(57)【要約】    【課題】温度センサチップの測定感度を向上させて、熱式質量流量計の測定性能を向上させる。    【解決手段】ヒータチップ４及び温度センサチップ６，８の下面側に配管２が熱伝導性接着剤１０によって固着されている。ヒータチップ４及び温度センサチップ６，８はモールド樹脂に覆われており、内部に形成されている素子までの熱抵抗は下面側が最も小さくなっている。    【選択図】  図１
2008101965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体が流れる配管の周面に配置された配管内の流体を加熱するためのヒータチップと、前記配管の周面で配管に対して前記ヒータチップと同じ側で配管内の流体の流れ方向に沿って前記ヒータチップの上流側と下流側の等距離の位置に配置された、前記ヒータチップとは別体として構成されたチップタイプの温度センサチップからなる温度センサチップ対とで構成される測定部と、
前記温度センサチップ対の温度差からその配管中を流れる流体の流量を求める演算部と、を備えた熱式質量流量計において、
前記温度センサチップは表面がモールド樹脂で覆われ、前記モールド樹脂の下面側から側方に延びた出入力端子を備えたものであり、前記温度センサチップの下面側に前記配管が固着されていることを特徴とする熱式質量流量計。
【請求項２】
前記ヒータチップは表面がモールド樹脂で覆われ、前記モールド樹脂の下面側から側方に延びた出入力端子を備えたものであり、前記ヒータチップの下面側に前記配管が固着されている請求項１に記載の熱式質量流量計。
【請求項３】
前記測定部は、前記温度センサチップ対とは別に前記測定部の周囲温度を測定するための測温素子を備え、
前記演算部は前記測温素子により測定した周囲温度に基づいて前記温度センサチップ対の温度差を補正する補正部を備え、前記補正部で得られた補正後の前記温度センサチップ対の温度差から前記配管中を流れる流体の流量を求めるようになっている請求項１又は２に記載の熱式質量流量計。
【請求項４】
前記測定部は前記ヒータチップ及び温度センサチップを嵌め込むための溝が形成された基板を備え、
前記ヒータチップ及び温度センサチップは上面側から前記基板の前記溝に嵌め込まれており、前記ヒータチップ及び温度センサチップの下面に前記配管が接触した状態で熱伝導性接着剤により固着され、
さらに前記配管は前記基板に接着剤により固着されている請求項１から３のいずれか一項に記載の熱式質量流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内を流れる流体の質量流量を、流体の流れ方向における温度分布に基づいて測定する熱式質量流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５を参照しながら従来の熱式質量流量計を説明する。図５は従来の熱式質量流量計の一例を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は配管表面の温度分布を示すグラフである。（Ｂ）において、縦軸は温度であり、横軸は配管の流れ方向における位置である。なお、破線で示された曲線は配管内を流体が流れていない状態での温度分布を示し、実線で示された曲線は配管内を流体が流れている状態での温度分布を示している。
【０００３】
図５（Ａ）に示されるように、配管３１の周面の表面上にヒータ３２が接触され、さらに配管３１の流れ方向におけるヒータ３２の上流側と下流側の等距離の位置に配管の表面温度を測定する１対の温度センサ対３４（３４ａ，３４ｂ）が配置されている。この例では、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって１つの基板にヒータ３２と温度センサ対３４を作りこんだ流量測定用チップ３６を用い、その流量測定用チップ３６を配管３１に取り付けて、配管３１内を流れる流量の測定を行なっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記の熱式質量流量計は、ヒータ３２によって配管内の流体を所定温度まで加熱し、ヒータ３２から一定距離だけ離れた温度センサ対３４にてそれぞれ配管３１の表面温度を測定する。ヒータ３２によって暖められた流体の温度分布がガウス分布に従うことを前提とすると、流体が静止しているときは図５（Ｂ）の破線で示されるように、２つの温度センサ３４ａと３４ｂで検出される温度は等しく、両者の測定温度差は０となる。図５（Ｂ）の実線で示されるように、配管３１内を流体が流れると温度分布が下流側に移動し、温度センサ３４ａと３４ｂで検出される温度に差が生じる。配管３１表面の温度分布は配管３１内を流れる流体の流量が増大するほど下流側に移動することから、配管３１表面の温度分布の頂点が温度センサ３４ａと３４ｂの間にあるときは、温度センサ対３４の測定温度差は配管３１内を流れる流体の流量が増大するほど大きい値となる。したがって、配管３１内を流れる流体の流量と温度センサ対３４の測定温度差には相関関係が成立しており、この相関関係から温度センサ対３４の測定温度差を利用して配管３１内を流れる流体の流量を算出することができる。
【０００５】
このようなヒータ３２と一対の温度センサ３４ａと３４ｂが作りこまれた流量測定用チップ３６を用いた熱式質量流量計では、ＭＥＭＳ技術によって対をなす温度センサ対３４をヒータに近接して配置することができるので、温度分布の移動量が小さい場合でも、温度センサチップ温度分布を示す曲線（図５（Ｂ）を参照）の傾斜が急な位置で温度センサ３４ａと３４ｂが温度を測定することができ、流量が微量である場合でも測定温度差として大きな値を得ることができ、流量測定を高感度で行なうことができる。
【０００６】
しかし、ＭＥＭＳ技術を用いて１枚の基板に発熱素子３２と温度センサ対３４を作りこむことは、製造設備などの問題から安価に実現することはできない。そこで、本願発明者らは、発熱素子であるチップ型のヒータチップと温度センサ対を構成する一対の温度センサチップを個別に配管の周面に配置して熱式質量流量計を構成することを提案している。それにより、ＭＷＭＳ技術を用いることなく安価に熱式質量流量計を構成できる。
【特許文献１】米国特許第６８１３９４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そのような熱式質量流量計においては、温度センサチップの測定感度が低下すると直接的に流量の測定結果に影響し、温度センサチップの測定感度を向上させることで熱式質量流量計の測定性能を向上させることができる。
【０００８】
そこで本発明は、温度センサチップの測定感度を向上させて、熱式質量流量計の測定性能を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
熱式質量流量計の温度センサとして用いられる接触式の温度センサチップは、測温素子を覆う被覆樹脂による熱抵抗により、測定対象物との接触位置によって測定感度にばらつきが存在する。すなわち、測定対象物をチップの最も熱抵抗の小さい位置に接触させることで高い測定感度を得ることができ、逆に熱抵抗の高い位置に測定対象物を接触させると、測定感度が低下してしまう。
そこで本発明は、内部を流体が流れる配管の周面に配置された配管内の流体を加熱するためのヒータチップと、配管の周面で配管に対してヒータチップと同じ側で配管内の流体の流れ方向に沿ってヒータチップの上流側と下流側の等距離の位置に配置された、ヒータチップとは別体として構成されたチップタイプの温度センサチップからなる温度センサチップ対とで構成される測定部と、温度センサチップ対の温度差からその配管中を流れる流体の流量を求める演算部と、を備えた熱式質量流量計であって、温度センサチップは表面がモールド樹脂で覆われ、モールド樹脂の下面側から側方に延びた出入力端子を備えたものであり、温度センサチップの下面側に配管が固着されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の熱式質量流量計においては、ヒータチップの表面がモールド樹脂で覆われ、モールド樹脂の下面側から側方に延びた出入力端子を備えたものであり、ヒータチップの下面側に配管が固着されていてもよい。
【００１１】
一般的に、熱式質量流量計では温度センサチップ対の間に配置されているヒータチップは、周囲温度（室温）プラス数℃〜数十℃を維持するように駆動される。熱式質量流量計はヒータチップの上流側と下流側の温度センサチップの温度差から流量を検出するので、周囲温度が変動しても両温度センサチップが受けた温度変化の影響は相殺されるはずである。しかし実際は、それぞれの温度センサチップを配管に固着するための接着剤の量が不均一であったり、温度センサチップとして用いられているチップのモールド樹脂の厚みが異なっていたりして、温度センサチップ間で周囲温度の変動に対する反応速度が異なっている場合がある。そのような場合は、流量計として周囲温度に対する安定性を欠き、十分な測定性能を得ることができない。
そこで本発明の熱式質量流量計の好ましい形態では、測定部は、温度センサチップ対とは別に測定部の周囲温度を測定するための測温素子を備え、演算部は、その測温素子により測定した周囲温度に基づいて温度センサチップ対の温度差を補正する補正部を備え、補正後の温度センサチップ対の温度差から配管中を流れる流体の流量を求めるようになっていてもよい。
【００１２】
また、さらに好ましい形態では、測定部はヒータチップ及び温度センサチップを嵌め込むための溝が形成された基板を備え、ヒータチップ及び温度センサチップは上面側から基板の溝に嵌め込まれており、ヒータチップ及び温度センサチップの下面に配管が接触した状態で熱伝導性接着剤により固着され、さらに配管は接着剤により基板に固着されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱式質量流量計では、温度センサチップの下面側、すなわち内部に形成されている素子までの熱抵抗が最も小さい位置に配管が固着されているので、配管表面の温度により近い温度を検知することができ、配管表面の熱損失が減少して、流量測定の感度が向上する。
【００１４】
さらに、ヒータチップも下面側、すなわち内部に形成されている素子までの熱抵抗が最も小さい位置において配管に固着されているようにすれば、ヒータチップ内部の発熱素子から配管内の流体までの熱損失を低減することができ、ヒータチップが配置されている部分の配管温度をより設定温度に近い温度にすることができる。
【００１５】
測定部が温度センサチップ対とは別に測定部の周囲温度を測定するための測温素子を備え、演算部が測温素子により測定した周囲温度に基づいて温度センサチップ対の温度差を補正する補正部を備えて補正後の温度センサチップ対の温度差から配管中を流れる流体の流量を求めるようになっていれば、周囲温度が変化しても安定した流量測定を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の熱式質量流量計の一実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置での断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ断面の詳細を示す図である。
微少試料を送液する配管としてのキャピラリ２の下側に発熱素子としてのヒータチップ４が接した状態で配置されている。ここでは図１（Ｂ）の状態をもとにして「下側」を定義するが、特にこの状態に配置されることに限定されるわけではない。キャピラリ２が垂直方向に配置される場合であってもよく、その場合も素子４,６,８のキャピラリ２とは反対側の凸部の側を下側という。ヒータチップ４として例えばチップダイオードＩＳＳ３８７（株式会社東芝の製品）やチップ抵抗ＲＫ７３Ｈ１ＪＴ（コーア株式会社の製品）を用いることができる。ヒータチップ４の上流側と下流側のヒータチップ４から等しい位置に１対の温度センサチップ対を構成する温度センサチップ６と８が配管２に接した状態で配置されている。温度センサチップ６，８としてチップ型ダイオードが用いられている。ヒータチップ４と温度センサチップ６，８はこの熱式質量流量計の測定部を構成している。
【００１７】
ヒータチップ４及び温度センサチップ６，８は熱伝導性接着剤１０によって固着されている。これらのチップ４，６，８は外周を覆っているモールド樹脂の内部に形成された内部素子までの熱抵抗が最も小さくなる部分、ここでは各チップ４，６，８の下面側において配管２と接触し、固着されている。
図１（Ｃ）に示されている温度センサチップ６の構造は一例であるが、この図における温度センサチップ６は、ＰＮ接合部が形成されたダイオード部７が端子６ａにボンディングワイヤ９を介して電気的に接続され、ダイオード部７が例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１１によって覆われたパッケージとなっている。端子６ａはモールド樹脂１１からなるパッケージの下面側（図では上側）端部から外側に引き出されている。配管２はモールド樹脂１１からなるパッケージの下面に接触した状態で熱伝導性接着剤１０により固着されている。なお、ここでは、温度センサチップ６の端子６ａが引き出されている側の面を下面、その反対側の面を上面とする。ヒータチップ４及び温度センサチップ８についても同様である。
【００１８】
図１（Ｃ）の温度センサチップ６では、ダイオード部７から温度センサチップ６の上面側（図では下側）表面までの間にはエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１１のみが存在し、ダイオード部７から温度センサチップ６の下面側（図では上側）表面までの間には、端子６ａを構成する金属とモールド樹脂１１とが存在している。一般的に、金属の熱伝導率は数十（Ｗ／ｍ・Ｋ）〜数百（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度であり、エポキシ樹脂の熱伝導率は０．数（Ｗ／ｍ・Ｋ）〜数（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度である。すなわち、エポキシ樹脂に比べて金属の方が数十倍〜数千倍も熱を伝えやすい。
【００１９】
熱抵抗ＲTは次式（１）で表わすことができる。
ＲT＝Ｌ／（Ａ×λ）                              （１）
Ｌは距離、Ａは面積、λは熱伝導率である。
ダイオード部７から温度センサチップ６の上面側表面までの距離と下面側表面までの距離が同程度であり、上面と下面の面積も同程度であるとすると、ダイオード部７からの熱抵抗ＲTは、温度センサチップ６の下面側表面までの方が端子６ａを構成する金属が介在している分だけ低くなる。
【００２０】
よって、このような構造をもつ温度センサチップ６では、下面側に配管２を固着した方が上面側に配管２を固着するよりも、配管２からダイオード部７までにおける熱損失が小さくなるため、ダイオード部７が配管２の表面温度により近い温度を検出することができる。なお、ここでは、温度センサチップ６についてのみ説明したが、ヒータチップ４及び温度センサチップ８についても同様である。
ヒータチップ４については、内部に形成されている内部発熱素子から配管２に接触している部分までの熱抵抗が最も小さくなるようにすることで、内部発熱素子から配管２までの熱損失が小さくなって内部発熱素子の熱が配管２に伝わりやすくなるので、ヒータを一定温度に制御する場合は配管２表面の温度制御の精度を向上させることができる。
【００２１】
図示は省略されているが、温度センサチップ６と８はそれぞれ演算部に接続されており、演算部は温度センサチップ６と８の測定温度を信号として読み取り、その温度差によってキャピラリ２内を流れる移動相の流量を予め求めて保存している検量線に基づいて算出するようになっている。すなわち、演算部には予め測定された温度センサチップ６と８の検出温度差と流体の流量との相関関係が検量線として記憶されており、温度センサチップ６と８の検出温度差からキャピラリ２内を流れる流体の流量が自動的に算出されるようになっている。演算部はＣＰＵやパーソナルコンピュータにより実現される。
【００２２】
図１に示した熱式質量流量計の測定部は基板を利用してキャピラリ２に固着することが好ましい。図２は基板を利用した熱式質量流量計の測定部の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置での断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置での断面図である。
【００２３】
この実施例で用いられている基板１２は中央から外側に向かって配線パターン１６が形成された配線基板であり、中央部に凹部１４が形成されている。凹部１４には、ヒータチップ４及び温度センサチップ６，８がキャピラリ２との接触面を上にした状態で挿入されている。４ａはヒータチップ４の入出力端子、６ａは温度センサチップ６の入手出力端子、８ａは温度センサチップ８の入出力端子である。入出力端子４ａ，６ａ，８ａは凹部１４の縁に接触し、凹部１４の縁から外側に向かって引き出されている配線パターン１６に例えば半田付けにより固着され、電気的に接続されている。キャピラリ２は例えば断熱性接着剤１８により４点で基板１２に固着されている。断熱性接着材１８としては、例えばＲＴＶシリコーンゴム（東レ・ダウ・コーニングシリコーン株式会社の製品、ＳＥ９１７５）を挙げることができる。この場合のＲＴＶシリコーンゴム接着剤は、低分子シロキサン低減品であることが好ましい。
【００２４】
このように基板１２を利用することで、キャピラリ２とヒータチップ４及び温度センサチップ６，８との固着が容易になり、また、ヒータチップ４と温度センサチップ６，８を基板１２で保護することができる。そして、基板１２として配線基板を用いることでヒータチップ４及び温度センサチップ６，８の入出力端子を配線基板１２の配線パターン１６を用いて外部機器に引き出すことができるので、配線の引き回しが簡略化される。
また、断熱性接着剤１８により配管２と基板１２を固着することで、配管２とヒータチップ４及び温度センサチップ６，８との固着部分に応力が集中しなくなるので、配管２からヒータチップ４及び温度センサチップ６，８が剥離するのを防止することができる。
【００２５】
図３は熱式質量流量計の他の実施例を示すブロック図である。
２４はヒータチップ４を駆動するための回路部である。ヒータチップ４の加熱温度は回路部２４によって室温プラス数度〜数十度を維持するように駆動される。
測定部２０は、ヒータチップ４や温度センサチップ対６，８のほか、周囲温度（室温）を測定する測温素子２２を備えている。測定部２０の構造としては、図２に示したものと同様の構造であり、測温素子２２は例えば基板１２上に設けられている。
演算部２６は温度センサチップ対６，８の測定温度差から流量を算出する流量算出部３０のほかに、測温素子２２で測定した室温に基づいて温度センサチップ対６，８の測定温度差を補正する温度差補正部２８を備えている。
【００２６】
図４を用いて温度差補正部２８の補正方法を説明する。
ヒータチップ４の上流側と下流側に取り付けられた温度センサチップ６，８の熱容量に差がない場合、配管２内の流体が静止している状態では、理論上、両温度センサチップ６，８によって検出される温度に差がないはずである。しかし実際は、製造の機差などによって、ヒータチップ４の上流側と下流側で熱容量に差があることがあり、温度センサチップ６と温度センサチップ８が取り付けられている位置の配管２表面温度に差が生じることがある。ヒータチップ４の上流側と下流側で熱容量に差があると、（Ｂ）に示されているように、例えば室温がＡ（℃）、Ｂ（℃）、Ｃ（℃）の場合（関係はＣ＞Ｂ＞Ａ）を比較すると、温度センサチップ６と温度センサチップ８の測定位置の熱容量の違いから、両温度センサチップ６，８による検出温度の差ΔＴA，ΔＴB，ΔＴCが異なってしまい、これに基づいて流量測定を行なうと室温の変化によって流量が変動してしまうことになる。
【００２７】
そこで、室温によって生じる温度センサチップ６と８の検出温度差の変動を、測温素子２２を用いて測定した室温に基づいて補正する。
温度センサチップ６及び温度センサチップ８の検出温度と室温との関係が、図４（Ｃ）のグラフで示されるものであったとする。
まず、温度センサチップ６，８の検出温度差と室温との相関関係を予め測定しておく。
【００２８】
一例として、室温がＸ（℃）のときの温度センサチップ６，８の検出温度差ΔＴ（Ｘ）を次式（２）の二次関数で近似できた場合について説明する。
ΔＴ（Ｘ）＝ａＸ2＋ｂＸ＋ｃ                              （２）
なお、ａ，ｂ，ｃは流量計ごとに求められる個別パラメータである。
【００２９】
上記（２）式のＸに測温素子２２で得られた室温を当てはめてΔＴを算出することで、その室温によって生じた温度センサチップ６，８の検出温度差ΔＴが求められる。
測定時に得られる温度センサチップ６，８の検出温度差ΔｔからΔＴを引いた値（Δｔ−ΔＴ）を、配管２内を流れる流体により生じた温度センサチップ６，８の検出温度差とみなすことができる。
すなわち、図３に示した温度差補正部２８は、測温素子２２で測定した室温に基づいてΔＴを算出し、温度センサチップ６，８の検出温度差ΔｔからΔＴを引いた値を補正後の温度差として流量演算部３０に出力する。流量演算部３０は温度差補正部２８からの補正後の温度差（Δｔ−ΔＴ）に基づいて流量を算出する。
【００３０】
このように、配管２内を流体が流れていない状態での温度センサチップ６，８の検出温度差の室温との相関関係を予め測定しておき、測定時に室温を測定して、室温によって生じた温度センサチップ６，８の検出温度差を算出して、実際の温度センサチップ６，８の検出温度差から室温によって生じた温度センサチップ６，８の検出温度差を引いたものを流量算出用の検出温度差として採用することで、ヒータチップ４の上流側と下流側の熱容量の差などによって起こる流量測定の誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施例の熱式質量流量計を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置における断面図である。
【図２】基板を利用した熱式質量流量計の測定部の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置での断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置での断面図である。
【図３】さらに他の実施例を示すブロック図である。
【図４】温度センサチップ対による検出温度差を補正する方法を説明するための図であり、（Ａ）は熱式質量流量計の断面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は室温と配管表面温度との関係を示すグラフである。
【図５】従来の熱式質量流量計を説明するための図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は配管表面の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
２    配管
４    ヒータチップ
６，８    温度センサチップ
７    ダイオード部
４ａ，６ａ，８ａ    端子
９    ボンディングワイヤ
１０    熱伝導性接着剤
１１    モールド樹脂
１２    基板
１４    凹部
１６    配線パターン
１８    断熱性接着剤
２０    測定部
２２    測温素子
２４    回路部
２６    演算部
２８    温度差補正部
３０    流量演算部
【図１】
2008101965.tif 000003
【図２】
2008101965.tif 000004
【図３】
2008101965.tif 000005
【図４】
2008101965.tif 000006
【図５】
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