JP2016125919A - 測定装置の製造方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供すること。【解決手段】本発明の一側面に係る測定装置の製造方法は、基板と前記基板上に配置されるセンサ部とを備える環境センサを配管の外壁に固定して構成される測定装置の製造方法において、前記基板上の領域であって前記センサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、前記センサ部と前記外壁との間に隙間が形成されるように前記スペーサーを介して前記環境センサを前記配管に設置する工程と、前記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、流体の流量を正確に測定可能な測定装置の製造方法および測定装置に関する。

従来、被測定流体の流量変化を検出するフローセンサとして、少なくとも１つの温度センサ及び熱源が組み込まれてなる半導体モジュールを有する、液体用のフローセンサにおいて、液体を導くパイプを具備し、前記半導体モジュールは前記パイプの外面に設けられており、前記温度センサ及び前記熱源は前記パイプの外面と熱的接触していることを特徴とするフローセンサが知られていた（特許文献１）。

特表２００３−５３２０９９号公報

しかしながら、特許文献１のフローセンサにおいて、半導体モジュールはパイプの外壁に液体状の接着剤で接着されており、当該接着剤の厚さ制御が困難で当該厚さにバラつきが生じる。

ここで、接着剤の厚みはセンサ感度に大きく影響する。一般的に接着剤の厚みが厚くなるほどセンサ感度が低下し、流体の流量を測定することができないおそれがある。

そこで、本発明は、流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することを目的の一つとする。

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、基板と前記基板上に配置されるセンサ部とを備える環境センサを配管の外壁に固定して構成される測定装置の製造方法において、前記基板上の領域であって前記センサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、前記センサ部と前記外壁との間に隙間が形成されるように前記スペーサーを介して前記環境センサを前記配管に設置する工程と、前記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含む。

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、基板と前記基板上に配置されるセンサ部とを備える環境センサを配管の外壁に固定して構成される測定装置において、前記センサ部と前記外壁との間に隙間が形成されるように、前記基板上の領域であって前記センサ部が配置されている領域以外の領域に設置されたスペーサーを介して前記環境センサが前記配管に設置されており、前記隙間を少なくとも埋めるように充填剤が付着されている。

本発明によれば、測定装置の製造方法が、環境センサの基板上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、上記センサ部と配管の外壁との間に隙間が形成されるように上記スペーサーを介して上記環境センサを上記配管に設置する工程と、上記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含むことによって、充填剤の厚さが均一になるように制御し、且つ、充填剤の厚さを環境センサのセンサ感度を向上させる程度に薄く制御することができるので、流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る環境センサのセンサ出力と流量との相関関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した図である。同図（ａ）は、接着シートがフローセンサに設置された後の状態を示した図である。同図（ｂ）は、接着シートを介してフローセンサが配管に設置された後の状態を示した図である。同図（ｃ）は、図２のフローセンサの構成例を示す概略図であり、フローセンサのセンサ部と配管の外壁との間に形成された隙間に充填剤が付着された後の状態を示した図である。 本発明の実施形態に係る配管が曲面外壁を有する場合において、接着シートを介してフローセンサが配管に設置された後の状態を示した図である。 本発明の他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。 本発明の他の実施形態に係るフローセンサの図５のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に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。また、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。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」という。

（発明原理）
上記したとおり、環境センサを配管の外壁に液体状の接着剤で接着する場合、当該接着剤の厚さ制御が困難で当該接着剤の厚さにバラつきが生じるおそれがある。

図１は、本発明の実施形態に係る環境センサのセンサ出力（たとえば消費電力量）と流量との相関関係を示すグラフであり、特に、図１の特性（ａ）は、環境センサを配管に固定するための接着剤の厚さが５μｍである場合の環境センサのセンサ出力と流量との相関関係を示しており、図１の特性（ｂ）は、環境センサを配管に固定するための液体状の接着剤の厚さが５０μｍである場合の環境センサのセンサ出力と流量との相関関係を示している。特性（ａ）および特性（ｂ）を比較すれば明らかなように、接着剤の厚みはセンサ感度に大きく影響する。すなわち、接着剤を薄くすると、センサ感度が向上し、接着剤を厚くすると、センサ感度は低下する。

単に当該接着剤の厚みを増加させると、上記のとおり、センサ感度は劣化し、流体の流量を測定することができないおそれがある。

一方で、たとえば、環境センサを配管に直接固定する場合、上記配管の外壁と環境センサのセンサ部とが接触し、上記センサ部が破損・損傷してしまい流量の流量を測定することができないおそれがある。

そこで、本願発明者は、鋭意研究の結果、上記のような問題を解決する測定装置の製造方法として、環境センサの基板上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、上記センサ部と配管の外壁との間に隙間が形成されるように上記スペーサーを介して上記環境センサを上記配管に設置する工程と、上記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含む、測定装置の製造方法を開発した。その結果、充填剤の厚さが均一になるように制御することができ、且つ、充填剤の厚さを環境センサのセンサ感度を向上させる程度に薄く制御することができるので、流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することができる。

以下、上記原理に鑑み本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る流量計の概略図である。図２に示すように、流量計１（測定装置）は、例示的に、配管１１と、配管１１内を流れる流体の流量を測定するフローセンサ５１（環境センサ）と、を備えて構成されている。

フローセンサ５１は、配管１１内を流通する流体の流量を測定する。図２に示すように、フローセンサ５１は、たとえば基板１０１に形成される、絶縁膜１０３のキャビティ１０２を覆う部分であるダイアフラムを当該基板１０１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。また、図２に示すように、フローセンサ５１は、フローセンサ５１の後述するセンサ部と配管１１の外壁との間に隙間が形成されるように、基板１０１上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域に設置されたスペーサー（たとえば、接着シート３１）を介して配管１１に設置されており、上記隙間を少なくとも埋めるように充填剤４１が付着されている。ここで、センサ部は、例示的に、フローセンサ５１が配管１１内を流通する流体の流量を測定するために備える一以上のヒータと、一つ以上の抵抗素子とを備える手段である。

接着シート３１は、接着性のシート状の部材であり、その厚さは、たとえば５μｍ程度である。このように、接着シート３１は、フローセンサ５１と配管１１とを約５μｍ厚で（仮）固定可能であるため、液体状の接着剤よりも薄く且つ均一の厚さにおいて採用可能である。

充填剤４１は、後述するように、フローセンサ５１のセンサ部と配管１１の外壁との間に形成される隙間Ａを少なくとも埋めるように充填されるものであり、たとえば、エポキシ系接着剤などである。

（製造工程）
図３は、本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した図である。同図（ａ）は、接着シートがフローセンサに設置された後の状態を示した図である。同図（ｂ）は、接着シートを介してフローセンサが配管に設置された後の状態を示した図である。同図（ｃ）は、図２の流量計の構成例を示す概略図であり、フローセンサのセンサ部と配管の外壁との間に形成された隙間に充填剤が付着された後の状態を示した図である。

本発明の一実施形態に係る流量計１は、以下の工程を経て生産される。
まず、図３（ａ）に示すように、基板１０１上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域に接着シート３１を設置する（工程１）。
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜１０３のキャビティ１０２を覆う部分であるダイアフラムに配置されるセンサ部と配管１１の外壁との間に隙間Ａが形成されるように接着シート３１を介してフローセンサ５１を配管１１に設置する（工程２）。
次に、図３（ｃ）に示すように、上記隙間Ａを少なくとも埋めるように充填剤４１を付着する（工程３）。

工程１において、基板１０１上の領域であってセンサ部が配置されている領域とは、たとえば、一以上のヒータと、一以上の抵抗素子とが配置されている領域であって、ダイアフラムに形成されている領域である。

ここで、工程１において、接着シート３１を基板１０１上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域にのみ設置する理由は、基板１０１上の絶縁膜１０３の全面に設置し後述する工程２を実行する場合、上記したとおり接着シート３１の厚さは約５μｍであるシート状の部材であるため、非常に薄く耐圧性が低い上記ダイアフラムに圧力がかかり、上記ダイアフラムが割れるのを防ぐためである。

工程２において、配管１１が曲面外壁を有する場合は、以下の点について特に留意する必要がある。

図４は、本発明の実施形態に係る配管が曲面外壁を有する場合において、接着シートを介してフローセンサが配管に設置された後の状態を示した図である。図４に示すように、接着シート３１を介してフローセンサ５１を配管１１に設置する場合、センサ部Ｓと配管１１の外壁との間に隙間Ａが形成されるためには、接着シート３１の高さｄ１とセンサ部Ｓの高さｄ２との関係が、ｄ１＞ｄ２を満たし、センサ部Ｓにおける絶縁膜１０３から配管１１の外壁までの距離ｄ３とセンサ部Ｓの高さｄ２との関係が、ｄ３＞ｄ２を満たす必要がある点に留意する。

ここで、接着シート３１の接着力が低い場合は、工程２は、フローセンサ５１と配管１１とを接着シート３１を介して仮固定する工程をさらに含み、そして、工程３は、接着剤である充填剤４１を硬化させ、配管１１にフローセンサ５１を固定（本固定）する工程をさらに含む。このように、接着シート３１の接着力が低い場合は、接着シート３１を用いてフローセンサ５１と配管１１とを仮固定し、吸着力の強い接着剤である充填剤４１を用いて、フローセンサ５１と配管１１とを本固定する。

また、接着シート３１の接着力が高い場合は、工程２において、フローセンサ５１と配管１１とを接着シート３１を介して本固定することができ、充填剤４１として接着剤を採用すれば、フローセンサ５１と配管１１との接着強度を高めることができる。

（効果）
本実施形態によれば、測定装置の製造方法が、環境センサの基板上の領域であってセンサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、上記センサ部と配管の外壁との間に隙間が形成されるように上記スペーサーを介して上記環境センサを上記配管に設置する工程と、上記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含むことによって、充填剤の厚さが均一になるように制御し、且つ、充填剤の厚さを環境センサのセンサ感度を向上させる程度に薄く制御することができるので、流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することができる。

（他の実施形態）
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。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

図５は、本発明の他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は、本発明の他の実施形態に係るフローセンサの図５のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。図５及び図６に示すように、フローセンサ１５１は、キャビティ１１２が設けられた基板１１１と、基板１１１上にキャビティ１１２を覆うように配置された絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３に設けられたヒータ１１４と、ヒータ１１４より上流側に設けられた上流側測温抵抗素子１１５と、ヒータ１１４より下流側に設けられた下流側測温抵抗素子１１６と、上流側測温抵抗素子１１５より上流側に設けられた周囲温度センサ１１７と、を有している。

ここで、センサ部は、例示的に、ヒータ１１４と、上流側測温抵抗素子１１５と、下流側測温抵抗素子１１６と、を備える手段をいう。

絶縁膜１１３のキャビティ１１２を覆う部分は、断熱性のダイアフラムを構成している。周囲温度センサ１１７は、配管１１を流通する被測定流体の温度を測定する。ヒータ１１４は、キャビティ１１２を覆う絶縁膜１１３の略中心に配置されており、配管１１を流通する被測定流体を、周囲温度センサ１１７が計測した温度よりも一定温度高くなるように加熱する。上流側測温抵抗素子１１５はヒータ１１４より上流側の温度を検出するために用いられ、下流側測温抵抗素子１１６はヒータ１１４より下流側の温度を検出するために用いられる。ここで、センサ部は、たとえば、フローセンサ１５１の絶縁膜１１３に配置されており、センサ部は、絶縁膜１１３から上方に突出するように構成されてもよいし、絶縁膜１１３に埋め込まれるように構成されてもよい。

ここで、配管１１内における被測定流体の流量が零の場合、ヒータ１１４で加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子１１５の温度と下流側測温抵抗素子１１６の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子１１５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１１６の電気抵抗は等しくなる。これに対し、配管１１内における被測定流体が上流側から下流側へと流通している場合、ヒータ１１４で加えられた熱は下流方向に運ばれる（運搬効果）。従って、上流側測温抵抗素子１１５の温度よりも下流側測温抵抗素子１１６の温度が高くなり、上流側測温抵抗素子１１５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１１６の電気抵抗との間に差が生じる。この電気抵抗の差は、配管１１内を流通する被測定流体の速度や流量と相関関係があることが知られている。このため、上流側測温抵抗素子１１５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１１６の電気抵抗との差に基づいて、配管１１内を流通する被測定流体の速度や流量を測定（算出）することができる。

なお、フローセンサ１５１においては、たとえば上記ダイアフラムにスリットが形成されており、液体接着剤を付着するとキャビティ１１２内に当該接着剤が入り込む可能性があり、更にキャビティ１１２内を密封してしまうことで圧力キャンセルが出来ず、センサ特性に影響を及ぼす可能性が高くなる。そこで、本実施形態においては、フローセンサ１５１において上記ダイアフラムのスリットのない部分であって、上記センサ部上に当該接着剤を付着・充填することにより、液体接着剤を用いる場合であっても、流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することができる。
また一方で、上記ダイアフラムにおけるスリット上に液体接着剤を塗布した場合であっても、液体接着剤の物性（たとえば粘度・表面張力・濡れ性等）やスリット形状によっては、スリットからキャビティ１１２内に液体接着剤が入り込むことを防ぐことができる。このように、本実施形態において、フローセンサ１５１が上記ダイアフラムにスリットが形成された構造を備え、上記ダイアフラムにおけるスリット上に液体接着剤を塗布した場合であっても、液体接着剤の物性および／またはスリット形状に応じて流体の流量を正確に測定可能な測定装置を提供することができる。

上記各実施形態においては、測定装置として流量計、環境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、たとえば、熱量計や温度計などであってもよい。

また、スペーサーは接着シート３１に限定されず、上記のような隙間Ａを形成可能な部材であればよい。この場合、スペーサーの厚さは、充填剤４１の厚さがフローセンサ５１，１５１のセンサ感度を低下させない程度に薄くなるように調整されている。

ここで、スペーサーが全く接着力を有さない部材である場合、スペーサーを用いて、フローセンサ５１，１５１と配管１１とを（仮）固定することができないため、フローセンサ５１，１５１と配管１１とを（仮）固定可能な他の部材を用いて、これらを（仮）固定したのち、吸着力の強い接着剤である充填剤４１を用いて、フローセンサ５１，１５１と配管１１とを本固定するように構成してもよい。

１ 流量計
１１ 配管
３１ 接着シート
４１ 充填剤
５１，１５１ フローセンサ
１０１，１１１ 基板
１０２，１１２ キャビティ
１０３，１１３ 絶縁膜
１１４ ヒータ
１１５ 上流側測温抵抗素子
１１６ 下流側測温抵抗素子
１１７ 周囲温度センサ

Claims (3)

1. 基板と前記基板上に配置されるセンサ部とを備える環境センサを配管の外壁に固定して構成される測定装置の製造方法において、
   前記基板上の領域であって前記センサ部が配置されている領域以外の領域にスペーサーを設置する工程と、
   前記センサ部と前記外壁との間に隙間が形成されるように前記スペーサーを介して前記環境センサを前記配管に設置する工程と、
   前記隙間を少なくとも埋めるように充填剤を付着する工程と、を含む、
   測定装置の製造方法。
2. 前記スペーサーは、接着シートであり、
   前記充填剤は、接着剤であり、
   前記環境センサを前記配管に設置する工程は、前記環境センサと前記配管とを前記接着シートを介して仮固定する工程をさらに含み、
   前記充填剤を付着する工程は、付着した前記接着剤を硬化させ、前記配管に前記環境センサを固定する工程をさらに含む、
   請求項１に記載の測定装置の製造方法。
3. 基板と前記基板上に配置されるセンサ部とを備える環境センサを配管の外壁に固定して構成される測定装置において、
   前記センサ部と前記外壁との間に隙間が形成されるように、前記基板上の領域であって前記センサ部が配置されている領域以外の領域に設置されたスペーサーを介して前記環境センサが前記配管に設置されており、
   前記隙間を少なくとも埋めるように充填剤が付着されている、
   測定装置。