(57)【要約】【課題】センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサが外気に曝されることによる影響を受けることなく、配管内を流れる流体の流速を測定できる熱式流速センサを提供する。【解決手段】流体が流れる配管１と、配管１の外周面に直接形成された、流体の流速検知用の膜状流速検知部２と、膜状流速検知部２を封しする封し部材３とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管と、
前記配管の外周面に直接形成された、前記流体の流速検知用の膜状流速検知部と、
前記膜状流速検知部を封しする封し部材
とを備えた熱式流量センサ。
【請求項２】
前記封し部材は内部に空間を有する凹状の部材であり、
前記封し部材の凹部の開放側が前記配管に接合されて前記膜状流速検知部を封しする
ことを特徴とする請求項１記載の熱式流量センサ。
【請求項３】
前記封し部材は、当該封し部材の内部の空間を真空状態として前記膜状流速検知部を封しする
ことを特徴とする請求項２記載の熱式流量センサ。
【請求項４】
前記封し部材は、断熱材からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の熱式流量センサ。
【請求項５】
前記膜状流速検知部は、当該膜状流速検知部と当該膜状流速検知部から出力された信号に基づき前記流体の流速を計測する電子回路基板とを接続する信号線が接続されるパッド部を有し、
前記パッド部は、前記封し部材によって封しされていない、前記配管の外周面に形成される
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の熱式流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、配管内を流れる流体の流速を測定する熱式流速センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、流速を検知するためのセンサチップとを別途製作し、当該別途製作したセンサチップを、配管の表面に、例えば接着剤によって接着し、当該配管に接着されたセンサチップによって、配管内を流れる流体の流速を測定するようにする熱式流速センサが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００１／０８４０８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の熱式流速センサによれば、センサチップを配管の表面に接着するため、温度センサが直接外気に曝されることがなく、センサ特性が外気等による影響を受けないようにすることができる。
しかしながら、従来の熱式流速センサでは、別途製作されたセンサチップが配管の表面に接着されるようにしているため、例えば、接着剤起因の応力によってセンサの特性シフトが発生したり、場合によってはセンサチップが破損する等、センサチップが接着されることに起因した問題が生じるという課題があった。
【０００５】
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、センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサが外気に曝されることによる影響を受けることなく、配管内を流れる流体の流速を測定できる熱式流速センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る熱式流速センサは、流体が流れる配管と、配管の外周面に直接形成された、流体の流速検知用の膜状流速検知部と、膜状流速検知部を封しする封し部材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、上記のように構成したので、センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサが外気に曝されることによる影響を受けることなく、配管内を流れる流体の流速を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１Ａ、図１Ｂは、この発明の実施の形態１に係る熱式流速センサの構成例を示す図であり、熱式流速センサの上面図および側面図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、この発明の実施の形態２に係る熱式流速センサの構成例を示す図であり、熱式流速センサの上面図、側面図、および、斜視図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂは、この発明の実施の形態１に係る熱式流速センサの構成のその他の一例を示す図であり、熱式流速センサの上面図および側面図である。
【図４】図４Ａ、図４Ｂは、この発明の実施の形態１に係る熱式流速センサの構成のその他の一例を示す図であり、熱式流速センサの上面図および側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る熱式流速センサの構成例を示す図である。
図１Ａは熱式流速センサの上面図であり、図１Ｂは熱式流速センサの側面図である。
【００１０】
なお、この実施の形態１では、流速検知の原理の一例として、１つのヒータ用抵抗体とその上下流にそれぞれ温度センサを設け、ヒータから生じた熱が、流速によって生じる上下流温度センサの熱バランスの崩れを温度差として計測することで、配管１内の流体の流速を測定する。
【００１１】
この実施の形態１に係る熱式流速センサは、図１に示すように、流体が流れる配管１と、配管１の外周面における平坦部１１に直接形成された膜状流速検知部２と、膜状流速検知部２を封しする封し部材３とを備える。
膜状流速検知部２は、パッド部２ａにおいて信号線の一端と接続され、当該信号線の他端が基板と接続される。これにより、膜状流速検知部２と電子回路基板とが、信号線を介して接続される。信号線は、例えば、金ワイヤである。
なお、図１では、膜状流速検知部２と接続される電子回路基板、および、当該膜状流速検知部２と電子回路基板とを接続する信号線の図示を省略している。
【００１２】
配管１は、円筒状の配管である。この実施の形態１では、配管１はガラス管とする。
平坦部１１は、配管１の外周面の一部であり、当該配管１の外周面の一部が研削等で薄くされ、平坦化されてなる。
【００１３】
膜状流速検知部２は、膜状流速検知、例えば、白金等のＲＴＤ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ。測温抵抗体）用の薄膜が流路表面に直接形成され、矩形状にパターンニングされることで形成される。
【００１４】
膜状流速検知部２は、例えば、従来から半導体の製造に用いられる、既存の薄膜形成技術やリソグラフィー技術等によって形成される。
なお、これは一例にすぎず、膜状流速検知部２は、例えば、金属インクジェットで形成されるようにしてもよいし、スクリーン印刷の技術を用いて形成されるようにしてもよい。
膜状流速検知部２を配管１の表面に形成する際に、密着力が弱い場合は、密着増強用の薄膜層を挿入してもよい。
【００１５】
封し部材３は、断熱材からなる。この実施の形態１では、図１に示すように、封し部材３が、膜状流速検知部２を直接覆うように設けられ、膜状流速検知部２を封しする。
また、図１に示すように、封し部材３は、パッド部２ａは封ししないように設けられる。すなわち、パッド部２ａは、封し部材３によって封しされていない、配管１の外周面に形成される。これにより、信号線が封し部材３に干渉しない構造となる。
なお、封し部材３と配管１とは、例えば、接着剤、または、フリットガラス等によって接合される。これにより、封し部材３と配管１との間に隙間ができないようにすることができ、膜状流速検知部２のセンサパターンの厚みに影響されることなく膜状流速検知部２を封しすることが可能となる。
【００１６】
従来からの、センサチップを配管に接着するような熱式流速センサでは、当該センサチップの接着に起因した様々な問題が生じていた。
例えば、接着材起因の応力によって膜状流速検知部に歪を生じ、センサの特性シフトが発生したり、センサチップが破損するという問題があった。
また、例えば、配管内の流体に熱を与えるためには、接着剤および配管の薄肉を介して流体に熱を与えることになるが、接着層等を介することにより、センサチップの感度低下が生じる、あるいは、センサチップの応答性が悪化するという問題があった。
また、例えば、接着剤の厚みまたは塗り方等にばらつきがあったり、気泡が含有するなどがあれば、センサチップの特性もばらついてしまうという問題があった。
また、接着剤等で接着する際に、センサチップを破損してしまう可能性もあるという問題があった。
【００１７】
これに対し、この実施の形態１に係る熱式流速センサでは、上述したように、流体が流れる配管１の外周面上の平坦部１１に、膜状流速検知部２が直接形成されるようにした。これにより、センサチップを配管１に接着することなく、配管１内を流れる流体の流速を測定できる。その結果、上述したような、センサチップの接着に起因した様々な問題が生じないようにすることができる。
【００１８】
一方、膜状流速検知部２が配管１の外周面上に直接形成されると、当該膜状流速検知部２のセンサパターンが外気に曝され、温度または湿度の影響を受けて、センサの出力の安定性に影響を与えるという問題がある。
また、空気中に浮遊している異物または導電性のゴミ等がセンサパターン上に付着することにより、膜状流速検知部２の熱的なバランスが崩れて出力が変動したり、パターンの短絡が発生してセンサが故障する可能性があるという問題がある。
【００１９】
そこで、この実施の形態１に係る熱式流速センサでは、上述したように、膜状流速検知部２を封しする封し部材３を備えるようにした。これにより、膜状流速検知部２が温度または湿度の影響を受けることを防ぎ、センサ上への異物の付着も防ぐことができる。その結果、長期安定性の良いセンサ特性を得ることが可能となる。
【００２０】
このように、この実施の形態１に係る熱式流速センサでは、配管１の外周面上の平坦部１１に、膜状流速検知部２が直接形成され、さらに、当該膜状流速検知部２を封しする封し部材３を備えるようにしたことで、センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサ（膜状流速検知部２）が外気に曝されることによる影響を受けないようにすることができる。
【００２１】
なお、以上の実施の形態１では、膜状流速検知部２は、円筒上の配管１の外周面の平坦部１１に直接形成されるようにしたが、これに限らない。例えば、配管１は平坦部１１を有さず、膜状流速検知部２は、円筒状の配管１の外周面の一部に直接形成されるものであってもよいし、円筒状の配管１の外周面の全体にわたって螺旋状に直接形成されるものであってもよい。
【００２２】
以上のように、この実施の形態１によれば、流体が流れる配管１と、配管１の外周面に直接形成された、流体の流速検知用の膜状流速検知部２と、膜状流速検知部２を封しする封し部材３を備えるように構成したので、センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサが外気に曝されることによる影響を受けることなく、配管内を流れる流体の流速を測定できる。
【００２３】
また、膜状流速検知部２は、当該膜状流速検知部２と当該膜状流速検知部２から出力された信号に基づき流体の流速を計測する電子回路基板とを接続する信号線が接続されるパッド部２ａを有し、パッド部２ａは、封し部材３によって封しされていない、配管１の外周面に形成されるように構成したので、信号線が封し部材３に干渉しない構造とすることができる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１では、封し部材３は、膜状流速検知部２を直接覆うように設けられるものとした。
この実施の形態２では、封し部材３ａと膜状流速検知部２との間に空間を設けるようにする実施の形態について説明する。
【００２５】
図２は、この発明の実施の形態２に係る熱式流速センサの構成例を示す図である。
図２Ａは熱式流速センサの上面図であり、図２Ｂは熱式流速センサの側面図であり、図２Ｃは、熱式流速センサの斜視図である。
【００２６】
図２において、実施の形態１で図１を用いて説明した構成と同様の構成には、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
この実施の形態２に係る熱式流速センサは、実施の形態１において図１を用いて説明した熱式流速センサとは、封し部材３ａの形状が異なる。
【００２７】
図２に示すように、封し部材３ａは、内部に空間を有する凹状の封しキャップである。封し部材３ａは、例えば、断熱材を加工して凹ませることで形成される。
封し部材３ａは、膜状流速検知部２を覆うように設けられ、封し部材３ａの凹部の開放側が配管１に接合されて膜状流速検知部２を封しする。
なお、封し部材３ａのキャップ内部の空間の容積は、環境等にあわせて適宜設定するようにすればよい。
【００２８】
この実施の形態２においても、封し部材３ａは、パッド部２ａを封ししないように設けられる。すなわち、パッド部２ａは、封し部材３ａによって封しされていない、配管１の外周面に形成される。
封し部材３ａと配管１とは、例えば、接着剤、または、フリットガラス等によって接合される。これにより、封し部材３ａと配管１との間に隙間ができないようにすることができ、膜状流速検知部２のセンサパターンの厚みに影響されることなく膜状流速検知部２を封しすることが可能となる。
【００２９】
例えば、封し部材が膜状流速検知部２を直接覆うようにした場合、当該封し部材の厚み等によっては、膜状流速検知部２のセンサパターンのセンサ特性への影響を及ぼす可能性もあるが、上述のように、封し部材３ａを、内部に空間を有する凹状の封しキャップとしたことで、膜状流速検知部２と封し部材３ａとの間に空間ができ、封し部材３ａの厚み等による、膜状流速検知部２のセンサパターンのセンサ特性への影響が出ないようにすることができる。
【００３０】
さらに、封し部材３ａのキャップ内部の空間を真空状態で、膜状流速検知部２を封しするようにすれば、例えば、外気温が変動するような場合等であっても、周囲雰囲気と膜状流速検知部２との熱絶縁性を高めることができ、周囲温度変動によるセンサ出力の温度特性の影響を低減させることができる。
【００３１】
また、例えば、封し部材３ａのキャップ内部の空間に不活性ガスを充填させるようにすると、膜状流速検知部２のセンサパターンが腐食すること等を防ぐこともできる。
【００３２】
以上のように、この実施の形態２によれば、封し部材３ａは内部に空間を有する凹状の部材（封しキャップ）であり、封し部材の凹部の開放側が配管１に接合されて膜状流速検知部２を封しするように構成したので、封し部材３ａの厚み等によらず、センサチップを配管に接着することによる影響、および、流速検知用のセンサ（膜状流速検知部２）が外気に曝されることによる影響を受けることなく、配管１内を流れる流体の流速を測定できる。
【００３３】
また、封し部材３ａは、当該封し部材３ａの内部の空間を真空状態として膜状流速検知部２を封しするように構成することで、周囲雰囲気と膜状流速検知部２との熱絶縁性を高めることができ、周囲温度変動によるセンサ出力の温度特性の影響を低減させることができる。
【００３４】
なお、この実施の形態２においても、実施の形態１同様、膜状流速検知部２は、円筒上の配管１の外周面の平坦部１１に直接形成されるものに限らず、例えば、配管１の外周面に直接形成されるものでもよい。
膜状流速検知部２の形成方法も、実施の形態１で説明したように、種々の形成方法を採用することができる。
【００３５】
以上の実施の形態１，２では、一例として、熱式流速センサは、流速検知の原理として、ヒータとその上下流にそれぞれ温度センサを有する流速検知の原理を採用するものとしたが、これに限らない。
【００３６】
例えば、図３に示すように、熱式流速センサは、ヒータのみを有する流速検知の原理を採用してもよい。
図３Ａは、ヒータのみを有する流速検知の原理を採用した熱式流速センサの上面図であり、図３Ｂは側面図である。
ヒータのみを有するタイプでは、当該１つのヒータから出力される電気的信号に基づき、配管内を流れる流体の流速による熱の奪われ方の違いを、印加している電力または電圧の変化として計測することで、配管内の流体の流速を測定する。
【００３７】
また、例えば、図４に示すように、熱式流速センサは、流速検知の原理として、２つのヒータを流体の流れ方向に並べて配置する流速検知の原理を採用してもよい。
図４Ａは、２つのヒータを有する熱式流速センサの上面図であり、図４Ｂは側面図である。
２つのヒータを有するタイプでは、当該２つのヒータから出力される信号に基づき、配管１内を流れる流体の流速による熱バランスの崩れを、２つのヒータの電力差あるいは電圧差として計測することで、配管１内の流体の流速を測定する。
【００３８】
なお、上記では、配管１はガラス管としたが、これに限らず、配管１は、例えば、セラミック等であってもよく、膜状流速検知部２による伝熱および測定が妨げられない部材であればよい。
【００３９】
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  配管
２  膜状流速検知部
２ａ  パッド部
３，３ａ  封し部材
１１  平坦部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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