計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.5, 35/40 (2004)

超 小 形 ・高 速 応 答 の流 量 センサの開 発
伊藤彰浩*

Development of Ultra-small and High-speed Response Flow Sensor
Akih iro ITO*

Re c e n tl y a s t he e le c t ro n ic pa r t s h a ve be co me sm all e r a n d s ma lle r, i n t he ab so r p tio n c he c k u si n gt he p re ss u re se ns o r, t h e p r e s su r e di f fe re n ce s a t t he t im e o f ab so r p ti on an d no n -a bs o rp t io n w a sve r y sma ll , a nd th e re w e r e i n co r r e c t d e te c ti o n p ro bl e ms .
To so l ve t he s e p ro ble ms , t he a dso r p t io n ch e c k w hi c h u se s t he flo w s en so r is be s t. A s fl o w r a te i sde c id ed b y t he d ia me te r o f an a d so r p tio n no z zl e a nd v a cu um p re ss u re , so if t he f lo w se ns o r w i t ht he fl o w r an g e su it ab l e f o r no z zle di ame te r i s use d , t he a dso r p t io n c he c k w ill b e pe r fo r m e dce r t ai nl y.
Th e n , t he fl o w se n so r wi t h u l t ra - sma ll d im en sio ns an d h i gh -s p ee d re s po nse wh i ch com bi ne s t heflo w pa t h s t r u c tu r e o f n ew p r o pos al w i th t he se nso r ch ip u si n g M E M S t e c hn o lo g y wa s de ve lo pe d.
K e y w o r ds : flo w s e n so r, ul t ra - sm all , h i gh -s p e e d, M E M S t e ch no l o gy, a ds o r p ti o n ch e c k,p re ss u re se ns o r

１．はじめに従来,マウンター,ボンダーに代表される,電子部品の実装工程において,部品の真空吸着搬送時の吸着確認には,圧力センサが用いられている．しかし近年,携帯電話・ノートパソコン等の普及によって,電子部品の小型化が進み,吸着ノズル径も小さくなり,吸引時にノズルを通して流入してくる流量が微量になるため,圧力センサを用いた吸着確認では,吸着時と非吸着（吸引）時の圧力差がわずかで誤検知してしまう問題点があった．
この問題点を解決するためには,流量センサを用いた吸着確認が最適である．流量は,吸着ノズル径と真空圧力により決まるため,吸引時にノズルを通して流入してくる流量が微量になった場合でも,ノズル径に合った流量レンジの流量セン
サを用いれば,確実に吸着確認ができる．しかし,吸着確認に流量センサを用いる場合,以下の事項が求められている．
・装置のタクトタイムを上げるため,高速応答であること．
・吸着ノズル付近の可動部に設置するため,超小形・軽量であること．
・各ノズル径に対応した流量レンジであること．
このような要求に対応するため,ＭＥＭＳ技術を用いたセンサチップと新提案の流路構造を組み合わせた,超小形で高速応答の流量センサを開発した．

た状態にする．よってセンサ部の熱容量がきわめて小さいため,高速応答で高感度が実現できた．
ElectrodeSensor part

Photo 1 Photograph of the sensor chip

２．２ 計測原理
計測原理を Fig.1 に示す．センサ部には,２つの温度センサがヒータを挟んで配置されている．温度センサの材質には,温度によって抵抗値が変化する,白金を用いている．ヒータに通電加熱すると,流れの無い場合は,温度分布がヒータを中心に対称となる．流れを受けた場合は,温度分布の対称性が崩れ,ヒータ上流側の温度は低下し,ヒータ下流側の温度は上昇する．この温度差は,温度センサの抵抗値の差となって現れ,流量によって変化する．また,逆方向に流れた場合は,温度差（抵抗値の差）が逆転する．この方式を用いると,双方向の流量を検知することができる．

２．構造
２．１ センサチップ
センサチップの外観を Photo 1 に示す．シリコンマイクロ加工技術を応用したセンサチップを採用することにより,超高速応答が実現した．
センサチップの大きさは,3×3.5mm で,シリコンウエハ上に窒化珪素で構成される保護膜と,白金で構成される抵抗パターンを形成し,シリコンの異方性エッチングにより,厚さ２μm のセンサ部をシリコン基板から浮い*ＣＫＤ（株） 愛知県小牧市応時 2-250
CKD Corporation(Received March 15, 2004)35計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.5, 35/40 (2004)<No flow>
Thermosensor 1<Flow>
Thermosensor 2Heater
R1Rh

Flow

R2

Sensor chip

Temperature distribution symmetrical

Symmetry is lost

ThermoResistance

ThermoResistance

R1

Sensor flow path

R2

R1

Photo 2 Photograph of the print circuit board

R25V

5V

Voltage

Voltage
R1

R1

Vout

Vout

2.5V

2.5V
R2

R2

Vout

Vout

Fig.1 Measurement principle
２．３ 流路構造
シリコンマイクロ加工技術を応用した流量センサは,他社からも発売されているが１）,本開発品の最大の特徴は,シリコンマイクロ加工されたセンサと新提案の流路構造の組み合わせである．
新提案の流路構造を Fig.2 に示す．Photo 2 のように溝加工した電子基板にセンサチップを実装し,センサチップと電子基板間にセンサ流路を構成する．また,Photo 3 のように0.3mm 厚のステンレス板を微細加工した整流板を,ボディ内に積み重ねることによって主流路を構成する．このような流路の構造により,以下の様な特性を実現できた．
・センサ流路と主流路のバイパス比により,フルスケール±50mL/min から±10L/min までの流量レンジを得られる．また,すべての流量レンジにおいて,センサ流路を通過する流量は同じであるため,流量に対する電気出力精度は同じである．
・整流板のメッシュ部により,センサ流路に流入する気体は整えられ,安定した出力が得られる．また,センサ内にゴミ等が流入してきた場合,メッシュ部がフィルタの役目をして,センサ部を保護する．
・整流板によりセンサ内部で流れを強制的に曲げているた
め,センサの上流側・下流側に直管部は不要である．

Seal packing

Sensor chip

Photo 3 Photograph of the rectifier
３．特性
３．１ 精度（直線性）
フルスケール（以下 F.S.）流量±0.05,0.1,0.5,1,5,10L/minの各流量レンジにおける出力特性を Fig.3 の試験配管で測定した．その結果を Fig.4〜9 に示す．このとき,流体の圧力は0.1MPa,周囲および流体の温度は 25℃で一定で,測定検体は各レンジ 10 個で行った．図中の流量の+（プラス）は順方向の流れ,−(マイナス)は逆方向の流れを示す．また,今回流量の測定に使用したデジタルマノメータは（株）コスモ計器製のDF-2800 で,測定した流量はすべて 20℃,1 気圧(101.3kPa)での体積流量に換算した値である．
いずれの流量レンジにおいても,直線性は良好で精度は±5%F.S.以内であった．この結果より,新提案の流路構成により,センサ流路と主流路のバイパス比がうまく設定でき,F.S.±0.05〜±10L/min までの流量レンジを得られることが分かった．

Sensor flow path
PCB

Pressure sensor

Environmental chamber

Digital manometer DF-2800
COSMO INSTRUMENT

ThermometerAir sourceRegulator

Tank

Measurement sample
Valve

Body
Main flow path

RectifierFig.3 Experimental setup of flow rate characteristics

Fig.2 Cross section of flow path

36

5.4

5.4

55

4.6

4.6

4.2

4.2

3.8

3.8

Analog output(V)Analog output (V)

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.5, 35/40 (2004)

3.4
32.6
2.2

3.4
3
2.6
2.2

1.8

1.81.4

1.4

1

1

0.6
-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0.6
00.01

0.02

0.03

0.04

0.05

-1-0.8-0.6-0.4

Flow rate （L/min)Fig.4 Accuracy (flow range:-0.05〜+0.05L/min)

0.2

0.4

0.6

0.8

1

5.4

55

4.6

4.6

4.2

4.2

3.8

3.8

Analog output(V)Analog output(V)0

Fig.7 Accuracy (flow range:-1〜+1L/min)

5.4

3.4
3
2.6
2.2

3.4
3
2.6
2.2

1.8

1.8

1.4

1.4

1

1

0.6
-0.1

0.6
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1

-5-4

-3-2

Flow rate （L/min)

-1

01

2

3

4

58

10

Flow rate （L/min)Fig.5 Accuracy (flow range:-0.1〜+0.1L/min)Fig.8 Accuracy (flow range:-5〜+5L/min)
5.4

5.4
55

4.6

4.6

4.2

4.2

3.8

3.8

Analog output(V)Analog output(V)-0.2

Flow rate （L/min)

3.4
3
2.6
2.2

3.4
3
2.6
2.2

1.8

1.8

1.4

1.4

1

1

0.6
-0.5

0.6

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-10Flow rate （L/min)-8-6-4-20246

Flow rate （L/min)Fig.6 Accuracy (flow range:-0.5〜+0.5L/min)Fig.9 Accuracy (flow range:-10〜+10L/min)37計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.5, 35/40 (2004)

Pressure sensor

３．２ 温度特性
F.S.流量±5L/min レンジにおいて,周囲および流体温度を0〜50℃に変えた場合の流量特性を Fig.10 に示す．試験配管は Fig.3 と同じで,このときの流体圧力は 0.1MPa で一定である．
この結果,周囲および流体温度が変化しても流量特性は安定しており,0 〜50℃の温度範囲において,温度特性は±0.2%F.S./℃以下（25℃基準）であった．
３．３ 圧力特性
F.S.流量±5L/min レンジにおいて,流体の圧力をゲージ圧で-0.09〜0.3MPa に変えた場合の流量特性を Fig.11 に示す．
正圧での試験配管は Fig.3 と同じで,負圧での試験配管をFig.12 に示す．このときの周囲および流体温度は 25℃で一定である．
この結果,圧力が変化しても流量特性は非常に安定しており,−0.09〜0.3MPa の圧力範囲において,圧力特性は±1%F.S.以下（0.1MPa 基準）であった．

Valve
Digital manometer DF-2800
COSMO INSTRUMENT

PumpRegulator

Measurement
sampleFilter

Fig.12 Experimental setup of negative pressure
characteristics
３．４ 応答速度
Fig.13 のような試験配管で,バルブを ON／OFF した時の流量センサの出力変化を Fig.14,15 に示す．測定検体は各 5個で行った．また,バルブから測定サンプルまでの配管は内径2.5mm,長さ 50mm である．
この結果,バルブ ON／OFF 時ともに,20msec 以下(90%応答)であった．
Pressure sensor
Regulator

Air source

Digital manometer DF-2800
COSMO INSTRUMENT

Tank

5.4
5Measurement
sampleFig.13 Experimental setup of response speed

4.6
4.2

5.5

3.8
0℃
15℃
25℃
35℃
50℃

3.4
3
2.6
2.2

5

Analog output (V)Analog output(V)

Valve

Thermometer

1.8
1.4
1

4.5
4
3.5

0.6
-5-4-3-2-10

1

2

3

453

Flow rate (L/min)

2.5

Fig.10 Temperature characteristics(flow range: -5〜+5L/min)-40 -20 0

20 40 60 80 100 120 140 160Time(ms)Fig.14 Response time at the time of Valve ON

5.45
4.6

5.5

3.8

5-0.09MPa-0.07MPa-0.05MPa-0.03MPa
0.1MPa0.2MPa0.3MPa

3.4
3
2.6
2.2

Analog output (V)Analog output（Ｖ）

4.2

1.8
1.4
1

4.5
4
3.5
3

0.6-5 -4 -3-2 -1 0 1
2
Flow rate（L/min）

34

5

2.5-80 -60 -40 -20 020 40 60 80 100 120

Time(ms)

Fig.11 Pressure characteristics(flow range: -5〜+5L/min)Fig.15 Response time at the time of Valve OFF38計測自動制御学会産業論文集Vol.3, No.5, 35/40 (2004)

この結果,1L/min レンジの再現性（繰り返し）は 1%F.S.
以下で,5L/min レンジは 2%F.S.以下であった．流量レンジが大きくなるほど再現性は悪くなるが,これは整流板による整流作用が悪くなるためであると考えられる．

３．５ 再現性（繰り返し性）
Fig.13 のような試験配管で,F.S.流量±1,5L/min のレンジにおいて,各流量における出力の安定性を Fig.16,17 に示す．
5.5

４．用途
４．１ 吸着確認①
開発した流量センサを実際に吸着確認で使用した場合の一例を示す． Fig.18 のような試験配管で,吸引→吸着→ブロー→吸引を繰り返した場合の,流量センサ（流量レンジ:±1L/min）と圧力センサの出力の比較を Fig.19 に示す．

Analog output(V)

54.5

1LM
O.8LM
0.6LM
0.4LM
0.2LM

43.5

Air source(20kPa)Pressure sensor

32.50204060Time(sec)

80Pump(-70kPa)

100Fig.18 Experimental setup of absorption check

5.5

３方弁が真空源側の場合,ノズルから空気が吸引されて,ノズル径と真空度から決まる流量が流れる．ノズル径 0.25,真空度−70kPa の時,流量は 0.5L/min となる．ノズルがワークに近づくと,ワークが吸着され,流量がゼロになる．このときの圧力差は 2kPa で,流量センサの方が圧力センサより出力差が大きく取れる．３方弁が圧力源側に切り換わった時,ワークはリリースされ,逆方向に一定流量 0.3L/min が流れる．流量センサでは,吸引・ブローの両方向の流量出力が取れる．吸着からブロー,ブローから吸引に切り替わるときに,流量特性にオーバーシュートが見られる．これは,３方弁が切り替わり,流量センサからノズルまでの配管内にエアが充填されたり,配管内から排気されたりするときに生じる過流量が原因である．
このオーバーシュートの大きさは,配管の内容積や圧力の変化量に依存する（吸引から吸着に切り替わるとき,圧力変化はわずかであるから,オーバーシュートは見られない）．

Analog output(V)

54.5

5LM
4LM3LM
2LM
1LM

43.5
3
2.5
20

4060Time(sec)Nozzle(φ0.25)

Electronic parts

Fig.16 Repeatability (flow range: -1〜+1L/min)

0Measurement sample
Valve

80

100

Fig.17 Repeatability (flow range: -5〜+5mL/min)

Abs orption

Suc tion

R eleas e (blow )Suc tion

Analog output(V)50.5L/m in

420kPa0L/m in3-0.3L/m in-70kPa

2-72kPa

10100

200

300

400

500

600

700

800

900

Tim e(msec)
Fig.19 Output comparison at the time of absorption check39

F low sensor
1000P ressure
1100 sensor
1200計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.5, 35/40 (2004)

このように吸着確認の場合,流量が安定するまでの応答時間は,配管条件により決まる．今回の測定結果では,圧力が安定するのと同時に流量出力が安定していることから,流量センサの応答が,圧力センサと同等であることが分かる．
以上の結果より,開発した流量センサは,圧力センサでは検出の難しい,ノズル径の小さい吸着確認に最適である．

参考文献
1)伊勢谷順一：次世代気体流速センサ（「マイクロフローセンサ」）とその応用製品の紹介 計測技術, 28-12 (2000)

４．２ 吸着確認②
流量はノズルの有効断面積に比例するため,吸着確認の他に,ノズルの目詰まりや,ワークの異常吸着の検知もできる．
Fig.20 は異常吸着時の出力の一例である．また,流量出力に直線性があるため,複数のノズルを一括管理することもできる．

伊藤彰浩 （正会員）
1994 年中部大学工学研究科修了
同年 ＣＫＤ（株）入社,現在に至る．
シリコンマイクロ加工技術を用いた流量センサの開発に従事．

[著 者 紹 介]

Absorption

SuctionAnalog output(V)

4.2
4NormalAbnormal

3.8
3.6
3.4
3.2
32.8-100-50

050

100
150Time(msec)

200250300

Fig.20 Output at the time of unusual absorption

５．まとめ
今回開発した流量センサの特長をまとめると以下のようになる．
① 超小形・軽量：長さ 33mm,幅 10mm,高さ 17mm の超小形,本体質量 8g の超軽量のため,ノズル付近の可動部に設置可能である．
② 超高速応答：応答速度 20msec 以下を実現,装置の高速タクトに対応できる．
③ 流 量 レ ン ジ ： フ ル ス ケ ー ル ± 50mL/min か ら ±10L/min まで 6 種類を用意．各ノズル径に対応できる．
また,低流量タイプは漏れ検査等にも使用できる．
④ 双方向検知：双方向検知のため,吸着・リリースの両方の確認ができる．
⑤ 質量流量：計測される流量は質量流量で,温度や圧力の影響を受けない．
⑥ 取付方向自由：上下左右どの方向にも取付ることができる．また上流側・下流側の直管部が不要である．
最後に,今回開発した流量センサは吸着確認の用途はもとより,幅広い分野で付加価値の高い機能を提供すると確信している．
今後は,整流機構の理論的解明を行っていきたいと考えている．

40