JP2016125896A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状部材の強度を向上でき、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置を容易に製造し提供すること。
【解決手段】本発明の一側面に係る測定装置は、管状部材１１と、前記管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように前記外周面に配置される補強部材２１と、前記管状部材１１の外周面に配置される環境センサと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状部材の強度を向上でき、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置に関する。

従来、ガスや空気等の被測定流体の流量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接着剤を介して設けられており、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

特許文献１のフローセンサにおいて、パイプを他のパイプや部材と接合する際に、何らかの継手部材と接続する。このとき、当該継手部材により固定される際に当該パイプに圧力がかかり、パイプ肉厚が薄いと、パイプの破損または変形などが生じてしまう。

ここで、センサ感度を向上させるためには、パイプの外壁に接着されている半導体モジュールに含まれる熱源の熱を効率よくパイプ内部に伝える必要がある。そうすると、当該半導体モジュールの設置位置（領域）におけるパイプ肉厚が厚い場合は、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。

また、特許文献１のフローセンサにおいては、半導体モジュールの設置位置におけるパイプ肉厚を機械的に加工している。しかしながら、当該パイプ肉厚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、また、パイプの内外径精度が低いと加工後のパイプ肉厚にバラつきが生じ、センサ特性に影響を与えるおそれがある。このように、パイプ肉厚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。

そこで、本発明は、管状部材の強度を向上でき、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置を容易に製造し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、管状部材と、前記管状部材の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように前記外周面に配置される補強部材と、前記管状部材の外周面に配置される環境センサと、を備える、測定装置。

本発明によれば、測定装置が管状部材の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように外周面に配置される補強部材と、管状部材の外周面に配置される環境センサと、を備えることによって、上記管状部材の強度を補強することができ、且つ、上記環境センサのセンサ感度の劣化を防止することができるので、管状部材の強度を向上でき、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置を容易に製造し提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る流量計の側面断面図である。 図１のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。 本発明の第１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３のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の第１実施形態に係る流量計の製造工程を示した図である。図５（ａ）は、管状部材に補強部材が配置される工程を示した図である。図５（ｂ）は、管状部材に補強部材が配置された後、管状部材にフローセンサが配置される工程を示した図である。図５（ｃ）は、管状部材にフローセンサが配置された後の状態を示した図である。 図５に示す製造工程におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向またはＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。図６（ａ）は、図５（ａ）における製造工程１−（Ａ）後の状態を示した図であり、図５に示す製造工程１−（Ａ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図６（ｂ）は、図５（ａ）における製造工程１−（Ｂ）後の状態を示した図であり、図５に示す製造工程１−（Ｂ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図６（ｃ）は、図５（ｂ）における製造工程２後の状態を示した図であり、図５（ｃ）のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。 図５（ａ）における製造工程１−（Ｂ）後の状態を示した図であり、管状部材に配置する一以上の補強部材に一以上の溝が形成されている場合の図である。 本発明の第２実施形態に係る流量計の側面断面図である。

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。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量計の側面断面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。図１および図２に示すように、流量計１（測定装置）は、例示的に、管状部材１１と、補強部材２１と、継手部材と、管状部材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）（図２においては不図示）と、センサ筐体７１と、を備えて構成されている。フローセンサ５１からの検出信号は、図示しない処理回路によって処理されるようになっている。

管状部材１１は、流体を通過させる管状の部材をいい、たとえば、流体の圧力、温度変化に耐え得る所定の内径、肉厚、長さを有する剛構造部材であり、セラミックス、プラスチック、ステンレスなどで構成される。なお、管状部材１１の肉厚は、熱伝導の障害に殆どならない程度に薄い（例えば、数十μｍ）。

センサ筐体７１は、フローセンサ５１を格納する部材である。また、継手部材は、図１に示すように、例示的に、ボディ部材４１、フェラル部材４３，４７、およびナット部材４５，４９を備えて構成されており、管状部材１１の少なくとも一つの端部に接続されており、管状部材１１とチューブ１５などの他の管状部材等とを接続する部材である。
たとえば、図１に示すように、継手部材のフェラル部材４３は管状部材１１および後述する補強部材２１を覆うようにボディ部材４１に挿入され、ナット部材４５をボディ部材４１に取り付けることにより当該フェラル部材４３は当該ボディ部材４１に押し込まれる。このように、継手部材は、管状部材１１および補強部材２１の少なくとも一つの端部を締める。
また、たとえば、図１に示すように、継手部材のフェラル部材４７はチューブ１５を覆うようにボディ部材４１に挿入され、ナット部材４９をボディ部材４１に取り付けることにより当該フェラル部材４７は当該ボディ部材４１に押し込まれる。このように、継手部材は、チューブ１５の少なくとも一つの端部を締める。さらに、図１に示すように、継手部材において管状部材１１および補強部材２１と、チューブ１５とはスペースＳを空けて配置されているが、スペースＳを空けず管状部材１１および補強部材２１と、チューブ１５とを直接接続するように構成してもよい。
管状部材１１の少なくとも一つの端部は、継手部材によりセンサ筐体７１に固定されている。なお、継手部材が備える各部材は、たとえば、セラミック、プラスチック、ステンレスなどで構成される。

補強部材２１は、管状部材１１の強度を補うため接着剤３１を介して管状部材１１に配置される部材である。図１および図２に示すように、補強部材２１は、たとえば、管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように上記外周面に配置される。また、補強部材２１は、継手部材により覆われている、管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面に配置されている。

フローセンサ５１は、管状部材１１内を流通する流体の流量を測定する。図１に示すように、フローセンサ５１は、補強部材２１に形成された開口Ｏに配置され、そして、管状部材１１の外周面に極力接近して配置される。

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、図３のＩＩ−ＩＩ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、キャビティ１０２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に設けられたヒータ１０４と、ヒータ１０４より上流側に設けられた上流側測温抵抗素子１０５と、ヒータ１０４より下流側に設けられた下流側測温抵抗素子１０６と、上流側測温抵抗素子１０５より上流側に設けられた周囲温度センサ１０７と、を有している。

絶縁膜１０３のキャビティ１０２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１０７は、管状部材１１を流通する被測定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、管状部材１１を流通する被測定流体を、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。上流側測温抵抗素子１０５はヒータ１０４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１０６はヒータ１０４より下流側の温度を検出するために用いられる。

本実施形態では、フローセンサ５１は、管状部材１１の外周面に接して配置されており、上記したとおり、管状部材１１の肉厚は、熱伝導の障害に殆どならない程度に薄い（例えば、数十μｍ）ので、ヒータ１０５に加えられた熱は管状部材１１内を流れる被測定流体に及ぼされ、被測定流体の温度が上流側測温抵抗素子１０５や下流側測温抵抗素子１０６によって検出されるようになっている。ここで、管状部材１１内における被測定流体の流量が零の場合、ヒータ１０４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１０５の温度と下流側測温抵抗素子１０６の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗は等しくなる。これに対し、管状部材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、上流側測温抵抗素子１０５の温度よりも下流側測温抵抗素子１０６の温度が高くなり、上流側測温抵抗素子１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗との間に差が生じる。この電気抵抗の差は、管状部材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１０５の電気抵抗と下流側測温抵抗素子１０６の電気抵抗との差に基づいて、管状部材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、基板１０１の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１０３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)等が使用可能である。キャビティ１０２は、異方性エッチング等により形成される。また、ヒータ１０４、上流側測温抵抗素子１０５、下流側測温抵抗素子１０６及び周囲温度センサ１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能であり、これらは、リソグラフィ法等により形成可能である。

このように、管状部材１１はフローセンサ５１で検出可能な程度に薄いので機械的強度が低い。そこで、本実施形態では補強部材２１が強度を補償している。また、補強部材２１が設けられた端部で継手部材が管状部材１１をセンサ筐体７１に固定しているので、管状部材１１にストレスを加えず、チューブ１５の中途に流量計１を取り付け可能である。

（製造工程）
本発明の第１実施形態に係る流量計の製造工程を図５及び図６を用いて説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係る流量計の製造工程を示した図である。図５（ａ）は、管状部材に補強部材が配置される工程を示した図である。図５（ｂ）は、管状部材に補強部材が配置された後、管状部材にフローセンサが配置される工程を示した図である。図５（ｃ）は、管状部材にフローセンサが配置された後の状態を示した図である。
図６は、図５に示す製造工程におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向またはＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。図６（ａ）は、図５（ａ）における製造工程１−（Ａ）後の状態を示した図であり、図５に示す製造工程１−（Ａ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図６（ｂ）は、図５（ａ）における製造工程１−（Ｂ）後の状態を示した図であり、図５に示す製造工程１−（Ｂ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図６（ｃ）は、図５（ｂ）における製造工程２後の状態を示した図であり、図５（ｃ）のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。

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５（ａ）に示すように、管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように補強部材２１を上記外周面に配置する（工程１）。
次に、図５（ｂ）に示すように、フローセンサ５１を管状部材１１に配置する（工程２）。

工程１において、たとえば付着装置２００により付着される接着剤３１を介して、各補強部材２１Ａ，Ｂ，Ｃを管状部材１１に配置する。たとえば、補強部材２１Ａを管状部材１１に配置する工程１−（Ａ）、補強部材２１Ｂを管状部材１１に配置する工程１−（Ｂ）、および補強部材２１Ｃを管状部材１１に配置する工程１−（Ｃ）について、工程１−（Ａ）、工程１−（Ｂ）、工程１−（Ｃ）の順で実施される。補強部材２１と管状部材１１との位置関係は、製造工程１−（Ａ）後は、図６（ａ）に示す関係であり、製造工程１−（Ｂ）後は、図６（ｂ）に示す関係である。
このように、複数の補強部材２１を組み合わせて開口Ｏが設けられるように貼り合わせて管状部材１１に配置する。

なお、これらの工程は、不同であってもよい。また、各工程が同時に実施されてもよいし、少なくとも二つの工程が同時に実施され、他の工程が異なるタイミングで実施されてもよい。

さらに、上記では、補強部材２１は、補強部材２１Ａ，Ｂ，Ｃというように三つに分割されているように説明したが、補強部材２１の数に制限はなく、一つであってもよいし、二以上であってもよい。さらにまた、補強部材２１が二以上に分割されているほうが、一つの場合に比べて補強部材２１を管状部材１１に配置する工程を容易に実施できる。

ここで、補強部材２１を分割して提供することのメリットを説明する。
図７は、図５（ａ）における製造工程１−（Ｂ）後の状態を示した図であり、管状部材に配置する一以上の補強部材に一以上の溝が形成されている場合の図である。図７に示すように、管状部材１１に配置する一以上の補強部材２１に溝８０が形成されている。当該溝８０は、たとえば補強部材２１のある一端から他端に亘って連続的に形成されてもよく、非連続的に形成されてもよい。図７に示すように、管状部材１１に補強部材２１が配置され管状部材１１が補強されている領域において補強部材２１に溝８０が形成されることにより溝がない場合と比較して溝８０が熱絶縁の効果を持つことで、補強部材２１に熱が逃げる影響を低減できるため、センサ特性を向上させることができる。このように、溝８０が形成されている補強部材２１を管状部材１１に配置して測定装置１を製造する場合、補強部材２１が分割されていることで容易に当該測定装置１を製造することができる。

また、接着剤を介して補強部材２１を管状部材１１に配置する際に、当該補強部材２１に対して加重することが必要である場合、補強部材２１が一つである場合には補強部材２１に対して均一に加重することが困難であり適切に配置することができない場合であっても、補強部材２１が二以上であることで各補強部材２１に対して均一に加重することができ、各補強部材２１を適切に配置することが可能となる。

さらに、図５および図６に示すように、たとえば、管状部材１１の上半分全体を覆うように補強部材２１Ａを配置することで、管状部材１１のねじれや折れに対して補強することができる。

またさらに、付着装置２００は、接着剤３１を補強部材２１および管状部材１１に付着するように構成されてもよいし、補強部材２１および管状部材１１の少なくとも一方に付着するように構成されてもよい。

なお、上記では、接着剤３１を介して、各補強部材２１Ａ，Ｂ，Ｃを管状部材１１に配置する工程を説明したが、常に接着剤３１を用いる必要はなく、接着剤３１の代わりに、各補強部材２１Ａ，Ｂ，Ｃの管状部材１１への配置を補助する補助部材や取付部材などを用いることもできる。

工程２について、図５（ｂ）においては、複数の補強部材２１を組み合わせて開口Ｏが設けられるように貼り合わせて管状部材１１に配置されることにより形成された開口Ｏにフローセンサ５１を配置しつつ、当該フローセンサ５１を管状部材１１に配置する。図５（ｃ）に示すように、管状部材１１において、フローセンサ５１が配置される領域以外の領域についてはすべて補強部材２１で覆われるため、管状部材１１の強度を飛躍的に高めることができる。なお、図６（ｃ）に示すように、フローセンサ５１は管状部材１１に接着剤３１を介して配置されてもよいし、接着剤３１の代わりに、フローセンサ５１の管状部材１１への配置を補助する補助部材や取付部材などを用いることもできる。

（効果）
本実施形態によれば、測定装置が管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように外周面に配置される補強部材２１と、管状部材１１の外周面に配置される環境センサと、を備えることによって、上記管状部材１１の強度を補強することができ、且つ、上記環境センサのセンサ感度の劣化を防止することができるので、管状部材１１の強度を向上でき、且つ、流体の流量を正確に測定できる測定装置を容易に製造し提供することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面のみを覆うように補強部材２１が配置されている測定装置について説明する。なお、特に記述がない限り、前述した実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る流量計の側面断面図である。図８に示すように、流量計２において、管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面のみを覆うように補強部材２１が配置されている。

（効果）
上記のとおり、流量計２の補強部材２１は管状部材１１の少なくとも一つの端部の外周面のみを覆うように配置されており、第１実施形態の流量計１において用いられる補強部材２１よりも少量である。よって、本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、測定装置の製造コストを削減することができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記第１実施形態および第２実施形態に限定されることなく、種々に組み合わせることができ、変形して適用することが可能であり、各実施形態が有する各構成要素についても、種々に組み合わせることができ、変形して適用することが可能である。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５１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。

本発明は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
管状部材の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように前記外周面に補強部材を配置する工程と、
前記管状部材の外周面に環境センサを配置する工程と、を含む、
測定装置の製造方法。
（付記２）
複数の補強部材を開口が設けられるように前記管状部材の少なくとも一つの端部の外周面に配置する工程と、
前記開口に前記環境センサを配置する工程と、をさらに含む、
付記１に記載の測定装置の製造方法。

１，２ 流量計
１１ 管状部材
１５ チューブ
２１ 補強部材
３１ 接着剤
４１ ボディ部材
４３，４７ フェラル部材
４５，４９ ナット部材
５１ フローセンサ
７１ センサ筐体
１０１ 基板
１０２ キャビティ
１０３ 絶縁膜
１０４ ヒータ
１０５ 上流側測温抵抗素子
１０６ 下流側測温抵抗素子
１０７ 周囲温度センサ
２００ 付着装置

Claims (3)

1. 管状部材と、
   前記管状部材の少なくとも一つの端部の外周面を覆うように前記外周面に配置される補強部材と、
   前記管状部材の外周面に配置される環境センサと、を備える、
   測定装置。
2. センサ筐体をさらに備え、
   前記補強部材に覆われた前記端部が継手部材により前記センサ筐体に固定されている、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記環境センサは、前記補強部材に形成された開口に配置される、
   請求項１又は２に記載の測定装置。

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