(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座と、この台座をケース内に封着する封着用ガラスとを備えたフローセンサにおいて、
前記台座を前記封着用ガラスより融点の高いガラス、セラミックス等によって形成し、この台座の上端部を前記封着用ガラスから突出させてその上面に前記流量検出素子を固着したことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のフローセンサにおいて、
台座の流量検出素子が固着されている上面に流路用溝を流体の流れ方向に沿って形成したことを特徴とするフローセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載のフローセンサにおいて、
台座の下端部が封着用ガラス内に位置し、外部に突出していないことを特徴とするフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量または流速を計測する熱式のフローセンサに関し、特に流量検出素子の取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量や流速を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている（例：特開平４−２９５７２４号公報、特公平６−２５６８４号公報、特開平８−１４６０２６号公報等）。
【０００３】
この種のフローセンサは、温度検出手段を備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面（上面）に固着することによりセンサを構成したものが一般的であり、計測する流体の流れに対して水平になるように設置されて使用される。水平な状態に設置して使用するのは、流量検出素子の近傍に渦が発生するのを防止するためである（渦が発生すると測定精度が低下する）。
【０００４】
台座の材料としては、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタイプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い材料であることが要求されることから、金属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出素子の水平な設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％の合金）が通常用いられる。
【０００５】
台座の固着面に対する流量検出素子の取付け方としては、通常素子を固着面に接着剤によって固着している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に応力が生じるため、素子自体が破損したり温度検出手段の電気的特性が劣化する。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するための方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造が、また応力集中の防止については例えば実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造が知られている。すなわち、実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとともに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一にし、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するようしたものである。このような取付構造によれば、突部と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って流下するため、部品の表面への付着を防止することができる利点がある。
【０００７】
一方、前記実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品との固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固着面に固着しないようにしたものである。このような取付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナー部への応力集中を防止することができる利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤により固着していた。しかし、このような取付構造では、固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果として、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じるからである。特に、コバールからなる金属製の台座を用い、封着用ガラスで封着したフローセンサの場合は、台座の熱容量、熱伝導率がガラス、セラミックス等に比べて大きいため、流量検出素子が外部環境の温度変化を受け易く、また流体の温度が変化したときに流量検出素子と台座の温度が流体の温度と等しくなるのに時間がかかる。
【０００９】
また、流体が台座に当たると流れが乱れて流量検出素子の近傍に渦が発生するため、正確な測定ができなくなるという問題もあった。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、比較的簡単な構造で台座からの熱的影響を緩和または遮断するとともに渦の発生を防止することができ、精度の高い測定を可能にしたフローセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座と、この台座をケース内に封着する封着用ガラスとを備えたフローセンサにおいて、前記台座を前記封着用ガラスより融点の高いガラス、セラミックス等によって形成し、この台座の上端部を前記封着用ガラスから突出させてその上面に前記流量検出素子を固着したものである。
第１の発明において、ガラスまたはセラミックスによって形成された台座は、コバールに比べて熱容量、熱伝導率が小さく、外部環境の温度変化による台座からの流量検出素子への熱的影響を少なくする。また、流体の温度が変化したとき、台座の温度も変化し速やかに流体の温度と等しくなる。
【００１２】
第２の発明は、上記第１の発明において、台座の流量検出素子が固着されている上面に流路用溝を流体の流れ方向に沿って形成したものである。
第２の発明において、流路用溝は流体が通過することにより台座による流体の乱れを少なくする。したがって、渦の発生も少ない。また、台座と流量検出素子との接触面積を少なくし、流量検出素子と流体との接触面積を増大させる。
【００１３】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、台座の下端部が封着用ガラス内に位置し、外部に突出していないものである。
第３の発明において、台座は下端部が封着用ガラス内に位置しているので、外部環境の温度変化を受け難い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同フローセンサの断面図、図３は流量検出素子と台座の斜視図である。
【００１５】
これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、ケース２内に封着用ガラス３によって封着された複数本のリードピン４および台座５と、この台座５の封着用ガラス３から突出する上面に固着された流量検出素子６等で構成されている。
【００１６】
前記ケース２は、熱膨張係数が小さい金属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形成され、基端部の外周面に突起９付きのフランジ１０が一体に設けられ、このフランジ１０が流体１１を流す配管１２の内壁にシール部材１３を介して密接され、ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。
【００１７】
前記封着用ガラス３は、前記ケース２の内部全体にわたって封着されている。封着用ガラス３としては、例えば融点１０００℃のガラスが用いられる。
【００１８】
前記リードピン４は、ケース２と同様にコバール等によって形成され、上端部が前記封着用ガラス３を貫通してケース２の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス３を貫通し、かつ配管１２の孔１４から外部に突出し、図示しない外部コードに接続される。
【００１９】
前記台座５は、コバールに比べて熱容量および熱伝導率が小さく、かつ融点が前記封着用ガラス３の融点より高い材料（例えば、融点２０００℃のガラスセラミックス）によって前記流量検出素子６と略同一の大きさからなる微小な角柱状（またはチップ状）に形成され、ケース２の中心線上に位置するように下端部が前記封着用ガラス３に封着され、上端部が封着用ガラス３の上方に突出している。また、台座５の上面には、流路用溝１５と４つの凸部１６が設けられ、これらの凸部１６の上面が前記流量検出素子６の固着面１６ａを形成している。すなわち、流量検出素子６は、凸部１６の上面に固着されるものである。凸部１６は、すべて同一高さで、固着面１６ａが台座５の軸線に対して略垂直な平坦面に形成されている。
【００２０】
前記流路用溝１５は、台座５の４つの辺の中央に開放するように十字状に形成され、この溝部以外の部分が前記凸部１６を構成し、台座５の上面の四隅部にそれぞれ位置している。
【００２１】
前記台座５の表面に形成される流路用溝としては、図３に示した十字状の通路用溝１５に限らず、図４に示すように台座５の上面に対角線方向に形成した直線状の通路用溝２０であってもよい。すなわち、図４に示した直線状の流路用溝２０は、台座５の一方の対角線上の角部に開放するように形成した溝で、流体１１の流れ方向と直交する対角線上の角部に三角柱からなる未加工部分をそれぞれ残し、これらの未加工部分を流量検出素子６が設置される凸部２１としている。
【００２２】
このような台座５は、１辺の長さＬが約１．５ｍｍ、高さＨが約１〜２ｍｍ程度で、前記ケース２の高さ（３．６ｍｍ程度）より低い。凸部１６の高さ（＝流路用溝１５の深さ）Ｈ1 は約０．７ｍｍ、凸部１６の一辺の長さＬ1 は０．３ｍｍ程度とされる。
【００２３】
台座５の製作に際しては、１つずつ製作することも可能ではあるが、それでは通路用溝１５（２０）の加工が面倒で製造コストが高くなることから、１枚の大きな素材を半導体チップの製造と同様に小さくダイシングすることにより複数個の台座５を同時に形成するようにするとよい。
【００２４】
図３において、前記流量検出素子６は、前記台座５上に載置され接着剤によって固着されるシリコン基板３１を有している。シリコン基板３１は、１辺の長さが１．７ｍｍ程度、厚さが０．５ｍｍ程度の正方形のチップ状に形成され、中央部分を下面中央部のエッチングによって薄肉化することによりダイアフラム３２を形成し、またこのダイアフラム３２の上面には傍熱型の温度検出手段３３を構成する１つの発熱体（抵抗ヒータ）３４と、２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さらに、シリコン基板３１の上面外周部には、複数の電極パッド３６と配線用金属薄膜３７が薄膜成形技術により前記発熱体３４、温度センサ３５Ａ，３５Ｂの形成と同時に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基板３１の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、発熱体３４と温度センサ３５Ａ，３５Ｂが電極パッド３６に配線用金属薄膜３７を介してそれぞれ電気的に接続されている。また、各電極パッド３６は、前記リードピン４にボンディングワイヤ３８（図２）を介して電気的に接続されている。
【００２５】
前記２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂは、発熱体３４を挟んで流体１１の上流側と下流側にそれぞれ配列されている。発熱体３４のパターン幅は１０〜１５μｍ、温度センサ３５Ａ，３５Ｂのパターン幅は５〜１０μｍである。
【００２６】
このような流量検出素子６を備えたフローセンサ１は、配管１２内に流量検出素子６の上面が流体１１の流れ方向（矢印方向）と平行になるように取付けられる。また、取付けに際しては、流体１１の流れを乱さないようにするために流路用溝１５（または２０）が流体１１の流れ方向と一致するように取付ける。図３に示した十字状の流路用溝１５の場合は、流量検出素子６の２つの対角線のうちのいずれか一方が流体１１の流れ方向と平行になるように、言い換えれば流路用溝１５が流体１１の流れ方向に対して略４５°の角度で交差するように、配管１２内に取付けることが望ましい。
【００２７】
このような構造からなるフローセンサ１において、通電によって発熱体３４を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体１１を図３の矢印方向に流すと、発熱体３４の上流側温度センサ３５Ａと下流側温度センサ３５Ｂの間に温度差が生じるので、図５に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または抵抗値差を検出することにより、流体１１の流速または流量を計測する。
【００２８】
ここで、図５に示す回路は２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂを含むブリッジ回路を用いて電圧出力を供給するものである。この場合、２つの温度センサ３５Ａ，３５Ｂを用いているので、その温度差により流体１１の流れの方向をも検出することができる。なお、Ｒ1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。
【００２９】
図６に上記構造からなるフローセンサ１の製作手順を示す。
フローセンサ１の製作は、図６（ａ）に示す焼成用治具６０を用いて行なう。焼成用治具６０は、ケース２が嵌合し得る多数の穴６２を有する第１の治具６１と、リードピン４が貫通する多数のピン用穴６４を有する第２の治具６３と、台座５の上端部が嵌合し得る多数の穴６６を有する第３の治具６５とで構成されている。
【００３０】
先ず、リードピン４を第２の治具のピン用穴６４に挿通して第１の治具６１を第２の治具６３の上に位置決めして載置し、各リードピン４の上端部を第１の治具６１の穴２内に位置させる（図６（ｂ））。次に、第１の治具６１の穴６２に封着用ガラス体６７をはめ込み、この封着用ガラス体６７に設けられている挿通孔に前記リードピン４の上端部を挿入する。封着用ガラス体６７は、粉末のガラスをプレスで成形して仮焼成することにより、所要の大きさの形状に形成されたものである（図６（ｃ））。
【００３１】
次に、第１の治具の穴６２にケース２を挿入し、封着用ガラス体６７に嵌合する（図６（ｄ））。次に、第３の治具６５の穴６６に台座５の上端部を嵌合して下端部を下方に突出させる。そして、第３の治具６５を第１の治具６１の上に位置決めして重ね合わせ、台座５の下端部を封着用ガラス体６７の中央に設けた穴６８に差し込む（図６（ｅ））。
【００３２】
次いで、重ね合わされた第１、第２、第３の治具６１，６３，６５を焼成炉に入れて封着用ガラス体６７を台座５の融点より低い温度（例：約１０００℃）で一定時間加熱溶融することにより、図２に示した封着用ガラス３とし、リードピン４と台座５をケース２内に封着する。このとき、台座５は封着用ガラス３より融点が高い材料で形成されているので、軟化または溶けて形状が変化するおそれはない。しかる後、焼成用治具６０を焼成炉から取り出して第１、第２、第３の治具６１，６３，６５を分離すると、リードピン４と台座５が封着用ガラス３によってケース２内に封着された半製品が得られる。
【００３３】
次に、台座５の凸部１６の固着面１６ａに流量検出素子６を載置してボンディング剤により固着し、リードピン４と流量検出素子６の電極パッド３６をボンディングワイヤ３８によって電気的に接続し、もってフローセンサ１の製作を終了する。
【００３４】
上記した構造からなるフローセンサ１は、台座５を封着用ガラス３より融点が高いガラス、セラミックス等によって形成し、封着用ガラス３によってケース２と台座５を封着しているので、コバール等の金属製の台座に比べて熱容量、熱伝導率が小さく、外部環境の温度が変化しても台座５の温度変化が少なく、流量検出素子６に対する熱的影響を少なくすることができる。また、台座５は上端部がケース２の上方に突出して流体１１中に位置し、下端部が封着用ガラス３内に位置して配管１２の外部に突出していないので、外部環境の温度変化を受け難く、流量検出素子６への熱的影響をより一層緩和または遮断する。したがって、流体１１の温度が変化したとき、台座５の温度も速やかに変化して流体の温度と等しくなる。また、流量検出素子６は、上面のみならず下面も流体１１に接しているので、流体１１との接触面積が大きく、流体１１の温度と等しい温度を保持する。さらに、台座５は流体１１が流入、通過する流路用溝１５（２０）を有しているので、台座５によって流体１１の流れに乱れが生じたり、渦が発生したりすることがなく、精度の高い測定を行うことができる。
【００３５】
なお、上記した実施の形態においては、発熱体３４から出た熱による流体１１の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサ３５Ａ，３５Ｂで検出する傍熱型のセンサを示したが、これに限らず流体１１により発熱体３４の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。また、温度センサは２つに限らず、１つであってもよい。要するに、流量検出素子７としては、流量または流速を計測し得るものであれば如何なるものであってもよい。
【００３６】
また、上記した実施の形態においては、台座５を角柱状に形成した例を示したが、これに限らず円柱状のものであってよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサは、ガラス、セラミック等からなる台座をケース内に封着用ガラスによって良好に封着することができ、また台座は金属製台座に比べて熱容量、熱伝導率が小さいので、外部の温度変化による流量検出素子に対する熱的影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができる。
【００３８】
また、台座の流量検出素子が設置される面に流路用溝を設けた発明においては、台座と流量検出素子との接触面積が小さく、流量検出素子と流体との接触面積が増大することから、流体の温度が急激に変化したときでも流量検出素子の温度が流体の温度に追従して変化し、速やかに流体の温度と等しくすることができる。さらに、流路用溝は台座による流体の流れの乱れを少なくするので、流量検出素子の周囲に渦が発生せず、より一層精度の高い測定を行うことができ、フローセンサの測定精度を向上させることができる。
【００３９】
さらに、台座の下端部を封着用ガラス内に位置させ、外部に突出させないように構成した発明においては、外部の温度変化を直接受けないため、流量検素子に対する熱的影響を一層緩和または軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】  同フローセンサの断面図である。
【図３】  流量検出素子と台座の斜視図である。
【図４】  台座の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】  流量検出素子の電気回路図である。
【図６】  （ａ）〜（ｅ）はフローセンサの製作手順を説明するための図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…ケース、３…封着用ガラス、４…リードピン、５…台座、６…流量検出素子、１１…流体、１５…流路用溝、１６…凸部、２０…流路用溝、２１…凸部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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