(57)【要約】【課題】振動や衝撃等の負荷に対する耐性を向上できる測定装置及び測定装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一側面に係る測定装置は、管状部材と、管状部材の外周面に固定されるセンサと、センサからの検出信号を中継する基板であって、外周面の、センサが固定された領域とは異なる領域に固定される、センサから分離された基板と、センサと基板とを電気的に接続するワイヤと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材と、
前記管状部材の外周面に固定されるセンサと、
前記センサからの検出信号を中継する基板であって、前記外周面の、前記センサが固定された領域とは異なる領域に固定される、前記センサから分離された基板と、
前記センサと前記基板とを電気的に接続するワイヤと、を備える、
測定装置。
【請求項２】
前記センサの底面が前記基板から分離している、
請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記基板に切り欠きが設けられており、前記センサが前記切り欠きに位置する、
請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記センサがダイアフラムを備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記管状部材がガラスキャピラリーである、
請求項１から４のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記センサと前記基板とを含むセンサ筐体をさらに備え、
前記管状部材の少なくとも一つの端部が継手部材により前記センサ筐体に固定されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記センサが前記管状部材内を流れる流体の流速を測定する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記センサが前記管状部材内を流れる流体の流量を測定する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項９】
前記センサは、前記管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、前記流体に熱量を供給するヒータと、を備え、
前記ヒータは、前記温度センサが測定した温度と設定温度との差に対応する前記熱量を供給する、
請求項１から８のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記基板に複数の切り欠きが設けられており、前記温度センサは、一の前記切り欠きに位置し、前記ヒータは、他の一の前記切り欠きに位置する、
請求項９に記載の測定装置。
【請求項１１】
管状部材の外周面にセンサを固定する工程と、
前記外周面の、前記センサが固定された領域とは異なる領域に、前記センサからの検出信号を中継する基板であって、前記センサから分離された基板を固定する工程と、
前記センサと前記基板とを電気的に接続する工程と、を含む、
測定装置の製造方法。
【請求項１２】
前記センサの底面が前記基板から分離している、
請求項１１に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１３】
前記基板に切り欠きが設けられており、前記センサが前記切り欠きに位置する、
請求項１１又は１２に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１４】
前記センサがダイアフラムを備える、
請求項１１から１３のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１５】
前記管状部材がガラスキャピラリーである、
請求項１１から１４のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１６】
前記管状部材の少なくとも一つの端部を、継手部材により前記センサと前記基板とを含むセンサ筐体に固定する工程をさらに含む、
請求項１１から１５のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１７】
前記センサが前記管状部材内を流れる流体の流速を測定するセンサである、
請求項１１から１６のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１８】
前記センサが前記管状部材内を流れる流体の流量を測定するセンサである、
請求項１１から１７のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項１９】
前記センサは、前記管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、前記流体に熱量を供給するヒータと、を備える、
請求項１１から１８のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
【請求項２０】
前記基板に複数の切り欠きが設けられており、前記温度センサは、一の前記切り欠きに位置し、前記ヒータは、他の一の前記切り欠きに位置する、
請求項１９に記載の測定装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置及び測定装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流量変化を検出するフローセンサとして、特許文献１記載の液体用のフローセンサが知られていた。当該フローセンサは、流体の流れ上流側・下流側のそれぞれに備えられた２つの温度センサ及び熱源が組み込まれた半導体モジュールを有する。当該フローセンサは、液体を導くパイプを備え、半導体モジュールは熱伝導ペースト等の接着剤を介してパイプの外面に設けられており、二つの温度センサ及び熱源はパイプの外面と熱的接触している。このようなフローセンサの構造は、流体をパイプ以外の材料に接触させたくない場合やパイプの内径に比べて半導体モジュールが大きく、パイプの内部に半導体モジュールを配置することができない場合に採用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のフローセンサにおいては、半導体モジュールには、半導体モジュールからの電気信号を仲介するプリント基板が重力方向下側に接着されており、半導体モジュールに対して重りのようぶら下がっている。また、半導体モジュールは、一般的に、絶縁膜がキャビティを覆う部分である、薄膜状の断熱性ダイアフラムを備えている。ここで、上記のような構造を備えるフローセンサに振動や衝撃等の負荷がかかる場合、重りのようにぶら下がっているプリント基板が振動や衝撃等の負荷を増幅させ、半導体モジュールとパイプとの接着面、つまり、パイプ外面と半導体モジュールのダイアフラム表面との接着面に、当該増幅された負荷に応じた応力が加わる。そして、当該ダイアフラム部分は薄膜状であり機械的強度が低いので、当該ダイアフラム部分に振動や衝撃等の負荷に応じた応力が加わると破損するおそれがある。このような問題は、パイプにセンサが固定されたフローセンサ以外の測定装置でも、同様の問題が生じうる。
【０００５】
そこで、本発明は、振動や衝撃等の負荷に対する耐性を向上できる測定装置及び測定装置の製造方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る測定装置は、管状部材と、管状部材の外周面に固定されるセンサと、センサからの検出信号を中継する基板であって、外周面の、センサが固定された領域とは異なる領域に固定される、センサから分離された基板と、センサと基板とを電気的に接続するワイヤと、を備える。
【０００７】
上記測定装置において、センサの底面が基板から分離していてもよい。
【０００８】
上記測定装置において、基板に切り欠きが設けられており、センサが切り欠きに位置してもよい。
【０００９】
上記測定装置において、センサがダイアフラムを備えてもよい。
【００１０】
上記測定装置において、管状部材がガラスキャピラリーであってもよい。
【００１１】
上記測定装置において、センサと基板とを含むセンサ筐体をさらに備え、管状部材の少なくとも一つの端部が継手部材によりセンサ筐体に固定されてもよい。
【００１２】
上記測定装置において、センサが管状部材内を流れる流体の流速を測定してもよい。
【００１３】
上記測定装置において、センサが管状部材内を流れる流体の流量を測定してもよい。
【００１４】
上記測定装置において、センサは、管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、流体に熱量を供給するヒータと、を備え、ヒータは、温度センサが測定した温度と設定温度との差に対応する熱量を供給してもよい。
【００１５】
上記測定装置において、基板に複数の切り欠きが設けられており、温度センサは、一の切り欠きに位置し、ヒータは、他の一の切り欠きに位置してもよい。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る測定装置の製造方法は、管状部材の外周面の第１領域にセンサを固定する工程と、外周面の、第１領域とは異なる第２領域に、センサからの検出信号を中継する基板であって、センサから分離された基板を固定する工程と、センサと基板とを電気的に接続する工程と、を含む。
【００１７】
上記測定装置の製造方法において、センサの底面が基板から分離していてもよい。
【００１８】
上記測定装置の製造方法において、基板に切り欠きが設けられており、センサが切り欠きに位置してもよい。
【００１９】
上記測定装置の製造方法において、センサがダイアフラムを備えてもよい。
【００２０】
上記測定装置の製造方法において、管状部材がガラスキャピラリーであってもよい。
【００２１】
上記測定装置の製造方法において、管状部材の少なくとも一つの端部を、継手部材によりセンサと基板とを含むセンサ筐体に固定する工程をさらに含んでもよい。
【００２２】
上記測定装置の製造方法において、センサが管状部材内を流れる流体の流速を測定するセンサであってもよい。
【００２３】
上記測定装置の製造方法において、センサが管状部材内を流れる流体の流量を測定するセンサであってもよい。
【００２４】
上記測定装置の製造方法において、センサは、管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、流体に熱量を供給するヒータと、を備えていてもよい。
【００２５】
上記測定装置の製造方法において、基板に複数の切り欠きが設けられており、温度センサは、一の切り欠きに位置し、ヒータは、他の一の切り欠きに位置してもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、振動や衝撃等の負荷に対する耐性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ方向から見た断面図である。
【図７】参考例として流量計の構成例を示す断面図である。
【図８】本発明の効果を説明する表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。さらに、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
（構成）
図１から図６を用いて、本発明の実施形態に係る測定装置の一例である流量計の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る温度センサの構成例を示す斜視図である。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。図５は、本発明の実施形態に係るヒータの構成例を示す斜視図である。図６は、図１のＶＩ−ＶＩ方向から見た断面図である。
【００３０】
図１に示すように、流量計１は、例示的に、管状部材の一例である配管１１と、配管１１内を流れる流体の流量を測定するセンサの一例であるフローセンサ２１と、ワイヤ３３を介してフローセンサ２１からの検出信号を中継する基板の一例である中継基板３１と、継手部材５１を介して配管１１の両端を固定するセンサ筐体６１と、を備えて構成されている。
【００３１】
配管１１は、流体を通過させる管状の部材である。例えば、配管１１は、流体の流量に対応した適切な内径、流体の圧力に耐えうる壁の厚み、及び最適な長さを有しており、使用条件から決定される。配管１１は、セラミックス、プラスチック、ステンレス等の材料で構成され、例えば、ガラスキャピラリーである。なお、配管１１の厚さは、熱伝導の障害に殆どならない程度に薄く、例えば、数十マイクロメートル程度である。配管１１Ａの両端は、継手部材５１Ｂ及び５１Ｃに接続され、配管１１Ｂの一端は、継手部材５１Ａに接続され、配管１１Ｃの一端は、継手部材５１Ｄに接続されている。配管１１Ａと配管１１Ｂとは、継手部材５１Ａ及び５１Ｂを介して接続されており、配管１１Ａと配管１１Ｃとは、継手部材５１Ｃ及び５１Ｄを介して接続されている。配管１１Ａから１１Ｃは同一の部材から製造されたものであってもよいし、異なる部材から製造されたものであってもよい。
【００３２】
フローセンサ２１は、配管１１内を流通する流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定するための手段である。図１、２及び４に示すように、フローセンサ２１は、配管１１の継手部材５１で挟まれた部分である配管１１Ａの外周面の第１領域に固定されて用いられる。また、フローセンサ２１は、例示的に、配管１１Ａの外周面において流体の流れ上流側に位置し、流体の温度を測定する温度センサ２１Ｂと、流体の流れ下流側に位置し、流体に熱量を供給するヒータ２１Ａと、を備えて構成されている。図２に示すように、温度センサ２１Ｂの底面は、中継基板３１から分離するように構成される。また、図４に示すように、ヒータ２１Ａの底面が中継基板３１から分離するように構成される。
【００３３】
図２及び図３に示すように、温度センサ２１Ｂは、例示的に、ベース基板１０１Ｂと、ベース基板１０１Ｂ上に配置された絶縁膜１０３Ｂと、絶縁膜１０３Ｂに設けられた測温抵抗素子１０７と、検出信号の一例である、測温抵抗素子１０７が検出した物理量に対応する電気信号をワイヤ３３Ｃ，３３Ｄを介して出力する電気接続部１０９Ｃ，１０９Ｄと、を備えて構成されている。
【００３４】
配管１１は、例えば熱伝導性接着剤７１Ｂを介して、中心線Ｃに沿って温度センサ２１Ｂに固定される。熱伝導性接着剤７１は、フローセンサ２１と配管１１の外壁との間に介在する熱伝導性材料である。熱伝導性接着剤７１は、フローセンサ２１の熱を効率的に配管内部の流体に伝達し、配管１１内部の熱をフローセンサ２１に伝達する、双方向に伝熱が可能な熱伝導性材料からなる。熱伝導性接着剤７１は、例えば、配管固定領域に塗布され、熱伝導性接着剤７１を介してベース基板１０１Ｂ上に配置されている温度センサ２１Ｂを配管１１の外壁に設置する。熱伝導性接着剤７１は、硬化されることにより、フローセンサ２１と配管１１とを固定する接着剤である。
【００３５】
熱伝導性接着剤７１は、例えば、伝導性フィラーとバインダー樹脂との混合物であるペーストを含む。伝導性フィラーには、例えば、銀、銅、金、鉄、ニッケル、及びアルミニウムなどの金属微粉末やカーボンブラックが含まれる。また、バインダー樹脂には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂及びイミド樹脂等の樹脂が含まれる。
【００３６】
図４及び図５に示すように、ヒータ２１Ａは、例示的に、キャビティ１０２が設けられたベース基板１０１Ａと、ベース基板１０１Ａ上にキャビティ１０２を覆うように配置された絶縁膜１０３Ａと、絶縁膜１０３Ａに設けられた測温抵抗素子１０４と、検出信号の一例である、測温抵抗素子１０４が検出した物理量に対応する電気信号をワイヤ３３Ａ，３３Ｂを介して出力する電気接続部１０９Ａ，１０９Ｂと、を備えて構成されている。また、ヒータ２１Ａは、絶縁膜１０３Ａのキャビティ１０２を覆う部分である断熱性のダイアフラムをベース基板１０１Ａの下方向から形成するバックサイドエッチング構造を備える。
【００３７】
ここで、フローセンサ２１の測定方法を説明する。フローセンサ２１のヒータ２１Ａは、配管１１を流れる流体の温度（温度センサ２１Ｂの測定温度）よりも一定温度高くなるように流体に熱量を供給する。例えば、ヒータ２１Ａは、測定温度よりも１０℃高くなるように流体に熱量を供給する場合、測定温度が２０℃のとき、ヒータ２１Ａは流体の温度が３０℃になるように熱量を供給し、測定温度が５０℃のとき、ヒータ２１Ａは流体の温度が６０℃になるように熱量を供給する。すなわち、測定温度よりも一定温度高い温度であるヒータ２１Ａの設定温度は測定温度に応じて変化する。ヒータ２１Ａは流体の温度を上げるように測定温度と設定温度との差に対応する熱量を流体に供給する。
【００３８】
そして、ヒータ２１Ａが、測定温度と設定温度との差に対応する熱量を流体に供給するための電力量は、配管１１内を流通する流体の流速や流量と相関関係があることが知られている。このため、測定温度と設定温度との差に対応する熱量を流体に供給するための電力量に基づいて、配管１１内を流通する流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定（算出）することができる。
【００３９】
なお、フローセンサ２１における、流体の流速及び流量の測定方法は、上記に限られず、他の測定方法を採用することもできる。なお、フローセンサ２１のヒータ２１Ａ及び温度センサ２１Ｂは、必ずしも、互いに分離して配管１１に固定されている必要はなく、ヒータ２１Ａ及び温度センサ２１Ｂが一体となって配管１１に固定されていてもよい。
【００４０】
中継基板３１は、フローセンサ２１からの検出信号を中継する基板である。図１及び図６に示すように、中継基板３１は、例えば、ヒータ２１Ａとワイヤ３３Ａ及び３３Ｂを介して電気的に接続されており、また、温度センサ２１Ｂとワイヤ３３Ｃ及び３３Ｄを介して電気的に接続されている。中継基板３１は、例えば、各ワイヤ３３を介してフローセンサ２１が備える抵抗素子の電気抵抗に対応する電気信号を中継する。
【００４１】
また、中継基板３１は、フローセンサ２１からの検出信号を、各電気接続部３５に接続される各ワイヤ４１を介して流量測定部（不図示）に出力する。
【００４２】
さらに、図１及び図６に示すように、中継基板３１は、配管１１の外周面の、フローセンサ２１が固定される第１領域とは異なる領域である第２領域に、例えば接着剤７１Ｃを介して固定される。また、中継基板３１は、フローセンサ２１とは分離されて配管１１の外周面に固定されている。具体的には、中継基板３１は、温度センサ２１Ａ、及び、ヒータ２１Ｂが固定された、配管１１の外周面の領域とは異なる領域に固定されている。なお、中継基板３１は、フローセンサ２１とは分離されて配管１１の外周面に固定されるが、フローセンサ２１からの検出信号を中継可能なように、少なくとも中継基板３１は、各フローセンサ２１と各ワイヤを介して電気的に接続されている。
【００４３】
図１に示すように、中継基板３１には、切り欠きＮが設けられており、フローセンサ２１が切り欠きＮに位置するように構成されている。具体的には、中継基板３１には、複数の切り欠きＮ１及びＮ２が設けられており、温度センサ２１Ｂは、一の切り欠きＮ２に位置し、ヒータ２１Ａは、他の一の切り欠きＮ１に位置するように構成される。切り欠きＮの数には制限はなく、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。
【００４４】
なお、ワイヤ３３及び４１は、電気信号を伝達することができる材料を含んで構成されていればよく、例えば、金ワイヤや銅ワイヤ等の金属ワイヤが挙げられるが、これに限られない。ベース基板１０１の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１０３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ2)等が使用可能である。また、測温抵抗素子１０４及び１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能であり、これらは、リソグラフィ法等により形成可能である。
【００４５】
センサ筐体６１は、フローセンサ２１を格納する部材である。また、継手部材５１は、図１に示すように、配管１１の少なくとも一つの端部に接続されており、配管１１Ａと配管１１Ｂとを接続し、配管１１Ａと配管１１Ｃとを接続する部材である。図１に示すように、配管１１の少なくとも一つの端部は、継手部材５１によりセンサ筐体６１に固定されている。なお、継手部材５１は、例えば、セラミック、プラスチック、ステンレス等で構成される。
【００４６】
（比較参考例）
図７は、本発明の効果をよりよく理解するための参考例を説明する図である。特に、図７は、参考例（従来例）としての流量計の構成例を示す断面図である。図７に示すように、従来の流量計２００は、例示的に、配管２１１と、センサ２２１と、センサ２２１をワイヤ２８１で電気的に接続されたプリント基板２３１と、センサ２２１を格納するセンサ筐体２６１と、を備えて構成されている。
【００４７】
図７に示すように、センサ２２１には、プリント基板２３１が重りのように下方向から接着されている。また、センサ２２１は、絶縁膜２０３がキャビティ２０２を覆う部分である、薄膜状の断熱性ダイアフラムを備えている。ここで、センサ２２１に振動や衝撃等の負荷がかかる場合、センサ２２１と配管２１１との接着部分Ｓ（図７において丸で示した部分）には、当該負荷に応じた応力が加わる。そして、ダイアフラム部分は薄膜状であり機械的強度が低いので、当該ダイアフラム部分に振動や衝撃等の負荷に応じた応力が加わると当該ダイアフラム部分に、より具体的には、センサの断線が発生するおそれがある。以上のとおり、図７に示すような流量計においては、振動や衝撃等の負荷により、センサと配管との接着部分が破損、つまり、センサの断線が発生しやすいという問題があった。
【００４８】
（実験結果）
図８は、本発明の効果を説明するグラフである。特に、図８は、流量計に対して行った、衝撃試験及び組付試験の結果を示す図である。
【００４９】
衝撃試験とは、流量計に対して、例えば図４及び図７に示すＸ，Ｙ，Ｚ方向のそれぞれに少なくとも三回ずつ最大５０Ｇの衝撃を加えた場合の、センサにおける、センサと配管との接着部分の破損状況を試験するものである。図８に示すように、従来の流量計に対して、上記衝撃試験を４回行ったところ、２回もセンサの断線（破損）が発生した。他方、本発明の流量計については、上記衝撃試験を１０回行ったところ、本発明のフローセンサは一度も破損することがなかった。
【００５０】
組付試験とは、センサをセンサ筐体に組み付ける場合の、センサにおける、センサと配管との接着部分の破損状況を試験するものである。図８に示すように、従来例のセンサに対して上記組付試験を１３回行ったところ、２回もセンサの断線（破損）が発生した。他方、本発明のフローセンサについては、上記組付試験を３０回行ったところ、一度も本発明のフローセンサは一度も破損することがなかった。
【００５１】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る流量計１においては、フローセンサ２１及び中継基板３１が配管１１の外周面上の異なる領域に分離されて固定される。よって、中継基板３１がフローセンサ２１に対して重りのように作用することはないので、振動や衝撃等の負荷に対する耐性を向上できる。
【００５２】
（他の実施形態）
上記した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するものではない。また、上記した実施形態は、あくまでも例示であり、上記で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施形態を組み合わせる等）して実施することができる。
【００５３】
上記各実施形態においては、測定装置として流量計、センサとしてフローセンサを例に挙げて説明したが、これに限られず、配管の外壁にセンサを設置して構成される測定装置であればよく、例えば、測定装置として熱量計、センサとして熱量センサであってもよく、測定装置として温度計、センサとして温度センサであってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１        流量計
１１      配管
２１      フローセンサ
２１Ａ    ヒータ
２１Ｂ    温度センサ
３１      中継基板
３３，４１      ワイヤ
３５，１０９      電気接続部
５１      継手部材
６１      センサ筐体
７１      熱伝導性接着剤
１０１    ベース基板
１０２    キャビティ
１０３    絶縁膜
１０４，１０７    測温抵抗素子
【図１】
2017101955.tif 000003
【図２】
2017101955.tif 000004
【図３】
2017101955.tif 000005
【図４】
2017101955.tif 000006
【図５】
2017101955.tif 000007
【図６】
2017101955.tif 000008
【図７】
2017101955.tif 000009
【図８】
2017101955.tif 000010