JP6535604B2 - 測定装置及び測定装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置及び測定装置の製造方法に関する。

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（配管）を備え、半導体モジュール（センサ）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（特許文献１の図１〜３）。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。

特表２００３−５３２０９９号公報

特許文献１のフローセンサにおいては、半導体モジュールはパイプの外壁に接着されている。ここで、パイプの外周面と内周面との距離であるパイプの厚みはセンサ感度に大きく影響する。一般的に、パイプ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。

上記したようなセンサの感度の低下を防止すべく、半導体モジュールを配置するパイプの外周面を研削等することで、パイプの厚みを薄く加工することが考えられる。しかしながら、この薄肉加工には多くのコストがかかる。

また、半導体モジュールの配置位置におけるパイプの厚みを機械的に加工する場合、パイプの加工面が損傷することによりパイプ強度が低下し、センサ特性に影響を与えるおそれがある。このように、パイプの厚みを機械的に調整することによって、流体の流量を正確に測定できるフローセンサを製造することは容易ではない。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。

そこで、本発明は、管状部材の強度を維持し、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置であって、低コストで製造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は、外周面の第１軸心に対し、内周面の第２軸心が平行に偏心する管状部材と、管状部材の外周面上に固定されるセンサと、を備え、管状部材の断面において、センサが管状部材に接触する部分から第２軸心までの長さが、第１軸心までの長さよりも短い。

上記測定装置において、センサが、管状部材の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定されてもよい。

上記測定装置において、センサが、管状部材の断面において第２軸心から外周面及び内周面に向かって延びる直線が内周面と交差する第１交差点と直線が外周面と交差する第２交差点との距離が最も短い場合の第２交差点に固定されてもよい。

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。

上記測定装置において、センサが、管状部材の内部を流れる流体の流速を測定してもよい。

上記測定装置において、センサが、管状部材の内部を流れる流体の流量を測定してもよい。

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、外周面の第１軸心に対し、内周面の第２軸心が平行に偏心する管状部材の外面上にセンサを固定する工程を含み、管状部材の断面において、センサが管状部材に接触する部分から第２軸心までの長さが、第１軸心までの長さよりも短い。

上記測定装置の製造方法において、管状部材を製造する工程をさらに含み、管状部材を製造する工程は、外周面の軸心に対し、内周面の軸心が平行に偏心する母材を延伸加工して管状部材を製造してもよい。

上記測定装置の製造方法において、センサが、管状部材の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定されてもよい。

上記測定装置の製造方法において、センサが、管状部材の断面において第２軸心から外周面及び内周面に向かって延びる直線が内周面と交差する第１交差点と直線が外周面と交差する第２交差点との距離が最も短い場合の第２交差点に固定されてもよい。

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。

上記測定装置の製造方法において、センサが、管状部材の内部を流れる流体の流速を測定してもよい。

上記測定装置の製造方法において、センサが、管状部材の内部を流れる流体の流量を測定してもよい。

本発明によれば、管状部材の強度を維持し、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置であって、低コストで製造可能な測定装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図である。 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。 本発明の実施形態に係るフローセンサの図３のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す底面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。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。

（構成）
図１及び図２に示す本発明の実施形態に係る測定装置の一例である流量計は、配管１１と、配管１１の外壁に取り付けられた、配管１１内を流れる流体の流量を測定するセンサであるフローセンサ５１と、を備える。なお、図１及び図２は、流量計を配管１１の延伸方向に対して垂直方向に切断した場合の断面図である。

配管１１（管状部材）は、流体を通過させる管状の部材であり、外周面ＯＰの軸心Ｓ１（第１軸心）に対し、内周面ＩＰの軸心Ｓ２（第２軸心）が平行に偏心するように構成されている。配管１１は、例えば、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、これらは使用条件に応じて決定される。配管１１の外径は、例えば数ｍｍである。配管１１は、例えばガラス等の材料で構成され、例えばガラスキャピラリーとして構成されてもよい。

フローセンサ５１（センサ）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測定手段である。フローセンサ５１は、配管１１の外周面上に固定される。例えば、配管１１の断面において、フローセンサ５１が配管１１に接触する部分Ｐから内周面ＩＰの軸心Ｓ２（第２軸心）までの長さｄｙが、外周面ＯＰの軸心Ｓ１（第１軸心）までの長さｄｘよりも短くなるように、フローセンサ５１は、配管１１の外周面上に固定される。図１においては、フローセンサ５１が、配管１１の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定される例が説明されているが、フローセンサ５１は、必ずしも、配管１１の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定される必要はなく、図２に示すように、フローセンサ５１は、長さｄｙが長さｄｘよりも短くなるように配管１１の外周面上に固定されればよい。

また、フローセンサ５１は、キャビティ１０２が設けられた基板１０１と、基板１０１を覆う絶縁膜１０３と、を備える。絶縁膜１０３は、センサ部１００と、電気接続部１０９と、を含み、キャビティ１０２を覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。フローセンサ５１は、例えば、基板１０１の下方向からキャビティ１０２を形成するバックサイドエッチングにより製造される。フローセンサ５１の具体的構成を図３及び図４を用いて説明する。

図３は、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は、本発明の実施形態に係るフローセンサの図３のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。図３及び図４に示すように、フローセンサ５１は、例示的に、キャビティ１０２（図４）が設けられた基板１０１と、基板１０１上にキャビティ１０２を覆うように配置された絶縁膜１０３と、絶縁膜１０３に設けられたセンサ部１００と、周囲温度センサ１０７と、センサ部１００が検出した物理量に対応する電気信号を出力する電気接続部１０９と、を備えて構成されている。

センサ部１００は、例示的に、絶縁膜１０３に設けられたヒータ１０４と、測温抵抗素子１０５，１０６と、を備えて構成される温度検出手段である。センサ部１００は、例えば、フローセンサ５１の絶縁膜１０３に配置されており、センサ部１００は、絶縁膜１０３から上方に突出するように構成されてもよいし、絶縁膜１０３に埋め込まれるように構成されてもよい。なお、センサ部１００は、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５，１０６の他、後述する周囲温度センサ１０７を備えて構成されてもよい。

周囲温度センサ１０７は、配管１１を流通する流体の温度を測定する。ヒータ１０４は、キャビティ１０２を覆う絶縁膜１０３の略中心に配置されており、配管１１を流通する流体を、周囲温度センサ１０７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。

なお、基板１０１の材料としては、例えば、シリコン(Ｓｉ)、ガラス、セラミック等が使用可能である。基板１０１は、例えば、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）として構成されてもよい。絶縁膜１０３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)や窒化ケイ素（ＳｉＮ）等が使用可能である。また、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、測温抵抗素子１０６及び周囲温度センサ１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能である。

電気接続部１０９は、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、及び測温抵抗素子１０６を含む各種抵抗素子に接続され、各抵抗素子の電気抵抗の情報を出力する手段である。電気接続部１０９は、例えば、図２に示すように基板１０１の対角関係にある角部近傍に配置されており、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、及び測温抵抗素子１０６の電気抵抗に対応する電気信号を、ワイヤ等（不図示）を介して取り出し流量測定部（不図示）に出力する。電気接続部１０９は、例えば、絶縁膜１０３に配置されており、センサ部１００は、絶縁膜１０３から上方に突出するように構成されてもよいし、絶縁膜１０３に埋め込まれるように構成されてもよい。

図５は、本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。特に、図５は、図３のフローセンサ５１の中心線Ｃに沿って配管が固定されて構成される流量計において図２のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。すなわち、図５は、配管と配管の外周面に取り付けられたフローセンサとを備える流量計を配管の軸心に沿って切断した場合の断面図である。なお、図５は、配管とフローセンサとが固定されている部分を拡大した概略断面図である。

図５に示すように、フローセンサ５１のセンサ部１００が、配管１１に熱的に接続されることによって、矢印Ａ１に示すとおり、センサ部１００のヒータ１０４の熱が配管１１内の流体に伝播する。次に、ヒータ１０４から伝播した熱によって変化した流体の熱が、矢印Ａ２で示す測温抵抗素子１０５への方向と、矢印Ａ３で示す測温抵抗素子１０６への方向に伝播する。この矢印Ａ１方向の熱の伝搬と矢印Ａ２，３方向の熱の伝搬とを合せて双方向に伝熱するという。配管１１内における流体が上流側から下流側へと流通している場合、ヒータ１０４で加えられた熱は下流方向に運ばれる（運搬効果）。従って、測温抵抗素子１０５の温度よりも測温抵抗素子１０６の温度が高くなり、測温抵抗素子１０５の電気抵抗と測温抵抗素子１０６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、測温抵抗素子１０５の電気抵抗と測温抵抗素子１０６の電気抵抗との差に基づいて、配管１１内を流通する流体の速度や流量を測定（算出）することができる。

ここで、配管１１の断面において、フローセンサ５１が配管１１に接触する部分Ｐから内周面ＩＰの軸心Ｓ２（第２軸心）までの長さｄｙが、外周面ＯＰの軸心Ｓ１（第１軸心）までの長さｄｘよりも短くなるように、フローセンサ５１を配管１１の外周面上に固定することにより、フローセンサ５１と、配管１１内の流体と、の間の熱伝導がよくなる。そのため、配管１１内を流通する流体の速度や流量を正確に測定することが可能となる。

（製造工程）
図６から図１１を用いて本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を説明する。図６乃至図８は、本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。特に、図６は、配管を製造するための配管母材を示した図である。図７は、配管母材を延伸加工した後の配管を示した図である。図８は、配管にフローセンサを固定した流量計を示した図である。図９から図１１は、配管と配管の外壁に取り付けられたフローセンサとを備える流量計を配管の軸心に垂直方向に切断した場合の断面図の拡大図である。

本発明の実施形態に係る流量計は、以下の工程を経て製造される。
（工程１）
まず、図６に示すように、外周面ＯＰｎの軸心Ｓｎに対し、内周面ＩＰｍの軸心Ｓｍが平行に偏心する、穴空き配管母材１０（母材）を形成する。配管母材１０の外径は、例えば５０ｍｍである。配管母材１０は、配管と同様に、例えばガラス等の材料で構成される。

なお、工程１において、事前に外周面ＯＰｎの軸心Ｓｎに対し、内周面ＩＰｍの軸心Ｓｍが平行に偏心する配管母材１０を納入することにより、工程１を省略し、工程２以降を実施してもよい。

（工程２）
図７に示すように、外周面ＯＰの軸心Ｓ１（第１軸心）に対し、内周面ＩＰの軸心Ｓ２（第２軸心）が平行に偏心する配管１１（管状部材）を製造する。例えば、図６に示す、外周面ＯＰの軸心Ｓｎに対し、内周面ＩＰの軸心Ｓｍが平行に偏心する配管母材１０を延伸加工して配管１１を製造する。

具体的には、電気炉内において、配管母材１０の軟化点（例えば、数千℃）より数百℃高い温度で配管母材１０を軟化させた後、軟化した配管母材１０を延伸加工することによって、外径が例えば数ｍｍの配管１１を製造する。なお、配管母材１０から所望の外径及び延伸方向長さの配管１１を得るために、最適な延伸温度及び延伸速度等を用いて均一に延伸加工することができる。

（工程３）
図８に示すように、配管１１の外周面ＯＰ上にフローセンサ５１（センサ）を固定する。

上記したとおり、フローセンサ５１は、配管１１の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定されている。例えば、図９に示すように、フローセンサ５１は、配管１１の外周面の軸心Ｓ１（第１軸心）及び内周面の軸心Ｓ２（第２軸心）に対して垂直である配管１１の垂直断面ＳＳにおいて軸心Ｓ２から配管１１の外周面ＯＰ及び内周面ＩＰに向かって延びる直線Ｌ１が内周面ＩＰと交差する交差点Ｐ１（第１交差点）と直線Ｌ１が外周面ＯＰと交差する交差点Ｐ２（第２交差点）との距離が最も短い場合のＰ２（第２交差点）に固定される。

他方、比較例として図１０に示すように、フローセンサ５１は、配管１１の断面方向厚さが最も厚くなる部分に固定される場合を挙げる。例えば、図１０に示すように、フローセンサ５１は、配管１１の外周面の軸心Ｓ１（第１軸心）及び内周面の軸心Ｓ２（第２軸心）に対して垂直である配管１１の垂直断面ＳＳにおいて軸心Ｓ２から配管１１の外周面ＯＰ及び内周面ＩＰに向かって延びる直線Ｌ１が内周面ＩＰと交差する交差点Ｐ１と直線Ｌ１が外周面ＯＰと交差する交差点Ｐ２との距離が最も長い場合のＰ４に固定される場合、フローセンサ５１が固定されているＰ４における、配管１１の断面方向厚さが厚くなるので、フローセンサ５１と配管１１内の流体との間の熱伝導が悪くなり、流体の流量を正確に測定できないおそれがある。したがって、図９に示すように、フローセンサ５１は交差点Ｐ２に固定されるのが好ましい。

なお、配管１１の外周面ＯＰと内周面ＩＰとの距離である配管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μｍ）なるように構成されている。

配管１１の外周面にフローセンサ５１を固定する方法は少なくとも以下の方法を含む。

例えば、フローセンサ５１を別途製造し、製造したフローセンサ５１を配管１１の外周面に設置し固定する方法がある。具体的には、フローセンサ５１の基板１０１上に配置されているセンサ部１００を少なくとも覆うように熱伝導性接着剤（不図示）を付着し、熱伝導性接着剤を介して基板１０１上に配置されているセンサ部１００を配管１１の外周面に設置し、当該熱伝導性接着剤を硬化させる。

なお、センサ部１００の表面のみ覆うように熱伝導性接着剤を付着してもよい。また、フローセンサ５１と配管１１とをより強固に固定するために、センサ部１００の表面のみ覆うように熱伝導性接着剤を付着した後、基板１０１上の絶縁膜１０３上に漏れ出す程度に熱伝導性接着剤をさらに付着してもよい。またさらに、熱伝導性接着剤は、センサ部１００の全てを必ずしも覆う必要はなく、フローセンサ５１から配管１１の壁を介して流体へ伝わる熱、及び、流体から配管１１の壁を介してフローセンサ５１へ伝わる熱を効率的に伝達できる程度にセンサ部１００を覆えばよい。

熱伝導性接着剤を硬化させる方法には、特に制限はない。例えば、熱伝導性接着剤を硬化させる方法として、光照射による硬化方法や加熱による硬化方法等があるがこれに限られない。例えば、熱伝導性接着剤が自然に硬化する場合は、熱伝導性接着剤を付着した後、所定期間放置することにより硬化させてもよい。なお、熱伝導性接着剤の接着力が低い場合には、例えば、フローセンサ５１を配管１１により強固に固定するためのなんらかの取り付け具（不図示）を用いてもよい。

なお、熱伝導性接着剤は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム等の金属粒子を含むペーストを含む。当該ペーストは、例えば、伝導性フィラーとバインダー樹脂とが混合されることにより得られる材料が含まれる。伝導性フィラーには、例えば、銀、銅、鉄、ニッケル等の金属微粉末、セラミック粒子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。

また、他の方法として、配管１１の外周面に所定のパターニング方法を行うことにより、フローセンサ５１の構成素子を直接形成し固定する方法が挙げられる。

図１１は、本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。図１２は、本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す底面図である。図１１及び図１２に示すように、白金(Ｐｔ)等を材料とするセンサ部１００及び周囲温度センサ１０７、並びに電気接続部１０９は、例えば、蒸着、スパッタリング等の薄膜形成方法や、リソグラフィー・ナノパターニング方法等を用いて配管１１の外周面に形成される。また、センサ部１００及び周囲温度センサ１０９の表面を保護する目的で、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）やフッ素系樹脂等を含む保護膜１１０を保護膜形成領域１１０Ｒに形成しても良い。センサ部１００及び周囲温度センサ１０９のそれぞれは、ワイヤ等を用いて各電気接続部１０９と接続される。

本実施形態によれば、フローセンサ５１は、配管１１の断面において、フローセンサ５１が配管１１に接触する部分Ｐから内周面ＩＰの軸心Ｓ２（第２軸心）までの長さｄｙが、外周面ＯＰの軸心Ｓ１（第１軸心）までの長さｄｘよりも短くなるように、配管１１の外周面上に固定される。よって、フローセンサ５１と、配管１１内の流体と、の間の熱伝導がよくなる。そのため、配管１１内を流通する流体の速度や流量を正確に測定することが可能となる。フローセンサ５１と、配管１１内の流体と、の間の熱伝導がよくなるので、配管１１の外周面を研削等で薄肉化する必要がなくなる。したがって、加工面損傷による強度低下は生じないし、低コストで製造できる。

（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。

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。

１ 流量計
１０ 配管母材
１１ 配管
５１ フローセンサ
１００ センサ部
１０１ 基板
１０２ キャビティ
１０３ 絶縁膜
１０４ ヒータ
１０５，１０６ 測温抵抗素子
１０７ 周囲温度センサ
１０９ 電気接続部

Claims (13)

1. 外周面の第１軸心に対し、内周面の第２軸心が平行に偏心する管状部材と、
   前記管状部材の外周面上に固定されるセンサと、
   を備え、
   前記管状部材の断面において、前記センサが当該管状部材に接触する部分から前記第２軸心までの長さが、前記第１軸心までの長さよりも短い、
   測定装置。
2. 前記センサが、前記管状部材の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定される、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記センサが、
   前記管状部材の断面において前記第２軸心から前記外周面及び前記内周面に向かって延びる直線が前記内周面と交差する第１交差点と前記直線が前記外周面と交差する第２交差点との距離が最も短い場合の前記第２交差点に固定される、
   請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 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３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記センサが、前記管状部材の内部を流れる流体の流速を測定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記センサが、前記管状部材の内部を流れる流体の流量を測定する、請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 外周面の第１軸心に対し、内周面の第２軸心が平行に偏心する管状部材の外周面上にセンサを固定する工程
   を含み、
   前記管状部材の断面において、前記センサが当該管状部材に接触する部分から前記第２軸心までの長さが、前記第１軸心までの長さよりも短い、
   測定装置の製造方法。
8. 前記管状部材を製造する工程をさらに含み、
   前記管状部材を製造する工程は、外周面の軸心と内周面の軸心とが平行に偏心する母材を延伸加工して前記管状部材を製造する、
   請求項７に記載の測定装置の製造方法。
9. 前記センサが、前記管状部材の断面方向厚さが最も薄くなる部分に固定される、請求項７又は８に記載の測定装置の製造方法。
10. 前記センサが、
    前記管状部材の断面において前記第２軸心から前記外周面及び前記内周面に向かって延びる直線が前記内周面と交差する第１交差点と前記直線が前記外周面と交差する第２交差点との距離が最も短い場合の前記第２交差点に固定される、
    請求項７から９のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
11. 前記管状部材がガラスキャピラリーである、請求項７から１０のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
12. 前記センサが、前記管状部材の内部を流れる流体の流速を測定する、請求項７から１１のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。
13. 前記センサが、前記管状部材の内部を流れる流体の流量を測定する、請求項７から１２のいずれか１項に記載の測定装置の製造方法。

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