文献１には、溶接端子と平型電線の導体とをスポット溶接により接続する際に、押さえ板を用いて常に一定の加圧力で溶接端子を導体に押えつけるようにし、過大電流は押さえ板に接続されたアースに流すようにすることにより、導体と溶接端子との接触抵抗を安定させて、常に良好なスポット溶接を行う方法が開示されている。この方法に用いられている溶接端子は、リン青銅製の基材の表面に下地層として厚さ１．５μｍのニッケルメッキが施され、さらにその上に厚さ１μｍの金メッキが施されたものである。
　また、例えば、特許文献２には、真鍮製の基材に下地層としてニッケルメッキが施され、さらにその上に錫メッキが施された溶接端子を４２合金製のリードフレームにスポット溶接する際に、溶接端子のメッキ層の一部を除去して基材が露出した状態でリードフレームにスポット溶接することにより、基材とリードフレームの双方に融合部を形成させ、溶接剥がれを効果的に防止する方法が開示されている。
特開平５－１６６５７５号公報 特開２００８－２１８１８９号公報
　熱式質量流量計の上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４を構成する発熱抵抗線には、後述するように、Ｆｅ（鉄）－Ｎｉ（ニッケル）合金線を好適に用いることができる。しかしながら、Ｆｅ－Ｎｉ合金線を例えばリン青銅製の溶接端子にスポット溶接する場合には、スポット溶接の溶接条件を最適化しようとしても適切な溶接を行うことができる溶接条件を見出すことが困難であったり、接続が不十分なために発熱抵抗線を引っ張ると溶接端子から簡単に剥がれてしまったりするという不具合が生じることがある。
　また、接続の強度を高める目的で溶接条件を変化させると、仮に発熱抵抗線と溶接端子とのスポット溶接が良好にできたとしても、溶接端子の一部が溶融してスポット溶接装置の電極（以下単に「電極」という。）に付着したり、さらには溶接端子と電極とが溶着してしまったりして、作業効率が著しく低下するという不具合が生じることがある。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発熱抵抗線のスポット溶接を安定して行うことができ、かつ、電極との溶着が生じにくい溶接端子で構成された熱式質量流量計の提供を目的としている。
　本発明者は、熱式質量流量計における発熱抵抗線と溶接端子とのスポット溶接の際に生じる不具合の原因について調査した。その結果、Ｆｅ－Ｎｉ合金線を用いた発熱抵抗線とリン青銅製の溶接端子とでは、材料の有する融点と、それぞれのサイズの違いに起因する熱容量とに大きな差があるために、両者がバランスよく溶融して融合部を形成することが困難となっていることが示唆された。
　そこで、溶接端子を構成する材料として、Ｆｅ－Ｎｉ合金線の融点に近い融点を有するＦｅ－Ｎｉ系合金を採用した。依然として発熱抵抗線と溶接端子とのサイズの違いに起因する熱容量に大きな差があるにもかかわらず、リン青銅製の溶接端子に比べて発熱抵抗線とのスポット溶接が比較的安定に行える溶接条件が存在することを知見した。
　しかし、上記の溶接条件だと、発熱抵抗線と溶接端子の表面とが接続されると同時に、溶接端子の反対側の表面の一部が溶融して電極に付着したり、さらには溶接端子と電極とが溶着してしまったりして、作業効率が著しく低下するという新たな課題に直面した。
　そこで、本発明者はさらに、電極との溶着を防止するための手段を鋭意検討した結果、溶接端子の表面に被覆層を設けることにより、Ｆｅ－Ｎｉ合金線とのスポット溶接の安定性を損ねることなく電極との溶着が防止できることを知見し、本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、上記の構成のセンサ部を有する熱式質量流量計であって、溶接端子は、発熱抵抗線の融点との温度差が１００℃を超えない融点を有する金属又は合金でなり、かつ、溶接端子の表面に１層又は２層以上の被覆層が設けられていることを特徴とする熱式質量流量計の発明である。
　さらに、本発明は、上記の熱式質量流量計を有することを特徴とする質量流量制御装置の発明である。
　本発明に係る熱式質量流量計の構成によれば、発熱抵抗線の端部と溶接端子とのスポット溶接を安定して行うことができるので、発熱抵抗線と溶接端子との間で信頼性の高い電気的な接続が可能となり、ひいては熱式質量流量計及びこれが組み込まれた質量流量制御装置全体の信頼性を高めることができる。
熱式質量流量計のセンサ部の構造を示す模式図である。 スポット溶接の手順を説明する模式図である。 スポット溶接の手順を説明する模式図である。 スポット溶接の手順を説明する模式図である。 発熱抵抗線と溶接端子のスポット溶接の施工例を示す図面代用写真である。 溶接端子の形状の例を示す図である。
　以下に、本発明を実施するための形態をさらに詳しく説明する。なお、以下の説明は例示に過ぎず、本発明を実施するための形態は以下の形態に限られるものではない。
　まず、本発明における溶接方法について説明する。本発明でいうスポット溶接とは抵抗溶接の一形態であって、溶接しようとする２つの金属製の部材を対向する２本の電極の間に挟み込んで電極に加圧力を加えながら通電することにより、２つの部材の接触部を抵抗熱により溶融させ、続いて通電を中止して冷却凝固させ、ナゲット（ｎｕｇｇｅｔ）と呼ばれる接続部を形成する溶接方法をいう。スポット溶接では板材同士を溶接することが一般的であるが、本発明のスポット溶接では板状の溶接端子の表面に細い線材を溶接するという点で、一般のスポット溶接とはナゲットの形成のされ方や形状などが異なる。
　図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明における発熱抵抗線と溶接端子とのスポット溶接の施工例を表した模式図である。まず、溶接端子５の表面に上流側ヒータエレメント３又は下流側ヒータエレメント４の発熱抵抗線の端部をセットする（図２Ａ）。次に、フットレバー等を用いて上下２本の電極８の先端で溶接端子５及び発熱抵抗線の端部を挟み込み、加圧力を加えながら電極８の間に電流を流す。そうすると、発熱抵抗線の端部が上側の電極８の先端及び溶接端子５の表面と接触している部分では接触抵抗が大きいので、これらの部材が抵抗熱により加熱される（図２Ｂ）。そして、溶接端子５の表面が局所的に溶融すると同時に、発熱抵抗線の端部の表面の一部も溶融し、両者が一体となった後冷却、凝固し、溶接端子５の表面に盛り上がったナゲット９が形成されて溶接が完了する（図２Ｃ）。
　図３は、発熱抵抗線と溶接端子のスポット溶接の施工例を示す図面代用写真である。写真中央の盛り上がっている部分が溶接端子の表面に形成されたナゲットである。ナゲットの中心に、写真上方から延長された発熱抵抗線の端部が形状を保ったまま溶接されている。板材同士をスポット溶接する場合と異なり、発熱抵抗線と溶接端子のスポット溶接では発熱抵抗線の中心まで溶融するほど加熱してしまうと発熱抵抗線が焼き切れてしまうので、発熱抵抗線の表面の一部だけが溶融するような溶接条件で加熱を行う必要がある。発熱抵抗線の線径が小さい場合、このような適切な溶接条件を見出すことは一般に困難を伴う。スポット溶接における溶接条件は、スポット溶接の通電時間、電流値及び加圧力などを変更することにより制御することができる。
　次に、本発明で使用する発熱抵抗線を構成する材料について説明する。上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４を構成する発熱抵抗線には、Ｆｅ－Ｎｉ合金線を用いることが好ましい。Ｆｅ－Ｎｉ合金線が好ましい理由は、高温での耐酸化性に優れ、電気抵抗の温度係数が比較的大きく、また、熱膨張係数が小さくて温度が変化しても内部応力が発生しにくいからである。Ｆｅ－Ｎｉ合金線の組成範囲は、Ｎｉが３０質量％未満だと高温での耐酸化性が劣り、また、８０質量％を超えると熱膨張係数が大きくなって内部応力が発生しやすくなるので、Ｎｉを３０質量％以上、８０質量％以下とし、残部をＦｅとすることが好ましい。高温での耐酸化性を特に重視する場合には、Ｎｉが６０質量％以上、８０質量％以下とすることがより好ましい。熱膨張係数の低減を特に重視する場合には、Ｎｉが３０質量％以上４５質量％以下とすることがより好ましい。なかでも、Ｎｉが７０質量％で残部がＦｅでなるＦｅ－Ｎｉ合金線は、全ての点でバランスがとれており、発熱抵抗線の材料として好適である。なお、発熱抵抗線はセンサチューブの外周にコイル状に巻く必要があることから、表面を絶縁被膜で被覆しておくことが好ましい。被覆に用いる絶縁被膜は、例えば、耐熱性に優れたポリイミド樹脂の被膜などが好適である。
　発熱抵抗線の線径は、５μｍ未満だと機械的強度が不十分で取扱いが困難となり、また、１００μｍを超えると単位長さあたりの電気抵抗が低くセンサチューブとの熱伝導も悪くなる。このため、発熱抵抗線の線径は、５μｍ以上、１００μｍ以下とすることが好ましい。より好ましい線径の範囲は１０μｍ以上、７０μｍ以下である。
　次に、本発明の特徴である発熱抵抗線及び溶接端子を構成する金属又は合金の融点の差について説明する。本発明において、溶接端子を構成する材料は、発熱抵抗線の融点との温度差ΔＴが１００℃を超えない融点を有する金属又は合金でなる。ΔＴが１００℃を超えると、スポット溶接の溶接条件をどのように変更しても発熱抵抗線を溶接端子の表面に適切に溶接することができない。具体的には、溶接条件をより多く加熱する方向に調整すると発熱抵抗線が焼き切れてしまい、逆に、溶接条件をより少なく加熱する方向に調整すると発熱抵抗性と溶接端子との接続強度が弱くなり簡単に剥がれてしまう。このため、発熱抵抗線が焼き切れずにしかも十分な強度で溶接端子と接続させるための溶接条件を見出すことができない。この理由は明らかでないが、板材同士のスポット溶接の場合と比べて、本発明における発熱抵抗線と溶接端子とのスポット溶接の場合は、被溶接部材の形状の違いから両者の熱容量が極端に異なるため、加熱及び放熱の際の熱バランスが悪く、熱容量の小さな発熱抵抗線の方がより過剰に加熱される傾向があるためではないかと推測される。このため、本発明においては、融点の温度差ΔＴが１００℃を超えないものとする。より好ましい温度差ΔＴの上限は５０℃である。
　ΔＴの大きさを１００℃以下にする具体的な手段としては、発熱抵抗線と溶接端子とを構成する材料に同じ合金系を選択したり、同じ合金系であればできるだけ組成の近いものを選択したりすることが好ましい。例えば、発熱抵抗線にＦｅ－Ｎｉ合金線を使用している場合、溶接端子を構成する材料には同じ合金系であるＦｅ－Ｎｉ合金を選択することが好ましい。Ｆｅ－Ｎｉ合金では、Ｎｉが３０質量％以上、８０質量％以下の領域で二元状態図の液相線の温度が１４５０℃±２５℃の範囲に入っているので、発熱抵抗線と溶接端子との双方をこの組成範囲のＦｅ－Ｎｉ合金で構成すれば、ΔＴの大きさを５０℃以下にすることができる。また、同じ合金系であれば、熱伝導率の値も大きく変わらないので、熱バランスの観点からも好ましい。溶接端子の材料としてＦｅ－Ｎｉ合金を選択する場合、例えば、Ｎｉを４２質量％含み残部がＦｅである４２合金を選択することが好ましい。４２合金はＦｅ－Ｎｉ合金線とのスポット溶接が比較的容易であり、また、リードフレームの材料として広く普及していて入手が比較的容易であるという利点がある。
　次に、本発明の特徴である溶接端子の被覆層について説明する。発熱抵抗線と溶接端子との融点の差ΔＴが１００℃を超えない材料を選択してスポット溶接を行えば、前述の通り発熱抵抗線と溶接端子との間で良好な溶接が可能となる。しかしながら、発熱抵抗線と溶接端子とが溶接されるのとほぼ同時に、溶接端子の溶接を行おうとする面の反対側の表面と、そこに押し付けられている電極の表面との間でも抵抗加熱が起こり、溶接端子の表面の一部が溶融して電極が汚染されたり、両者の間で溶着が起こったりする。この理由は明らかでないが、発熱抵抗線と溶接端子とが互いに溶融してナゲットが形成されると、その部分における接触抵抗が低下して過度の通電が起こり、当初想定していなかった電極の表面と溶接端子の表面との間でも抵抗加熱が進行するためではないかと推測される。
　そこで、本発明においては、上記の望ましくない溶着を防止するために、溶接端子の表面に１又は２以上の被覆層を設ける。被覆層は、板材同士のスポット溶接においては溶接を妨げるものとして忌避され、例えば、特許文献２に開示されているように、溶接前に溶接個所の被覆層をわざわざ除去して基材を露出させることが好ましい場合もある。しかしながら、本発明のような発熱抵抗線と溶接端子とのスポット溶接においては、溶接端子の表面に設けられた被覆層はスポット溶接の妨げとはならず、むしろ電極との望ましくない溶着を防止するという本発明に特有の効果を発揮する。この理由は明らかでないが、溶接端子の表面に被覆層を設けることで、被覆層がない場合に比べて溶接端子と電極との間の電気抵抗値が安定し、溶接端子と電極との間でのスパークの発生や溶着が起こりにくくなっているのではないかと考えられる。
　溶接端子の被覆層を構成する材料には、融点があまり高くなく、かつ、電気伝導性に優れたＣｕ（銅）又はＡｕ（金）を用いることが好ましい。Ｃｕ及びＡｕは電気伝導性に優れるので、溶接端子と電極との間の接触抵抗を下げて溶着を効果的に防止することができる。また、溶接端子自体の電気抵抗を下げて発熱を防止することにより、熱式流量計の測定精度を向上させたり、消費電力を下げたりすることができる。さらに、Ｃｕ及びＡｕは、被覆層として多用されるＳｎ（スズ）に比べれば融点が高いので、被覆層にＳｎを用いた場合にしばしば見られるような高温でのウィスカーの生成が起こりにくいという利点もある。Ａｕの被覆層は、耐酸化性が極めて優れているので、表面に酸化物が形成されず接触抵抗を低く安定に保つことができ、溶接端子と電極との溶着を防止する効果や、溶接端子に導線をはんだ付けする際のはんだの濡れ性を確保する効果が特に優れているので、より好ましい。
　溶接端子の被覆層の厚さは０．０５μｍより薄いと溶着防止の効果が得られず、また、５．０μｍを超えると発熱抵抗線との溶接が妨げられるので、０．０５μｍ以上、５．０μｍ以下が好ましい。より好ましい厚さは０．１μｍ以上、３．０μｍ以下である。
　被覆層は単層で設けてもよいが、溶接端子の表面との密着性を高める目的で溶接端子の表面に先ず下地被覆層を設け、さらにその表面に表面被覆層を設けてもよい。例えば、４２合金製の溶接端子とＡｕの被覆層との間に下地被覆層としてまずＮｉの被覆層を設けると、溶接端子の表面に直接Ａｕの被覆層を設けた場合に比べて密着性が高まるので好ましい。この場合の下地被覆層の厚さは、０．０５μｍより薄いと密着性向上の効果が得られず、また、５．０μｍを超えると発熱抵抗線との溶接が妨げられるので、０．０５μｍ以上、５．０μｍ以下が好ましい。また、下地被覆層と表面被覆層との間に中間層を設けて密着性をより高めることも好ましい。このように、２層以上の被覆層を形成する場合、被覆層全体の厚さが５．０μｍを超えると発熱抵抗線との溶接が妨げられるので、被覆層全体の厚さは５．０μｍ以下とすることが好ましい。
　被覆層は溶接端子の表面全体に設けてもよく、また、それが可能である場合には、溶接端子の一部に設けてもよい。被覆層は溶接端子と電極との溶着を防止する目的で設けるものであるから、被覆層を溶接端子の一部に設ける場合には、溶接端子の表面のうち少なくとも電極が直接接する部分に被覆層を設ける必要がある。
　被覆層を被覆する手段には、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、蒸着等の公知の手段を用いることができる。溶接端子の表面全体に被覆層を設ける場合には、作業効率、被覆層の均質性及び密着性等の観点から、電解メッキを用いることが好ましい。また、溶接端子の一部にのみ被覆層を設ける場合には、スパッタリング又は蒸着等の手段を用いることが好ましい。
　次に、溶接端子の好ましい形状について説明する。溶接端子の形状は特に限定されるものではないが、一般的には平板を所定の形状に加工したものを用いることが好ましい。形状を平板にすることによって、スポット溶接の際の上下の電極による挟み込みを確実に行うことができる。スポット溶接におけるナゲットは一般に溶接端子の平面部に形成され、発熱抵抗線の端部はナゲットの表面に電気的に接続される。溶接端子には、必要に応じて、他の部材との組み合わせを容易にしたり、導線との電気的接続を実現したりするための突出部を設けることができる。図４は、平板を曲げ加工して作製した両端に突出部を設けた溶接端子の形状の例を示したものである。突出部のうち短い方の突出部１０ｂは図１に示したモールド６に設けられた穴に差し込まれて、溶接端子をモールド６に固定する機能を有している。また、長い方の突出部１０ａはモールド６に設けられた他の穴に差し込まれ、その先端に導線７がはんだ付けによって電気的に接続される。
　溶接端子の数については、センサエレメントの数に応じて必要な数を複数個準備すればよい。例えば、図１に示した例では、上流側ヒータエレメント３及び下流側ヒータエレメント４の発熱抵抗線の端部について各１個、合計４個の溶接端子を使用している。これは、それぞれの発熱抵抗線の端部についてスポット溶接を確実に行うためである。電気回路の構成によっては、１個の溶接端子に複数の発熱抵抗線の端部をスポット溶接してもよく、これにより熱式質量流量計１台あたりの溶接端子の個数を削減することができる。
　本発明においてスポット溶接を実施する装置には、卓上形スポット溶接機、足踏式スポット溶接機又は空気圧式スポット溶接機等の既知のスポット溶接機を用いることができる。電極には、例えばタングステンなどを用いた直径が１０ｍｍ程度の丸棒形状の電極を用いることができる。本発明におけるスポット溶接の典型的な溶接条件を例示すれば、溶接時間は２～１０サイクル、加圧力は１０～５０ｋｇ、電流は２～１０ｋＡ程度である。好ましい溶接条件を見出すには、例えば、溶接条件を変えながら溶接後の発熱抵抗線を手で引っ張って剥がれないかどうかを確認するなどの手段により、十分な接続強度が得られる溶接条件を確立することができる。
　厚さが０．３ｍｍの４２合金製の板材を加工して、図４に示す形状の溶接端子の素材を準備した。得られた素材の表面全体に、まず厚さが３．０μｍの電解ニッケルメッキを行い、次に厚さが０．２μｍの電解金メッキを行うことにより、ニッケル及び金の二層で構成された被覆層を有する４２合金製の溶接端子を準備した。
　また、発熱抵抗線として、線径が１５μｍでポリイミド樹脂の絶縁被膜を有するＦｅ－Ｎｉ合金線（Ｎｉが７０質量％、残部がＦｅ）を準備した。
　準備した溶接端子の素材の融点は１４５０℃であり、発熱抵抗線の融点は１４４０℃であるから、両者の温度差ΔＴは１０℃であった。
　準備した発熱抵抗線をセンサチューブの外周の２か所に巻いて、上流側ヒータエレメント及び下流側ヒータエレメントをそれぞれ形成した。そして、準備した溶接端子を足踏式スポット溶接機にセットし、その表面に平行に発熱抵抗線の端部をセットした後、溶接端子と発熱抵抗線とを上下のタングステン電極の間に挟み込み、フットレバーで加圧力を加えた。そして、電極間に電流値が４．０ｋＡ、通電時間が２サイクルの通電を行い、スポット溶接を行った。
　スポット溶接後に電極間の加圧力を緩めると、溶接端子は電極間から簡単に取り外すことができた。溶接端子を取り外した後のタングステン電極の先端は清浄で、溶接端子の溶融物等の付着は見られなかった。
　スポット溶接後の溶接部分を光学顕微鏡で観察すると、図３に示すように溶接端子の表面に形成されたナゲットの中央付近に発熱抵抗線が溶接されており、ナゲットの近傍では溶接端子の被覆層及び発熱抵抗線の絶縁被膜は完全に破壊されていた。スポット溶接後の発熱抵抗線を手で引っ張ったところ、発熱抵抗線は溶接端子に堅固に接続されており、全く剥がれなかった。また、スポット溶接後の溶接端子の溶接部分とは反対側の面を観察すると、タングステン電極の痕跡はほとんど見られず、清浄な状態であった。
（比較例１）
　上記の実施例と同じ溶接端子の素材を用いて、溶接端子の素材に被覆層を設けないで溶接端子として使用した他は上記の実施例と同じ条件で発熱抵抗線のスポット溶接を行った。
　スポット溶接後に電極間の加圧力を緩めると、溶接端子の表面のうち溶接部の反対側の面が下側のタングステン電極の表面に溶着しており、簡単に取り外すことができなかった。ペンチを使って溶接端子を下側のタングステン電極から無理に剥がすと、溶接端子の表面の一部が電極の先端に溶着したままの状態で剥離し、表面が剥離された溶接端子には円形のくぼみが形成された。また、タングステン電極の先端に溶接端子の表面の一部が溶着したままだと次のスポット溶接を行うことができないので、溶着した溶接端子の一部をやすりを使って研削除去しなければならなかった。
　一方、発熱抵抗線と溶接端子との溶接強度は良好であったため、溶接端子と電極との溶着を防止する目的で溶接条件を変化させてみた。しかしながら、電極間の電流値を減少させると溶接端子と電極との溶着はある程度防止できるものの、発熱抵抗線と溶接端子との溶接強度が低下してしまい、スポット溶接後に発熱抵抗線を手で引っ張ると簡単に剥離してしまった。また、電極間の電流値を増加させると溶接端子と電極との溶着はますます強固となった。このため、溶接端子と電極との溶着を防止しつつ発熱抵抗線と溶接端子とをスポット溶接することができる適切な溶接条件を見出すことができなかった。
（比較例２）
　厚さが０．３ｍｍのリン青銅製の板材を加工して、図４に示す形状の溶接端子の素材を準備した。得られた素材の表面全体に、先ず厚さが３．０μｍの電解ニッケルメッキを行い、次に厚さが０．２μｍの電解金メッキを行うことにより、ニッケルと金の二層で構成された被覆層を有するリン青銅製の溶接端子を準備した。
　また、発熱抵抗線として、線径が１５μｍでポリイミド樹脂の絶縁被膜を有するＦｅ－Ｎｉ合金線（Ｎｉが７０質量％、残部がＦｅ）を準備した。
　準備した溶接端子の素材の融点は９８０℃であり、発熱抵抗線の融点は１４４０℃であるから、両者の温度差ΔＴは４６０℃であった。
　得られたリン青銅製の溶接端子を用いて、上記の実施例と同じ溶接条件でスポット溶接を行ったところ、スポット溶接後の発熱抵抗線を手で引っ張ると簡単に剥離してしまい、溶接強度が不足していることがわかった。
　そこで、溶接強度を高める目的で電極間の電流値を増加させてみたところ、今度は発熱抵抗線が溶接部において中心まで溶融し、切断してしまった。このため、発熱抵抗線の溶融による断線を防止しつつ発熱抵抗線と溶接端子とをスポット溶接することができる適切な溶接条件を見出すことができなかった。
　１　センサ部
　２　センサチューブ
　３　上流側ヒータエレメント
　４　下流側ヒータエレメント
　５　溶接端子
　６　モールド
　７　導線
　８　電極
　９　ナゲット
　１０ａ、１０ｂ　突出部











                                                                                

Claims (8)

  1. 　流体が内部を流動するセンサチューブと、前記センサチューブの外周に設けられた発熱抵抗線でなる上流側ヒータエレメント及び下流側ヒータエレメントと、前記発熱抵抗線の端部がスポット溶接により電気的に接続された複数の溶接端子とを有する熱式質量流量計であって、
    　前記溶接端子は、前記発熱抵抗線の融点との温度差が１００℃を超えない融点を有する金属又は合金でなり、
    　前記溶接端子の表面に１層又は２層以上の被覆層が設けられていること
    　を特徴とする熱式質量流量計。
  2. 　前記端部は、前記溶接端子の一部分に接続されてあり、
    　前記被覆層は、少なくとも、前記一部分の裏側に位置する部分に設けられていること
    　を特徴とする請求項１に記載の熱式質量流量計。
  3. 　前記発熱抵抗線及び前記溶接端子の材料が、同一成分からなる合金であること
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の熱式質量流量計。
  4. 　前記発熱抵抗線が５μｍ以上、１００μｍ以下の線径を有するＦｅ－Ｎｉ合金線でなること
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の熱式質量流量計。
  5. 　前記溶接端子がＦｅ－Ｎｉ合金でなること
    　を特徴とする請求項４に記載の熱式質量流量計。
  6. 　前記被覆層のうち最も外側に位置する被覆層がＣｕ又はＡｕでなること
    　を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱式質量流量計。
  7. 　前記被覆層がＮｉで構成された下地被覆層とＡｕで構成された表面被覆層との二層で構成されていること
    　を特徴とする請求項６に記載の熱式質量流量計。
  8. 　請求項１乃至７に記載の熱式質量流量計を有すること
    　を特徴とする質量流量制御装置。
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