KR20160041980A

KR20160041980A - 열식 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR20160041980A
Application number: KR1020167005783A
Authority: KR
Inventors: 아키라 사사키
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-04-18
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: US10041823B2; KR102176442B1; JP2015034748A; CN105452818A; US20160178420A1; CN105452818B; JP6217226B2; WO2015019863A1

Abstract

열식 질량 유량계의 히터 엘리먼트의 입출력 단자로서 기능하는 용접 단자에 있어서, 히터 엘리먼트를 구성하는 발열 저항선의 단부와의 스폿 용접에 의한 전기적 접속의 신뢰성을 높이고, 또한, 스폿 용접 장치의 전극과의 용착을 효과적으로 방지하는 것. 용접 단자를 구성하는 재료를 발열 저항선의 융점과의 온도차가 100℃를 초과하지 않는 융점을 갖는 금속 또는 합금으로 하고, 용접 단자의 표면에 1층 또는 2층 이상의 피복층을 형성한다. 피복층은, Ni로 구성된 하지 피복층과 Au로 구성된 표면 피복층이 바람직하다.

Description

열식 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치{THERMAL MASS FLOW METER AND MASS FLOW CONTROL DEVICE}

본 발명은, 유체의 질량 유량의 측정에 사용되는 열식 질량 유량계 및 열식 질량 유량계가 내장된 질량 유량 제어 장치에 관한 발명이다.

질량 유량 제어 장치(매스 플로우 컨트롤러)는, 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 프로세스 가스의 공급량을 제어할 목적으로 널리 사용되고 있다. 질량 유량 제어 장치는, 질량 유량을 모니터링하는 질량 유량계, 질량 유량을 제어하는 제어 밸브 및 제어 회로 등으로 구성되어 있다. 질량 유량계에는 다양한 종류가 있지만, 그 중에서도 열식 질량 유량계는, 원리적으로 질량 유량을 정확하게 계측할 수 있다고 하는 특징을 갖는다. 이로 인해, 열식 질량 유량계는, 질량 유량 제어 장치에 내장되어 사용되는 질량 유량계로서 널리 보급되어 있다.

도 1은, 열식 질량 유량계의 센서부의 구조를 도시하는 모식도이다. 열식 질량 유량계의 센서부(1)는, 유체가 내부를 유동하는 센서 튜브(2)와, 센서 튜브(2)의 외주에 설치된 발열 저항선으로 이루어지는 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)와, 발열 저항선의 단부가 스폿 용접에 의해 전기적으로 접속된 복수의 용접 단자(5)로 구성되어 있다. 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)에 전류를 흐르게 함으로써, 센서 튜브(2)의 내부를 유동하는 유체가 가열된다. 유체가 상류측으로부터 하류측을 향해 유동하면, 그것에 수반하여 유체에 가해진 열도 상류측으로부터 하류측을 향해 이동하므로, 센서부(1)의 온도 분포가 변화되고, 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)의 전기 저항이 변화된다. 이 전기 저항의 변화를 계측함으로써, 센서 튜브(2)의 내부를 유동하는 유체의 질량 유량을 검지할 수 있다.

상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)를 구성하는 발열 저항선의 단부는, 복수의 용접 단자(5)의 표면과 스폿 용접에 의해 각각 전기적으로 접속된다. 용접 단자(5)에는, 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)에 전류를 공급하거나 전기 저항값의 변화를 계측하기 위한 도선(7)이 또한 전기적으로 접속된다. 이와 같이 하여, 용접 단자(5)는 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)에 전류를 공급하거나 전기 저항값의 변화를 계측하거나 하기 위한 입출력용 단자로서 기능한다. 용접 단자(5)에는, 일반적으로, 가공이 용이하고 전기 전도도가 높은 인청동 등이 사용된다.

일반적인 전기적 접속에 사용되는 용접 단자에 관해서는, 스폿 용접에 의한 전기적 접속을 안정적으로 행할 수 있는 용접 단자의 구성이 종래부터 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 용접 단자와 평형 전선의 도체를 스폿 용접에 의해 접속할 때에 압박판을 사용하여 항상 일정한 가압력으로 용접 단자를 도체에 압박하도록 하고, 과대 전류는 압박판에 접속된 어스에 흐르게 하도록 함으로써, 도체와 용접 단자의 접촉 저항을 안정시켜, 항상 양호한 스폿 용접을 행하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 사용되고 있는 용접 단자는, 인청동제의 기재의 표면에 하지층으로서 두께 1.5㎛의 니켈 도금이 실시되고, 또한 그 위에 두께 1㎛의 금 도금이 실시된 것이다.

또한, 예를 들어, 특허문헌 2에는, 황동제의 기재에 하지층으로서 니켈 도금이 실시되고, 또한 그 위에 주석 도금이 실시된 용접 단자를 42 합금제의 리드 프레임에 스폿 용접할 때에, 용접 단자의 도금층의 일부를 제거하여 기재가 노출된 상태에서 리드 프레임에 스폿 용접함으로써, 기재와 리드 프레임의 양쪽에 융합부를 형성시켜, 용접 박리를 효과적으로 방지하는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 평5-166575호 공보 일본 특허 공개 제2008-218189호 공보

열식 질량 유량계의 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)를 구성하는 발열 저항선에는, 후술하는 바와 같이, Fe(철)-Ni(니켈) 합금선을 적절하게 사용할 수 있다. 그러나, Fe-Ni 합금선을 예를 들어 인청동제의 용접 단자에 스폿 용접하는 경우에는, 스폿 용접의 용접 조건을 최적화하려고 해도 적절한 용접을 행할 수 있는 용접 조건을 찾아내는 것이 곤란하거나, 접속이 불충분하기 때문에 발열 저항선을 인장하면 용접 단자로부터 간단히 박리되어 버리거나 한다고 하는 문제가 발생하는 경우가 있다.

또한, 접속의 강도를 높일 목적으로 용접 조건을 변화시키면, 가령 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접이 양호하게 이루어졌다고 해도, 용접 단자의 일부가 용융되어 스폿 용접 장치의 전극(이하 단순히 「전극」이라 함.)에 부착되거나, 나아가서는 용접 단자와 전극이 용착되어 버리거나 해서, 작업 효율이 현저하게 저하된다고 하는 문제가 발생하는 경우가 있다.

본 발명은 상기한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 발열 저항선의 스폿 용접을 안정되게 행할 수 있고, 또한, 전극과의 용착이 발생하기 어려운 용접 단자로 구성된 열식 질량 유량계의 제공을 목적으로 하고 있다.

본 발명자는, 열식 질량 유량계에 있어서의 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접시에 발생하는 문제의 원인에 대해 조사하였다. 그 결과, Fe-Ni 합금선을 사용한 발열 저항선과 인청동제의 용접 단자에서는, 재료가 갖는 융점과, 각각의 사이즈의 차이에 기인하는 열용량에 큰 차가 있기 때문에, 양자가 밸런스 좋게 용융되어 융합부를 형성하는 것이 곤란해져 있는 것이 시사되었다.

따라서, 용접 단자를 구성하는 재료로서, Fe-Ni 합금선의 융점에 가까운 융점을 갖는 Fe-Ni계 합금을 채용하였다. 여전히 발열 저항선과 용접 단자의 사이즈의 차이에 기인하는 열용량에 큰 차가 있음에도 불구하고, 인청동제의 용접 단자에 비해 발열 저항선과의 스폿 용접을 비교적 안정적으로 행할 수 있는 용접 조건이 존재하는 것을 알아내었다.

그러나, 상기한 용접 조건이면, 발열 저항선과 용접 단자의 표면이 접속됨과 동시에, 용접 단자의 반대측의 표면의 일부가 용융되어 전극에 부착되거나, 나아가서는 용접 단자와 전극이 용착되어 버리거나 해서, 작업 효율이 현저하게 저하된다고 하는 새로운 과제에 직면하였다.

따라서, 본 발명자는, 전극과의 용착을 방지하기 위한 수단을 또한 예의 검토한 결과, 용접 단자의 표면에 피복층을 형성함으로써, Fe-Ni 합금선과의 스폿 용접의 안정성을 손상시키는 일 없이 전극과의 용착을 방지할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은, 상기한 구성의 센서부를 갖는 열식 질량 유량계이며, 용접 단자는, 발열 저항선의 융점과의 온도차가 100℃를 초과하지 않는 융점을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어지고, 또한, 용접 단자의 표면에 1층 또는 2층 이상의 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열식 질량 유량계의 발명이다.

또한, 본 발명은, 상기한 열식 질량 유량계를 갖는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치의 발명이다.

본 발명에 관한 열식 질량 유량계의 구성에 의하면, 발열 저항선의 단부와 용접 단자의 스폿 용접을 안정되게 행할 수 있으므로, 발열 저항선과 용접 단자 사이에서 신뢰성이 높은 전기적인 접속이 가능해지고, 나아가서는 열식 질량 유량계 및 이것이 내장된 질량 유량 제어 장치 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 열식 질량 유량계의 센서부의 구조를 도시하는 모식도이다.
도 2a는 스폿 용접의 순서를 설명하는 모식도이다.
도 2b는 스폿 용접의 순서를 설명하는 모식도이다.
도 2c는 스폿 용접의 순서를 설명하는 모식도이다.
도 3은 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접의 시공예를 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 4는 용접 단자의 형상의 예를 도시하는 도면이다.

이하에, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명은 예시에 지나지 않고, 본 발명을 실시하기 위한 형태는 이하의 형태에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명에 있어서의 용접 방법에 대해 설명한다. 본 발명에서 말하는 스폿 용접이라 함은 저항 용접의 일 형태이며, 용접하려고 하는 2개의 금속제의 부재를 대향하는 2개의 전극의 사이에 끼워 넣어 전극에 가압력을 가하면서 통전함으로써, 2개의 부재의 접촉부를 저항열에 의해 용융시키고, 계속해서 통전을 중지하여 냉각 응고시켜, 너깃(nugget)이라 불리는 접속부를 형성하는 용접 방법을 말한다. 스폿 용접에서는 판재끼리를 용접하는 것이 일반적이지만, 본 발명의 스폿 용접에서는 판상의 용접 단자의 표면에 가느다란 선재를 용접한다고 하는 점에서, 일반의 스폿 용접과는 너깃이 형성되는 방법이나 형상 등이 다르다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는, 본 발명에 있어서의 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접의 시공예를 나타낸 모식도이다. 우선, 용접 단자(5)의 표면에 상류측 히터 엘리먼트(3) 또는 하류측 히터 엘리먼트(4)의 발열 저항선의 단부를 세트한다(도 2a). 다음으로, 풋 레버 등을 사용하여 상하 2개의 전극(8)의 선단에서 용접 단자(5) 및 발열 저항선의 단부를 끼워 넣고, 가압력을 가하면서 전극(8)의 사이에 전류를 흐르게 한다. 그렇게 하면, 발열 저항선의 단부가 상측의 전극(8)의 선단 및 용접 단자(5)의 표면과 접촉되어 있는 부분에서는 접촉 저항이 크므로, 이들 부재가 저항열에 의해 가열된다(도 2b). 그리고, 용접 단자(5)의 표면이 국소적으로 용융됨과 동시에, 발열 저항선의 단부의 표면의 일부도 용융되어, 양자가 일체로 된 후 냉각, 응고되어, 용접 단자(5)의 표면에 부풀어 오른 너깃(9)이 형성되어 용접이 완료된다(도 2c).

도 3은, 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접의 시공예를 나타내는 도면 대용 사진이다. 사진 중앙의 부풀어 올라 있는 부분이 용접 단자의 표면에 형성된 너깃이다. 너깃의 중심에, 사진 상방으로부터 연장된 발열 저항선의 단부가 형상을 유지한 채 용접되어 있다. 판재끼리를 스폿 용접하는 경우와 달리, 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접에서는 발열 저항선의 중심까지 용융될 정도로 가열해 버리면 발열 저항선이 전부 타버리므로, 발열 저항선의 표면의 일부만이 용융되도록 하는 용접 조건에서 가열을 행할 필요가 있다. 발열 저항선의 선 직경이 작은 경우, 이러한 적절한 용접 조건을 찾아내는 것은 일반적으로 곤란을 수반한다. 스폿 용접에 있어서의 용접 조건은, 스폿 용접의 통전 시간, 전류값 및 가압력 등을 변경함으로써 제어할 수 있다.

다음으로, 본 발명에서 사용하는 발열 저항선을 구성하는 재료에 대해 설명한다. 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)를 구성하는 발열 저항선에는, Fe-Ni 합금선을 사용하는 것이 바람직하다. Fe-Ni 합금선이 바람직한 이유는, 고온에서의 내산화성이 우수하고, 전기 저항의 온도 계수가 비교적 크고, 또한, 열팽창 계수가 작아 온도가 변화해도 내부 응력이 발생하기 어렵기 때문이다. Fe-Ni 합금선의 조성 범위는, Ni가 30질량％ 미만이면 고온에서의 내산화성이 떨어지고, 또한, 80질량％를 초과하면 열팽창 계수가 커져 내부 응력이 발생하기 쉬워지므로, Ni를 30질량％ 이상, 80질량％ 이하로 하고, 잔부를 Fe로 하는 것이 바람직하다. 고온에서의 내산화성을 특히 중시하는 경우에는, Ni가 60질량％ 이상, 80질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 열팽창 계수의 저감을 특히 중시하는 경우에는, Ni가 30질량％ 이상 45질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 그 중에서도, Ni가 70질량％이고 잔부가 Fe로 이루어지는 Fe-Ni 합금선은, 모든 점에서 균형이 잡혀 있어, 발열 저항선의 재료로서 적합하다. 또한, 발열 저항선은 센서 튜브의 외주에 코일 형상으로 감을 필요가 있으므로, 표면을 절연 피막으로 피복해 두는 것이 바람직하다. 피복에 사용하는 절연 피막은, 예를 들어, 내열성이 우수한 폴리이미드 수지의 피막 등이 적합하다.

발열 저항선의 선 직경은, 5㎛ 미만이면 기계적 강도가 불충분하여 취급이 곤란해지고, 또한, 100㎛를 초과하면 단위 길이당의 전기 저항이 낮아 센서 튜브와의 열전도도 나빠진다. 이로 인해, 발열 저항선의 선 직경은, 5㎛ 이상, 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 선 직경의 범위는 10㎛ 이상, 70㎛ 이하이다.

다음으로, 본 발명의 특징인 발열 저항선 및 용접 단자를 구성하는 금속 또는 합금의 융점의 차에 대해 설명한다. 본 발명에 있어서, 용접 단자를 구성하는 재료는, 발열 저항선의 융점과의 온도차 ΔT가 100℃를 초과하지 않는 융점을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어진다. ΔT가 100℃를 초과하면, 스폿 용접의 용접 조건을 어떻게 변경해도 발열 저항선을 용접 단자의 표면에 적절하게 용접할 수 없다. 구체적으로는, 용접 조건을 보다 많이 가열하는 방향으로 조정하면 발열 저항선이 전부 타 버리고, 반대로, 용접 조건을 보다 적게 가열하는 방향으로 조정하면 발열 저항성과 용접 단자의 접속 강도가 약해져 간단히 박리되어 버린다. 이로 인해, 발열 저항선이 전부 타지 않고 또한 충분한 강도로 용접 단자와 접속시키기 위한 용접 조건을 찾아낼 수 없다. 이 이유는 명확하지 않지만, 판재끼리의 스폿 용접의 경우에 비해, 본 발명에 있어서의 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접의 경우에는, 피용접 부재의 형상의 차이로부터 양자의 열용량이 극단적으로 다르기 때문에, 가열 및 방열시의 열 밸런스가 나빠, 열용량이 작은 발열 저항선의 쪽이 보다 과잉으로 가열되는 경향이 있기 때문은 아닌지라고 추측된다. 이로 인해, 본 발명에 있어서는, 융점의 온도차 ΔT가 100℃를 초과하지 않는 것으로 한다. 보다 바람직한 온도차 ΔT의 상한은 50℃이다.

ΔT의 크기를 100℃ 이하로 하는 구체적인 수단으로서는, 발열 저항선과 용접 단자를 구성하는 재료로 동일한 합금계를 선택하거나, 동일한 합금계라면 가능한 한 조성이 근접한 것을 선택하거나 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 발열 저항선에 Fe-Ni 합금선을 사용하고 있는 경우, 용접 단자를 구성하는 재료로는 같은 합금계인 Fe-Ni 합금을 선택하는 것이 바람직하다. Fe-Ni 합금에서는, Ni가 30질량％ 이상, 80질량％ 이하의 영역에서 2원 상태도의 액상선의 온도가 1450℃±25℃의 범위에 들어 있으므로, 발열 저항선과 용접 단자의 양쪽을 이 조성 범위의 Fe-Ni 합금으로 구성하면, ΔT의 크기를 50℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 동일한 합금계라면, 열전도율의 값도 크게 다름없으므로, 열 밸런스의 관점에서도 바람직하다. 용접 단자의 재료로서 Fe-Ni 합금을 선택하는 경우, 예를 들어, Ni를 42질량％ 포함하고 잔부가 Fe인 42 합금을 선택하는 것이 바람직하다. 42 합금은 Fe-Ni 합금선과의 스폿 용접이 비교적 용이하고, 또한, 리드 프레임의 재료로서 널리 보급되어 있어 입수가 비교적 용이하다고 하는 이점이 있다.

다음으로, 본 발명의 특징인 용접 단자의 피복층에 대해 설명한다. 발열 저항선과 용접 단자의 융점의 차 ΔT가 100℃를 초과하지 않는 재료를 선택하여 스폿 용접을 행하면, 전술한 바와 같이 발열 저항선과 용접 단자 사이에서 양호한 용접이 가능해진다. 그러나, 발열 저항선과 용접 단자가 용접되는 것과 거의 동시에, 용접 단자의 용접을 행하고자 하는 면의 반대측의 표면과, 거기에 압박되어 있는 전극의 표면 사이에서도 저항 가열이 일어나, 용접 단자의 표면의 일부가 용융되어 전극이 오염되거나, 양자의 사이에서 용착이 일어나거나 한다. 이 이유는 명확하지 않지만, 발열 저항선과 용접 단자가 서로 용융되어 너깃이 형성되면, 그 부분에 있어서의 접촉 저항이 저하되어 과도한 통전이 일어나, 당초 상정하고 있지 않았던 전극의 표면과 용접 단자의 표면 사이에서도 저항 가열이 진행되기 때문은 아닌지라고 추측된다.

따라서, 본 발명에 있어서는, 상기한 바람직하지 않은 용착을 방지하기 위해, 용접 단자의 표면에 1 또는 2 이상의 피복층을 형성한다. 피복층은, 판재끼리의 스폿 용접에 있어서는 용접을 방해하는 것으로서 기피되어, 예를 들어, 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이, 용접 전에 용접 개소의 피복층을 일부러 제거하여 기재를 노출시키는 것이 바람직한 경우도 있다. 그러나, 본 발명과 같은 발열 저항선과 용접 단자의 스폿 용접에 있어서는, 용접 단자의 표면에 형성된 피복층은 스폿 용접의 방해로는 되지 않고, 오히려 전극과의 바람직하지 않은 용착을 방지한다고 하는 본 발명의 특유의 효과를 발휘한다. 이 이유는 명확하지 않지만, 용접 단자의 표면에 피복층을 형성함으로써, 피복층이 없는 경우에 비해 용접 단자와 전극 사이의 전기 저항값이 안정되어, 용접 단자와 전극 사이에서의 스파크의 발생이나 용착이 일어나기 어려워져 있는 것은 아닌지라고 생각된다.

용접 단자의 피복층을 구성하는 재료로는, 융점이 그다지 높지 않고, 또한, 전기 전도성이 우수한 Cu(구리) 또는 Au(금)를 사용하는 것이 바람직하다. Cu 및 Au는 전기 전도성이 우수하므로, 용접 단자와 전극 사이의 접촉 저항을 낮추어 용착을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 용접 단자 자체의 전기 저항을 낮추어 발열을 방지함으로써, 열식 유량계의 측정 정밀도를 향상시키거나, 소비 전력을 낮추거나 할 수 있다. 또한, Cu 및 Au는, 피복층으로서 다용되는 Sn(주석)에 비하면 융점이 높으므로, 피복층에 Sn을 사용한 경우에 종종 보여지는 고온에서의 위스커의 생성이 일어나기 어렵다고 하는 이점도 있다. Au의 피복층은, 내산화성이 극히 우수하므로, 표면에 산화물이 형성되지 않아 접촉 저항을 낮게 안정적으로 유지할 수 있고, 용접 단자와 전극의 용착을 방지하는 효과나, 용접 단자에 도선을 솔더링할 때의 땜납의 습윤성을 확보하는 효과가 특히 우수하므로, 보다 바람직하다.

용접 단자의 피복층의 두께는 0.05㎛보다 얇으면 용착 방지의 효과가 얻어지지 않고, 또한, 5.0㎛를 초과하면 발열 저항선과의 용접이 방해되므로, 0.05㎛ 이상, 5.0㎛ 이하가 바람직하다. 보다 바람직한 두께는 0.1㎛ 이상, 3.0㎛ 이하이다.

피복층은 단층으로 형성해도 되지만, 용접 단자의 표면과의 밀착성을 높일 목적으로 용접 단자의 표면에 우선 하지 피복층을 형성하고, 또한 그 표면에 표면 피복층을 형성해도 된다. 예를 들어, 42 합금제의 용접 단자와 Au의 피복층 사이에 하지 피복층으로서 우선 Ni의 피복층을 형성하면, 용접 단자의 표면에 직접 Au의 피복층을 형성한 경우에 비해 밀착성이 높아지므로 바람직하다. 이 경우의 하지 피복층의 두께는, 0.05㎛보다 얇으면 밀착성 향상의 효과가 얻어지지 않고, 또한, 5.0㎛를 초과하면 발열 저항선과의 용접이 방해되므로, 0.05㎛ 이상, 5.0㎛ 이하가 바람직하다. 또한, 하지 피복층과 표면 피복층 사이에 중간층을 형성하여 밀착성을 보다 높이는 것도 바람직하다. 이와 같이, 2층 이상의 피복층을 형성하는 경우, 피복층 전체의 두께가 5.0㎛를 초과하면 발열 저항선과의 용접이 방해되므로, 피복층 전체의 두께는 5.0㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

피복층은 용접 단자의 표면 전체에 형성해도 되고, 또한, 그것이 가능한 경우에는, 용접 단자의 일부에 형성해도 된다. 피복층은 용접 단자와 전극의 용착을 방지할 목적으로 형성하는 것이므로, 피복층을 용접 단자의 일부에 형성하는 경우에는, 용접 단자의 표면 중 적어도 전극이 직접 접하는 부분에 피복층을 형성할 필요가 있다.

피복층을 피복하는 수단에는, 전해 도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 증착 등의 공지의 수단을 이용할 수 있다. 용접 단자의 표면 전체에 피복층을 형성하는 경우에는, 작업 효율, 피복층의 균질성 및 밀착성 등의 관점에서, 전해 도금을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 단자의 일부에만 피복층을 형성하는 경우에는, 스퍼터링 또는 증착 등의 수단을 이용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 용접 단자의 바람직한 형상에 대해 설명한다. 용접 단자의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로는 평판을 소정의 형상으로 가공한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 형상을 평판으로 함으로써, 스폿 용접시의 상하의 전극에 의한 끼워 넣기를 확실하게 행할 수 있다. 스폿 용접에 있어서의 너깃은 일반적으로 용접 단자의 평면부에 형성되고, 발열 저항선의 단부는 너깃의 표면에 전기적으로 접속된다. 용접 단자에는, 필요에 따라, 다른 부재와의 조합을 용이하게 하거나, 도선과의 전기적 접속을 실현하거나 하기 위한 돌출부를 형성할 수 있다. 도 4는, 평판을 굽힘 가공하여 제작한 양단부에 돌출부를 형성한 용접 단자의 형상의 예를 도시한 것이다. 돌출부 중 짧은 쪽의 돌출부(10b)는 도 1에 도시한 몰드(6)에 형성된 구멍에 삽입되어, 용접 단자를 몰드(6)에 고정시키는 기능을 갖고 있다. 또한, 긴 쪽의 돌출부(10a)는 몰드(6)에 형성된 다른 구멍에 삽입되고, 그 선단에 도선(7)이 솔더링에 의해 전기적으로 접속된다.

용접 단자의 수에 대해서는, 센서 엘리먼트의 수에 따라 필요한 수를 복수개 준비하면 된다. 예를 들어, 도 1에 도시한 예에서는, 상류측 히터 엘리먼트(3) 및 하류측 히터 엘리먼트(4)의 발열 저항선의 단부에 대해 각 1개, 합계 4개의 용접 단자를 사용하고 있다. 이것은, 각각의 발열 저항선의 단부에 대해 스폿 용접을 확실하게 행하기 위해서이다. 전기 회로의 구성에 따라서는, 1개의 용접 단자에 복수의 발열 저항선의 단부를 스폿 용접해도 되고, 이에 의해 열식 질량 유량계 1대당의 용접 단자의 개수를 삭감시킬 수 있다.

본 발명에 있어서 스폿 용접을 실시하는 장치에는, 탁상형 스폿 용접기, 페달식 스폿 용접기 또는 공기압식 스폿 용접기 등의 기지의 스폿 용접기를 사용할 수 있다. 전극에는, 예를 들어 텅스텐 등을 사용한 직경이 10㎜ 정도의 환봉 형상의 전극을 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서의 스폿 용접의 전형적인 용접 조건을 예시하면, 용접 시간은 2∼10사이클, 가압력은 10∼50㎏, 전류는 2∼10㎄ 정도이다. 바람직한 용접 조건을 찾아내기 위해서는, 예를 들어, 용접 조건을 바꾸면서 용접 후의 발열 저항선을 손으로 인장하여 박리되지 않는지 여부를 확인하는 등의 수단에 의해, 충분한 접속 강도가 얻어지는 용접 조건을 확립할 수 있다.

실시예

두께가 0.3㎜인 42 합금제의 판재를 가공하여, 도 4에 도시하는 형상의 용접 단자의 소재를 준비하였다. 얻어진 소재의 표면 전체에, 우선 두께가 3.0㎛인 전해 니켈 도금을 행하고, 다음으로 두께가 0.2㎛인 전해 금 도금을 행함으로써, 니켈 및 금의 2층으로 구성된 피복층을 갖는 42 합금제의 용접 단자를 준비하였다.

또한, 발열 저항선으로서, 선 직경이 15㎛이고 폴리이미드 수지의 절연 피막을 갖는 Fe-Ni 합금선(Ni가 70질량％, 잔부가 Fe)을 준비하였다.

준비한 용접 단자의 소재의 융점은 1450℃이고, 발열 저항선의 융점은 1440℃이므로, 양자의 온도차 ΔT는 10℃였다.

준비한 발열 저항선을 센서 튜브의 외주의 2개소에 감아, 상류측 히터 엘리먼트 및 하류측 히터 엘리먼트를 각각 형성하였다. 그리고, 준비한 용접 단자를 페달식 스폿 용접기에 세트하고, 그 표면에 평행하게 발열 저항선의 단부를 세트한 후, 용접 단자와 발열 저항선을 상하의 텅스텐 전극의 사이에 끼워 넣고, 풋 레버로 가압력을 가하였다. 그리고, 전극간에 전류값이 4.0㎄, 통전 시간이 2사이클의 통전을 행하여, 스폿 용접을 행하였다.

스폿 용접 후에 전극간의 가압력을 완화시키면, 용접 단자는 전극간으로부터 간단히 분리할 수 있었다. 용접 단자를 분리한 후의 텅스텐 전극의 선단은 청정하고, 용접 단자의 용융물 등의 부착은 보이지 않았다.

스폿 용접 후의 용접 부분을 광학 현미경으로 관찰하면, 도 3에 나타내는 바와 같이 용접 단자의 표면에 형성된 너깃의 중앙 부근에 발열 저항선이 용접되어 있고, 너깃의 근방에서는 용접 단자의 피복층 및 발열 저항선의 절연 피막은 완전히 파괴되어 있었다. 스폿 용접 후의 발열 저항선을 손으로 인장한 바, 발열 저항선은 용접 단자에 견고하게 접속되어 있고, 전혀 박리되지 않았다. 또한, 스폿 용접 후의 용접 단자의 용접 부분과는 반대측의 면을 관찰하면, 텅스텐 전극의 흔적은 거의 보이지 않고, 청정한 상태였다.

(비교예 1)

상기한 실시예와 동일한 용접 단자의 소재를 사용하여, 용접 단자의 소재에 피복층을 형성하지 않고 용접 단자로서 사용한 것 외에는 상기한 실시예와 동일한 조건에서 발열 저항선의 스폿 용접을 행하였다.

스폿 용접 후에 전극간의 가압력을 완화시키면, 용접 단자의 표면 중 용접부의 반대측의 면이 하측의 텅스텐 전극의 표면에 용착되어 있어, 간단히 분리할 수 없었다. 펜치를 사용하여 용접 단자를 하측의 텅스텐 전극으로부터 무리하게 박리하면, 용접 단자의 표면의 일부가 전극의 선단에 용착된 채의 상태로 박리되어, 표면이 박리된 용접 단자에는 원형의 오목부가 형성되었다. 또한, 텅스텐 전극의 선단에 용접 단자의 표면의 일부가 용착된 채라면 다음의 스폿 용접을 행할 수 없으므로, 용착된 용접 단자의 일부를 줄을 사용하여 연삭 제거해야 했다.

한편, 발열 저항선과 용접 단자의 용접 강도는 양호하였기 때문에, 용접 단자와 전극의 용착을 방지할 목적으로 용접 조건을 변화시켜 보았다. 그러나, 전극간의 전류값을 감소시키면 용접 단자와 전극의 용착은 어느 정도 방지할 수 있지만, 발열 저항선과 용접 단자의 용접 강도가 저하되어 버려, 스폿 용접 후에 발열 저항선을 손으로 인장하면 간단히 박리되어 버렸다. 또한, 전극간의 전류값을 증가시키면 용접 단자와 전극의 용착은 점점 견고해졌다. 이로 인해, 용접 단자와 전극의 용착을 방지하면서 발열 저항선과 용접 단자를 스폿 용접할 수 있는 적절한 용접 조건을 찾아낼 수 없었다.

(비교예 2)

두께가 0.3㎜인 인청동제의 판재를 가공하여, 도 4에 도시하는 형상의 용접 단자의 소재를 준비하였다. 얻어진 소재의 표면 전체에, 우선 두께가 3.0㎛인 전해 니켈 도금을 행하고, 다음으로 두께가 0.2㎛인 전해 금 도금을 행함으로써, 니켈과 금의 2층으로 구성된 피복층을 갖는 인청동제의 용접 단자를 준비하였다.

준비한 용접 단자의 소재의 융점은 980℃이고, 발열 저항선의 융점은 1440℃이므로, 양자의 온도차 ΔT는 460℃였다.

얻어진 인청동제의 용접 단자를 사용하여, 상기한 실시예와 동일한 용접 조건에서 스폿 용접을 행한 바, 스폿 용접 후의 발열 저항선을 손으로 인장하면 간단히 박리되어 버려, 용접 강도가 부족한 것을 알았다.

따라서, 용접 강도를 높일 목적으로 전극간의 전류값을 증가시켜 본 바, 이번에는 발열 저항선이 용접부에 있어서 중심까지 용융되어, 절단되어 버렸다. 이로 인해, 발열 저항선의 용융에 의한 단선을 방지하면서 발열 저항선과 용접 단자를 스폿 용접할 수 있는 적절한 용접 조건을 찾아낼 수 없었다.

1 : 센서부
2 : 센서 튜브
3 : 상류측 히터 엘리먼트
4 : 하류측 히터 엘리먼트
5 : 용접 단자
6 : 몰드
7 : 도선
8 : 전극
9 : 너깃
10a, 10b : 돌출부

Claims

유체가 내부를 유동하는 센서 튜브와, 상기 센서 튜브의 외주에 설치된 발열 저항선으로 이루어지는 상류측 히터 엘리먼트 및 하류측 히터 엘리먼트와, 상기 발열 저항선의 단부가 스폿 용접에 의해 전기적으로 접속된 복수의 용접 단자를 갖는 열식 질량 유량계이며,
상기 용접 단자는, 상기 발열 저항선의 융점과의 온도차가 100℃를 초과하지 않는 융점을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어지고,
상기 용접 단자의 표면에 1층 또는 2층 이상의 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제1항에 있어서, 상기 단부는, 상기 용접 단자의 일부분에 접속되어 있고,
상기 피복층은, 적어도, 상기 일부분의 이면측에 위치하는 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발열 저항선 및 상기 용접 단자의 재료가, 동일한 성분으로 이루어지는 합금인 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발열 저항선이 5㎛ 이상, 100㎛ 이하의 선 직경을 갖는 Fe-Ni 합금선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제4항에 있어서, 상기 용접 단자가 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층 중 가장 외측에 위치하는 피복층이 Cu 또는 Au로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제6항에 있어서, 상기 피복층이 Ni로 구성된 하지 피복층과 Au로 구성된 표면 피복층의 2층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계.
제1항 내지 제7항에 기재된 열식 질량 유량계를 갖는 것을 특징으로 하는, 질량 유량 제어 장치.
유체가 내부를 유동하는 센서 튜브와, 5㎛ 이상, 100㎛ 이하의 선 직경을 갖는 발열 저항선과, 상기 발열 저항선의 융점과의 온도차가 100℃를 초과하지 않는 융점을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어지는 판상의 용접 단자를 갖는 열식 질량 유량계를 제조하는 방법이며,
상기 용접 단자의 표면에는 피복층을 형성하고 있고,
상기 발열 저항선을 상기 센서 튜브의 외주의 2개소에 감아, 상류측 히터 엘리먼트 및 하류측 히터 엘리먼트를 각각 형성하고,
상기 용접 단자를 스폿 용접기에 세트하고,
상기 상류측 히터 엘리먼트 또는 상기 하류측 히터 엘리먼트를 구성하는 발열 저항선의 단부를 상기 용접 단자의 표면에 세트하고,
상기 스폿 용접기가 구비하는 2개의 전극의 사이에 상기 용접 단자 및 상기 발열 저항선의 단부를 끼워 넣고,
상기 2개의 전극의 사이에 가압력을 가하면서 전극간에 통전을 행함으로써, 스폿 용접을 행하는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 전극이 텅스텐으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계의 제조 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 발열 저항선이 Fe-Ni 합금선으로 이루어지고,
상기 용접 단자가 Fe-Ni 합금으로 이루어지고,
상기 피복층이 Ni로 구성된 하지 피복층과 Au로 구성된 표면 피복층의 2층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열식 질량 유량계의 제조 방법.