JP2000028411A - 流量センサー及び流量検出装置 - Google Patents

流量センサー及び流量検出装置

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JP2000028411A
JP2000028411A JP10193424A JP19342498A JP2000028411A JP 2000028411 A JP2000028411 A JP 2000028411A JP 10193424 A JP10193424 A JP 10193424A JP 19342498 A JP19342498 A JP 19342498A JP 2000028411 A JP2000028411 A JP 2000028411A
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flow rate
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sensor
temperature
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JP10193424A
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Inventor
Shinichi Inoue
眞一 井上
Atsushi Koike
淳 小池
Toshiaki Kawanishi
川西  利明
Kiyoshi Yamagishi
喜代志 山岸
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答速度をより高速化し、測定精度をより高
精度とし、腐食、変形をも解消し、しかも、より小型化
し、製造コストも十分削減することができる流量センサ
ー及び流量検出装置を提供する。 【解決手段】 基板4の一端部に直接、発熱体9及び感
温体13を形成した流量検知部2と、基板4の一端部に
直接、感温体15を形成した温度検知部3と、出力端子
5,6とを有し、基板4の一部及び出力端子5,6の一
部をモールディングによる被覆部材7により被覆してな
る流量センサー1を設ける。流量センサー1をケーシン
グ52に穿設したセンサー挿入孔59に収容して流量検
出装置51を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、配管内を流れる気
体、液体等の流体の流量を測定するための流量センサー
及び流量検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、各種流体、特に液体の流量(又は
流速)を測定する流量センサー(又は流速センサー)と
しては、種々形式のものが使用されているが、低価格化
が容易であるという理由から、いわゆる熱式(特に傍熱
型)の流量センサーが幅広く使用されている。
【0003】その中でも、熱応答性に優れ、測定精度が
高く、小型かつ安価な傍熱型流量センサーとして、特開
平8−146026号公報に開示される薄膜素子を用い
た傍熱型流量センサーが知られている。この流量センサ
ー101は、図11に示すように、薄膜技術を利用して
基板102上に薄膜発熱体103と薄膜感温体104と
を絶縁層105を介して積層したものであり、図12に
示すように、配管106の適宜位置に設置されて使用さ
れる。
【0004】この流量センサー101では、発熱体10
3に通電することにより感温体104を加熱し、感温体
104の電気抵抗値の変化を検出する。ここで、流量セ
ンサー101は配管106に設置されているため、発熱
体103の発熱量の一部は基板102を介して配管内を
流れる流体中へと放逸され、感温体104に伝達される
熱量はこの放逸熱量を差し引いたものとなる。そして、
この放逸熱量は流体の流量に対応して変化するから、供
給される熱量により変化する感温体104の電気抵抗値
の変化を検出することによって、配管106内を流れる
流体の流量を測定できるということになる。又、前記放
逸熱量は流体の温度によっても変化するから、図12に
示すように、配管106の適宜位置に温度センサー10
7を設置し、感温体104の電気抵抗値の変化を検出す
る流量検出回路中に温度補償回路を付加して、流体の温
度による流量測定値の誤差をできるだけ少なくすること
も行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の流量セ
ンサー101は、金属製配管106に直接設置されてお
り、しかも、その金属製配管106は外気に露出してい
た。よって、熱伝導性が高い金属製配管106を介して
流体の保有する熱量が外気へと放逸され、又は、外気か
ら流体へと熱量が供給されやすく、流量センサー101
の測定精度を低下させる要因となった。特に、流体の流
量が微小である場合には、測定精度に与える影響が大き
く、流体の温度と外気の温度との差が大きい場合、流体
の比熱が小さい場合にあっては、さらにその影響は顕著
であった。
【0006】又、流体が比較的粘度の高い粘性流体であ
る場合には、配管106の横断面における流速は管壁近
傍部と中央部とで大きく異なり、その流速ベクトルは中
央部に極値を有する略放物線状を呈するようになる。よ
って、従来のように、管壁に基板102又はそれに接続
されたケーシング108を設置し、管壁近傍部のみの流
速を測定するのでは、中央部の流速が考慮されないた
め、流量の測定精度は低いものとならざるを得なかっ
た。尚、常温においては粘度が低い流体も温度が低下す
るにつれて粘度は上昇するため、上記のような問題を無
視することはできない。特に、流量が微小である場合に
は、粘度の影響は一層顕著であった。
【0007】さらに、流量センサー101は、地理的条
件、屋内外の別等種々異なった環境下で使用され、特
に、屋外では、季節的条件、昼夜の別等の要因も加わる
ため、外部環境による温度変化も考慮しなければならな
い。しかし、従来の流量センサー101は、このような
外部温度環境の影響を受けやすい構造であったため、流
量の測定値に誤差が大きく、幅広い外部温度環境下で精
度良く流量を検知することができる流量センサーが望ま
れていたのである。
【0008】そこで、本発明者等は、かかる従来におけ
る問題点を解消すべく、図13に示すように、基板20
2上に薄膜発熱体203と薄膜感温体204とを絶縁層
205を介して積層した流量検知部206を、L字型に
折曲したフィンプレート207の水平板部207a上に
載置した流量センサー201を開発した。そして、ケー
シング208内において、フィンプレート207の垂直
板部207bと流通管209の開口部との間にガラス2
10を充填して密封し、流量検知部206とフィンプレ
ート207の水平板部207a全体を合成樹脂211に
よって被覆し、密封するとともに固定する流量検出装置
212をも開発した。
【0009】この流量センサー201及び流量検出装置
212によって、外気への熱量放逸又は供給、管路横断
面における流速変化、外部温度環境の影響等に起因する
流量の測定精度の低下という問題は大幅に改善された。
【0010】しかし、流量検出装置212において、流
量センサー201の流量検知部206と合成樹脂211
とが直接接触しているため、感温体204の保有する熱
量が合成樹脂211へと流出又は流入されやすい。又、
流量検知部206は熱伝導性が良好な銀ペースト等の接
合材213によってフィンプレート207の水平板部2
07aに接合されているため、フィンプレート207を
伝達する熱量が接合材213を介して合成樹脂211へ
と流出又は流入されやすい。よって、流体の比熱が小さ
い場合、流量が少ない場合等にあっては、流量センサー
201の感度を低下させる虞れがある。
【0011】一方、フィンプレート207の垂直板部2
07bと流通管209の開口部との間はガラス210に
より熱伝達を遮断しているが、ガラス210を充填して
密封しているため、流体が流動することによりフィンプ
レート207が微小振動する等して、密封状態が不完全
となると、フィンプレート207を伝達する熱量が熱伝
達性の良好な金属製流通管209を介してケーシング2
08へと流出又は流入されやすい。よって、同様に、流
体の比熱が小さい場合、流量が少ない場合等にあって
は、流量センサー201の感度を低下させる虞れがあ
る。
【0012】さらに、上記流量センサー201は、流量
検知部206を接合材213によってフィンプレート2
07の水平板部207aに接合し、フィンプレート20
7の垂直板部207bと流通管209の開口部との間に
ガラス210を充填して密封し、流量検知部206とフ
ィンプレート207の水平板部207a全体を合成樹脂
211によって被覆し、密封する作業を必要とするた
め、ケーシング208への組み込みが面倒であるととも
に、固定状態も不安定であって耐久性に問題がある。
【0013】そこで、本発明者等は、さらに、上記問題
点を解消すべく、図14に示すように、基板上に発熱体
と感温体とを形成した流量検知部302をフィンプレー
ト303の一端面に銀ペースト等の接合材を介して固着
し、流量検知部302と出力端子304とをボンディン
グワイヤー305によって接続し、流量検知部302、
フィンプレート303の一部及び出力端子304の一部
をモールディング306により被覆した流量センサー3
01を開発した。
【0014】又、基板上に感温体を形成した温度検知部
312をフィンプレート313の一端面に銀ペースト等
の接合材を介して固着し、温度検知部312と出力端子
314とをボンディングワイヤー315によって接続
し、温度検知部312、フィンプレート313の一部及
び出力端子314の一部をモールディング316により
被覆した、前記流量センサー301と同様の構成を有す
る流体温度補償用の温度センサー311を開発した。そ
して、前記流量センサー301及び温度センサー311
をケーシングのセンサー挿入孔に挿入し、フィンプレー
ト303,313を被検知流体を流通させる流通管内に
垂下させた流量検出装置をも開発した。
【0015】この流量センサー、温度センサー及び流量
検出装置によって、流量センサー及び温度センサー各部
からケーシング及び外部へ放逸する熱量を極力少なくす
ることができ、流体の比熱が小さい場合、流量が少ない
場合等にあっても、流量を高精度に測定できるようにな
った。又、流量センサー及び温度センサーのケーシング
への組み込み作業は簡易となり、固定状態も安定とな
り、十分に耐久性を有する流量検出装置を実現化するこ
とができた。
【0016】しかし、上記流量センサー301、温度セ
ンサー311では、フィンプレート303,313、銀
ペースト等の接合材を介して流量検知部302、温度検
知部312に熱が伝達されるので、応答速度が若干遅か
った。又、樹脂モールドによっても外部への熱流出又は
流入を完全に阻止することはできず、銀ペースト等の接
合材の層厚も製造ロット毎に変動するため、測定精度も
若干悪かった。さらに、フィンプレート303,313
は、銅、銅−タングステン合金等からなり、厚さ200
μm、幅2mm程度の矩形薄板であるから、腐食した
り、変形し易かった。
【0017】又、上記流量検出装置では、流量センサー
と温度センサーの設置位置が異なり、流量測定位置と離
隔した位置で温度測定をしているため、温度補償の効果
が十分発揮されているとは言えず、測定精度の点で問題
があった。そして、流量センサー及び温度センサーを有
するため、センサー挿入孔を2つ穿設する必要があり、
組み込み作業もそれだけ時間を要するから、流量検出装
置をあまり小型化できないとともに、製造コストも十分
削減することができなかった。
【0018】本発明は、かかる問題点をも解消し、本発
明者等らが開発した流量センサー301及び流量検出装
置をさらに改良し、流量センサーの応答速度をより高速
化し、測定精度もより高精度とし、しかも、フィンプレ
ートの腐食、変形という問題点を解消した流量センサー
及び流量検出装置を提供することを目的とする。又、流
量検出装置をより小型化し、製造コストも十分削減する
ことができる流量センサー及び流量検出装置を提供する
ことをも目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の流量センサーは、薄膜リード線を形成した
基板と、この基板の一端部に直接、発熱体及び感温体を
形成した流量検知部と、前記基板の一端部に直接、感温
体を形成した温度検知部と、出力端子とを有し、前記流
量検知部、前記温度検知部及び前記薄膜リード線の一部
を被覆するように前記基板に耐水性、絶縁性を有する保
護膜を形成するとともに、前記基板の一部及び前記出力
端子の一部をモールディングによる被覆部材により被覆
してなるものである。
【0020】前記流量検知部及び温度検知部は、前記基
板の一端部の両側面に直接形成してもよい。又、前記基
板は、前記流量検知部を形成した基板と前記温度検知部
を形成した基板とを接着して、一体化したものであって
もよい。
【0021】そして、流量検知部の発熱体による熱の影
響をより低減するため、前記流量検知部と温度検知部と
は離隔させて形成するのが好ましい。
【0022】前記流量検知部及び温度検知部は、前記基
板の一端部の同一側面に直接形成してもよい。
【0023】そして、前記流量検知部と前記温度検知部
との間の熱伝達を阻止するため、前記基板の一端部にス
リットを形成するのが好ましい。
【0024】本発明の流量検出装置は、前記流量センサ
ーと、この流量センサーを収容するセンサー挿入孔を穿
設したケーシングと、前記センサー挿入孔に対応する位
置に開口部を形成した被検知流体を流通させる流通管と
を有するものである。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の流量センサー及び
流量検出装置の好適な実施形態について、図面を参照し
つつ説明する。
【0026】図1は、本発明の流量センサーの一実施例
を示す図であり、この流量センサー1は、流量検知部
2、温度検知部3、基板4、出力端子5,6及び被覆部
材7よりなる。
【0027】流量検知部2は、図2及び図3に示すよう
に、基板4の下端部の一側面に直接、絶縁層8、薄膜発
熱体9、電極層10,11、絶縁層12、薄膜感温体1
3を順次積層、形成したものである。
【0028】発熱体9は、膜厚1μm程度で所望形状に
パターニングしたサーメットからなり、電極層10,1
1は、膜厚0.5μm程度のニッケル、又はこれに膜厚
0.5μm程度の金を積層してなる。感温体13は、膜
厚0.5〜1μm程度で所望形状、例えば蛇行状にパタ
ーニングした白金、ニッケル等の温度係数が大きく安定
な金属抵抗膜、又は酸化マンガン系のNTCサーミスタ
ーからなる。絶縁層8,12は、膜厚1μm程度のSi
2 からなる。
【0029】温度検知部3は、図4及び図5に示すよう
に、基板4の下端部の他側面に直接、絶縁層14、薄膜
感温体15を順次積層、形成したものであり、絶縁層1
4及び感温体15の形状、材質は、流量検知部2におけ
ると同様である。
【0030】基板4は、シリコン、アルミナ、ガラス等
からなる厚さ600μm、幅2mm程度の矩形板であ
り、図1に示すように、流量検知部2及び温度検知部3
から上端部まで薄膜リード線16,17を形成してあ
る。
【0031】そして、基板4の下半部に膜厚1μm程度
のSiO2 、Al2 2 、SiN、ガラス、合成樹脂等
の耐水性、耐薬品性、絶縁性を有する保護膜18,19
を形成し、それぞれ、流量検知部2及び薄膜リード線1
6の下半部、温度検知部3及び薄膜リード線17の下半
部を被覆してある。
【0032】薄膜リード線16の上端部と出力端子5、
薄膜リード線17の上端部と出力端子6は、ボンディン
グワイヤー20,21によって接続してあり、基板4の
上半部及び出力端子5,6の下半部は、モールディング
による被覆部材7により被覆してある。
【0033】本発明の流量センサー1は、流量検知部2
及び温度検知部3を基板4の下端部の両側面に直接形成
したから、フィンプレート、銀ペースト等の接合材は不
要となり、被検知流体から保護膜18,19を介して直
ちに流量検知部2、温度検知部3に熱が伝達されるの
で、応答速度は極めて高速となる。
【0034】又、流量検知部2及び温度検知部3は被検
知流体内に位置し、被覆部材7から外部へ熱が流出又は
流入することはなく、銀ペースト等の接合材も不要であ
り、製造ロット毎の変動もないため、測定精度も極めて
高精度となる。
【0035】さらに、フィンプレートは不要であるか
ら、勿論のこと、この腐食、変形を考慮する必要もな
い。
【0036】又、流量検知部2及び温度検知部3を基板
4の下端部の両側面に直接形成したから、流量測定と温
度測定とを略同位置で実行することができ、温度補償の
効果が十分発揮され、測定精度をさらに向上させる。
【0037】図6は、本発明の流量センサーの他実施例
を示す図であり、この流量センサー31も、流量検知部
2、温度検知部3、基板32,33、出力端子5,6及
び被覆部材7よりなる。流量センサー31が流量センサ
ー1と相違するのは、流量検知部2を形成した基板32
と温度検知部3を形成した基板33とを接着材34によ
り接着して、一体化した点である。
【0038】流量センサー1,31では、基板4,3
2,33として熱伝導性の低い材料を使用しているが、
流量検知部2の発熱体7による熱の影響をより低減する
ため、図1及び図6に示すように、流量検知部2と温度
検知部3とは離隔させて形成するのが好ましい。
【0039】図7は、本発明の流量センサーの他実施例
を示す図であり、この流量センサー41も、流量検知部
2、温度検知部3、基板42、出力端子43,44及び
被覆部材7よりなる。流量センサー41が流量センサー
1と相違するのは、流量検知部2及び温度検知部3を基
板42の下端部の同一側面に形成して、一体化した点で
ある。
【0040】流量センサー41では、流量検知部2の発
熱体7による熱の影響を低減するため、図7に示すよう
に、基板42の下端部にスリット45を形成し、流量検
知部2と温度検知部3との間の熱伝達を阻止している。
スリット45は、ダイシングソーで研削することによ
り、又、基板42がシリコンからなる場合には、エッチ
ングにより形成することができる。
【0041】そして、流量検知部2及び温度検知部3か
ら上端部まで薄膜リード線46,47を形成し、基板4
2の下半部に耐水性、耐薬品性、絶縁性を有する保護膜
48を形成し、流量検知部2、温度検知部3及び薄膜リ
ード線46,47の下半部を被覆してある。
【0042】薄膜リード線46の上端部と出力端子4
3、薄膜リード線47の上端部と出力端子44は、ボン
ディングワイヤー49,50によって接続してあり、基
板42の上半部及び出力端子43,44の下半部は、モ
ールディングによる被覆部材7により被覆してある。
【0043】次に、本発明の流量検出装置を前記流量セ
ンサー1を装着した場合について説明する。図8、図9
及び図10に示すように、流量検出装置51は、ケーシ
ング52、流通管53、流量センサー1及び流量検出回
路基板54等よりなる。
【0044】ケーシング52は、塩化ビニル樹脂、ポリ
ブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンス
ルフィド(PPS)等の合成樹脂製で、本体部55及び
これに着脱自在な蓋体部56からなり、本体部55の両
端部は外部配管と接続するための接続部57,57と
し、本体部55内には流通管53を貫通させてある。本
体部55の上部にはセンサー挿入空間58を画成してあ
り、このセンサー挿入空間58から前記流通管53に向
かってセンサー挿入孔59を穿設してある。
【0045】流通管53は、銅、鉄、ステンス鋼等の金
属からなる円管であり、前記センサー挿入孔59に対応
する位置に開口部60を形成してある。
【0046】流量センサー1は、ケーシング52のセン
サー挿入空間58からセンサー挿入孔59に嵌挿され、
基板4の下半部は、流通管53の開口部60を挿通して
流通管53内に位置し、嵌挿時に、基板4の下端は、流
通管53の軸線より下方まで到達するようにしてある。
尚、流量センサー1とセンサー挿入孔59との間にはO
リング61を介在させ、これら間隙より流体が漏洩する
のを防止している。
【0047】流量センサー1を嵌挿した後、センサー挿
入空間58にセンサー押圧板62を挿入して流量センサ
ー1の被覆部材7の上面を押圧し、さらに、流量検出回
路基板54を装着する。
【0048】流量検出回路基板54は、流量センサー1
の出力端子5,6と電気的に接続されており(図示しな
い)、全体として、図10に示すような流量検出回路が
構成されている。直流電源63から供給される電圧が並
列接続された発熱体9とブリッジ回路64に印加され、
ブリッジ回路64中に配設された差動増幅器65の出力
として、流量を示す出力が得られるようになっている。
すなわち、流量検知部2においては、保護膜18を介し
て流体に放逸された熱量を発熱体9の発熱量から差し引
いた熱量を感温体13が検知し、一方、温度検知部3に
おいては、保護膜19を介して流体の保有する熱量を感
温体15が検知し、流体温度補償が実行されて、流体の
流量が精度良く検知されるのである。
【0049】本発明の流量検出装置51は、流量検知部
2と温度検知部3とを一体化した流量センサー1を有す
るから、センサー挿入孔を2つ穿設する必要はなく、組
み込み作業に要する時間も短縮でき、流量検出装置51
をより小型化し、製造コストも十分削減することができ
る。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量セン
サーによれば、被検知流体から保護膜を介して直ちに流
量検知部、温度検知部に熱が伝達されるので、応答速度
は極めて高速となる。
【0051】又、流量検知部、温度検知部は被検知流体
内に位置し、被覆部材から外部へ熱が流出又は流入する
ことはなく、しかも、製造ロット毎の変動もないため、
測定精度も極めて高精度となる。
【0052】さらに、本発明の流量センサーは、腐食、
変形の心配もなく、被覆部材により一体化し、センサー
挿入孔に嵌挿するだけであるから、ケーシングへの組み
込みは極めて簡単であり、固定状態も安定であって耐久
性の高いものである。
【0053】又、本発明の流量検出装置は、流量検知部
と温度検知部とを一体化した流量センサーを有するか
ら、組み込み作業に要する時間も短縮でき、流量検出装
置をより小型化し、製造コストも十分削減することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流量センサーの一実施例の(A)は正
面断面図、(B)は側面断面図である。
【図2】本発明の流量センサーの流量検知部の分解斜視
図である。
【図3】本発明の流量センサーの流量検知部の縦断面図
である。
【図4】本発明の流量センサーの温度検知部の分解斜視
図である。
【図5】本発明の流量センサーの温度検知部の縦断面図
である。
【図6】本発明の流量センサーの他実施例の(A)は正
面断面図、(B)は側面断面図である。
【図7】本発明の流量センサーの他実施例の(A)は正
面断面図、(B)は側面断面図である。
【図8】本発明の流量検出装置の正面断面図である。
【図9】本発明の流量検出装置の側面断面図である。
【図10】本発明の流量検出装置の流量検出回路図であ
る。
【図11】従来の流量センサーの流量検知部の(A)は
斜視図、(B)は断面図である。
【図12】従来の流量センサーを配管に設置した状態を
示す断面図である。
【図13】本発明者等が開発した流量検知部をフィンプ
レートに載置した流量センサー及びそれを設置した流量
検出装置の概略説明図である。
【図14】本発明者等が開発した流量センサーの(A)
は正面断面図、(B)は側面断面図である。
【図15】本発明者等が開発した温度センサーの(A)
は正面断面図、(B)は側面断面図である。
【符号の説明】
1,31,41 流量センサー 2 流量検知部 3 温度検知部 4,32,33,42 基板 5,6,43,44 出力端子 7 被覆部材 9 発熱体 13,15 感温体 16,17,46,47 薄膜リード線 18,19,48 保護膜 34 接着材 45 スリット 51 流量検出装置 52 ケーシング 53 流通管 59 センサー挿入孔 60 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川西 利明 埼玉県上尾市原市1333−2 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 (72)発明者 山岸 喜代志 埼玉県上尾市原市1333−2 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 Fターム(参考) 2F035 EA05 EA08

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 薄膜リード線を形成した基板と、この基
    板の一端部に直接、発熱体及び感温体を形成した流量検
    知部と、前記基板の一端部に直接、感温体を形成した温
    度検知部と、出力端子とを有し、前記流量検知部、前記
    温度検知部及び前記薄膜リード線の一部を被覆するよう
    に前記基板に耐水性、絶縁性を有する保護膜を形成する
    とともに、前記基板の一部及び前記出力端子の一部をモ
    ールディングによる被覆部材により被覆したことを特徴
    とする流量センサー。
  2. 【請求項2】 前記流量検知部及び温度検知部を前記基
    板の一端部の両側面に直接形成したことを特徴とする請
    求項1に記載の流量センサー。
  3. 【請求項3】 前記基板は、前記流量検知部を形成した
    基板と前記温度検知部を形成した基板とを接着して、一
    体化したものであることを特徴とする請求項1又は2に
    記載の流量センサー。
  4. 【請求項4】 前記流量検知部と前記温度検知部とを離
    隔させて形成したことを特徴とする請求項1乃至3に記
    載の流量センサー。
  5. 【請求項5】 前記流量検知部及び温度検知部を前記基
    板の一端部の同一側面に直接形成したことを特徴とする
    請求項1に記載の流量センサー。
  6. 【請求項6】 前記基板の一端部にスリットを形成し、
    前記流量検知部と前記温度検知部との間の熱伝達を阻止
    したことを特徴する請求項5に記載の流量センサー。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至6に記載の流量センサー
    と、この流量センサーを収容するセンサー挿入孔を穿設
    したケーシングと、前記センサー挿入孔に対応する位置
    に開口部を形成した被検知流体を流通させる流通管とを
    有する流量検出装置。
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