JP2000227353A - 熱式流量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】空気層の高さを確保して断熱効果を高め、ひい
ては空気流量の検出精度を向上させる。 【解決手段】熱式空気流量センサ１０の基板１１の上に
はブリッジ形状の絶縁層１４が設けられ、基板１１と絶
縁層１４との間には空気層１５が設けられている。空気
層１５を形成する際、絶縁層１４を焼成する温度では焼
結しないペーストを用いて同ペーストを基板１１上にス
クリーン印刷し、絶縁層１４等の形成後、ペーストを除
去して空気層１５とする。空気層１５の高さは６０μｍ
程度となっている。絶縁層１４上には所定の発熱温度で
保持される発熱抵抗体１２が設けられている。また、温
度補償用の感温抵抗体１３は基板１１上に直に設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両用内燃
機関に適用され、同機関の吸入空気量を計測するための
熱式流量センサ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱式流量センサの動作原理を図８を用い
て説明する。図８では、所定の発熱温度で保持される発
熱抵抗体５１及び温度補償用の感温抵抗体５２とその他
２つの抵抗５３，５４とによりブリッジ回路が構成され
る。また、これらのブリッジ抵抗の差電圧をオペアンプ
５５を介して差動増幅し、オペアンプ５５の出力により
トランジスタ５６を駆動することでフィードバック回路
が構成される。ここで、発熱抵抗体５１は感温抵抗体５
２と共に例えば空気を流す空気通路内に配置され、空気
温度に対して常に所定の温度差（約１００〜２００℃程
度）を保つようにフィードバック制御される。仮に空気
の流れにより発熱抵抗体５１が冷やされた場合には、所
定の温度差を維持すべく同発熱抵抗体５１に供給する電
流が増加される。そして、この電流により空気の流量が
計測される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の熱式空気流量
センサでは一般に、発熱抵抗体と温度補償用の感温抵抗
体とを別部材に形成して組み付けていたが、かかる構成
では両者の相対位置による計測誤差が生じる、又は部品
点数、接続箇所が多くなる、等々のデメリットがあるこ
とから、近年では発熱抵抗体と感温抵抗体とを同一基板
上に形成することが考えられている。しかしながら、発
熱抵抗体及び感温抵抗体を同一基板上に形成する場合の
問題点として、発熱抵抗体の熱が感温抵抗体に伝わり、
空気温度が正確に検出できなくなることが挙げられる。

【０００４】その対策として、例えば特開平２−７４８
２５号公報では、発熱抵抗体と温度補償用の感温抵抗体
との間にスリット（切除部）を設けている。また、特開
平４−１５２７号公報では、発熱抵抗体と温度補償用の
感温抵抗体とを形成する基板に切欠部を設けたり、同基
板を薄くしたりして、基板の断面積を小さくしている。
ところが、何れも専用基板を必要とする。

【０００５】さらに、特許第２６１６１８３号公報で
は、シリコン基板上にシリコン酸化膜によるブリッジ部
を形成して空洞を設け、その上に発熱抵抗体を形成する
ことにより、熱容量が小さく、感度が良く、更に低消費
電力のセンサを実現している。ところが、空洞の高さが
数μｍ（２μｍ）と低いため、非常に大きな断熱効果は
得られない。またシリコン酸化膜の厚さが２μｍと薄い
ため、強度上の信頼性にも欠ける。

【０００６】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、空気層の高さを
確保して断熱効果を高め、ひいては流体流量の検出精度
を向上させることができる熱式流量センサ及びその製造
方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の熱式流
量センサでは、基板と絶縁層との間に高さ１５μｍ以上
の空気層が設けられ、その空気層の上部にあたる絶縁層
上に、所定の発熱温度で保持される発熱抵抗体が配設さ
れる。

【０００８】本構成によれば、空気層の高さを１５μｍ
以上とすることでその断熱効果が高められ、発熱抵抗体
と感温抵抗体との熱的な分離が可能となる。また、空気
層の十分な断熱効果に伴い熱容量が小さくなるために、
低消費電力化、高応答性が実現できる。その結果、流体
流量の検出精度を向上させることができる。

【０００９】請求項２に記載の発明では、発熱抵抗体と
感温抵抗体とが高断熱材料からなる同一の基材上に形成
される熱式流量センサであって、基板直上に温度補償用
の感温抵抗体が設けられる。本構成によれば、感温抵抗
体は発熱抵抗体から発せられる熱の影響を受けにくくな
り、流量検出の精度がより一層向上する。

【００１０】請求項３に記載の発明では、流体の流れ方
向に対して上流側と下流側とに発熱抵抗体を挟んで感温
抵抗体が各々配置され、それら感温抵抗体の温度差によ
り流体流量と流れの方向とを検出する熱式流量センサに
おいて、それら並設される各抵抗体は何れも前記空気層
の上部にあたる絶縁層上に配設される。

【００１１】つまり、感温抵抗体の温度差により流体流
量と流れの方向とを検出する熱式流量センサにおいて
も、上記の如く各抵抗体を高さ１５μｍ以上の空気層の
上に置くことで断熱効果を高め、その検出精度を向上さ
せることができる。

【００１２】請求項４に記載の発明では、絶縁層の厚さ
を１５μｍ以上とすることで、センサの強度を確保する
ことができる。従って、熱式流量センサの信頼性が向上
する。

【００１３】熱式流量センサの製造方法に係る請求項５
に記載の発明では、発熱抵抗体を載置するための絶縁層
を焼成する温度では焼結しないペースト材料を用い、基
板上に部分的に下層ペーストを印刷する。そして、その
上に上層ペーストを印刷し、下層及び上層のペーストを
同時に焼成して上層ペーストを絶縁層とする。更にその
後、下層ペーストを除去することにより基板と絶縁層と
の間に空気層を形成する。

【００１４】上記製造法によれば、印刷及び焼成といっ
た周知の厚膜印刷手法を用いることにより、空気層の高
さは少なくとも厚膜印刷による膜厚以上（例えば２０μ
ｍ以上）となる。従って、十分な断熱効果を確保するた
めの空気層が容易に形成でき、発熱抵抗体と感温抵抗体
との熱的な分離が可能となる。その結果、空気層の高さ
を確保して断熱効果を高め、ひいては流体流量の検出精
度を向上させることができる。この場合、専用基板を必
要としたり、基板を加工するなど、特別で且つ煩雑な工
程を必要としたりすることはない。また、絶縁層を形成
するための上層ペーストもやはり厚膜印刷されること
で、絶縁層の厚さは少なくとも厚膜印刷による膜厚以上
（例えば２０μｍ以上）となる。それ故、強度が確保で
き、信頼性も向上する。

【００１５】請求項６に記載の発明では、前記下層ペー
ストは、所望の厚さになるまで多層印刷される。この場
合、印刷の回数により下層ペーストの膜厚、すなわち空
気層の高さが調整される。つまり、空気層の高さを大き
くするほど断熱効果は高まるが、その際に空気層を所望
の高さにするには下層ペーストの印刷の回数を調整する
だけでよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけ
る熱式空気流量センサは車両用内燃機関の吸気管に配設
され、同吸気管を介して機関の気筒内に吸入される空気
の量（吸入空気量）を計測する。ここで、図１は、熱式
空気流量センサの構成を示す平面図であり、図２（ａ）
は図１のＡ−Ａ線断面図、同図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ
線断面図である。

【００１７】図１及び図２に示す熱式空気流量センサ１
０において、高断熱のアルミナ或いはガラスなどからな
る基板１１の上には、所定の発熱温度で保持される発熱
抵抗体１２と、温度補償用の感温抵抗体１３とが設けら
れている。これら各抵抗体１２，１３は白金、ニッケ
ル、サーミスタなどにて構成される。また、これら各抵
抗体１２，１３は空気の流れ方向に対して直交する方向
に延び、且つそれぞれ平行に並べて配設されている。

【００１８】詳細に説明すれば、基板１１上には、ガラ
スなどからなるブリッジ形状の絶縁層１４が設けられ、
基板１１と絶縁層１４との間には空気層１５が設けられ
ている。絶縁層１４上にはその長手方向に沿って発熱抵
抗体１２が設けられ、その両端には電極１６が設けられ
ている。また、絶縁層１４上には発熱抵抗体１２の全体
を覆うようにしてガラスなどからなる保護膜１７が設け
られている。

【００１９】発熱抵抗体１２が上記の如くブリッジ形状
の絶縁層１４上に設けられるのに対し、感温抵抗体１３
は基板１１上に直に設けられている（図２（ａ）参
照）。感温抵抗体１３の両端には電極１８が設けられ、
感温抵抗体１３の全体を覆うようにしてガラスなどから
なる保護膜１９が設けられている。

【００２０】因みに、本実施の形態では一例として、空
気層１５の高さを６０μｍとし、絶縁層１４の厚さ、電
極１６，１８の厚さ、保護膜１７，１９の厚さをそれぞ
れ２０μｍとしている。

【００２１】図３（ａ）は、機関吸気管への熱式空気流
量センサ１０の取付状態を示す断面図、同図３（ｂ）は
熱式空気流量センサ１０の要部を示す斜視図である。機
関吸気管Ｉｎには樹脂等で成形されたボディ２１が取り
付けられ、そのボディ２１の一部が吸気管Ｉｎ内に突出
している。ボディ２１には前記図１，２に示す熱式空気
流量センサ１０が組み込まれ、同センサ１０の発熱抵抗
体１２及び感温抵抗体１３が吸気管Ｉｎの略中央に位置
している。基板１１上の制御回路２２はボンディングワ
イヤ２３を介してターミナル２４に接続されている。

【００２２】次に、熱式空気流量センサ１０の製造工程
を図４を用いて説明する。但し、図４（ａ）〜（ｆ）
は、図１のＢ−Ｂ線断面（発熱抵抗体１２を通る断面）
における一連の工程を示す。

【００２３】先ずは（ａ）のように、基板１１上に部分
的にペースト２０をスクリーン印刷する。このとき、周
知の厚膜印刷手法を用いて１回で２０μｍ程度の厚膜を
印刷し、それを必要に応じて複数回繰り返してペースト
２０を多層印刷する。このペースト２０の膜厚が後工程
で形成される空気層１５の高さに相当し、本実施の形態
では空気層１５の高さを６０μｍとする。

【００２４】ここで、所望とする空気層の高さ（ペース
ト２０の膜厚）は図５の関係に従って決定されるとよ
い。図５は、空気層の高さと基板への放熱量との関係を
示す図であり、空気層の高さを大きくするほど基板への
放熱量が抑えられ、断熱効果が高まるのが分かる。例え
ば実線で示す特性において基板への放熱量を図のＱレベ
ル以下に抑えようとするのであれば、空気層の高さを略
２０μｍ以上とすればよい。またこのとき、発熱抵抗体
の発熱面積に応じて放熱の特性が変わるため、発熱面積
に応じて空気層の高さを設定するとよい。

【００２５】ペースト２０は、ブリッジ部分を形成する
ための絶縁層１４の焼成温度（９００℃）では焼結しな
いペースト材料からなり、無機粉末、有機樹脂を溶剤に
分散したものである。無機粉末は、９００℃にて焼成し
た際、粉末同士の焼結、緻密化、溶融、分解等が起こら
ない、高融点で且つ安定な無機粉末であれば良く、例と
してはアルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア等があ
るが、本実施の形態では安価なアルミナ粉末を使用し
た。有機樹脂及び溶剤については、前記無機粉末を分散
してスクリーン印刷が良好に行えるペーストが得られれ
ば特に指定は無く、本実施の形態では有機樹脂としてエ
チルセルロースをペーストに対し２重量％添加し、溶剤
としてはテルピネオールを使用して粘度８０〜２００Ｐ
ａ・ｓになるように適当量添加した。

【００２６】次に、（ｂ）のように絶縁層１４をスクリ
ーン印刷し、下層側のペースト２０と上層側の絶縁層１
４とを９００℃で同時に焼成する。但しかかる工程で
は、上層側の絶縁層１４のみが焼結され、下層側のペー
スト２０は未硬化の状態のまま変化しない。

【００２７】また、（ｃ）のように絶縁層１４上に左右
一対の電極１６をスクリーン印刷し、約８５０℃で焼成
する。その後、（ｄ）のように絶縁層１４上に発熱抵抗
体１２を印刷し、更に（ｅ）のように発熱抵抗体１２の
全体を覆うように保護膜１７を印刷し、約６００℃で焼
成する。

【００２８】最後に、未硬化の状態のペースト２０を水
などで洗浄することにより取り除く。すると、（ｆ）の
ように基板１１と絶縁層１４との間に空気層１５が形成
され、図１及び図２に示す熱式空気流量センサ１０が完
成する。

【００２９】なお図示は省略しているが、上記製造過程
において（ｄ）の工程では、感温抵抗体１３が基板１１
上に印刷され、続く（ｅ）の工程では、感温抵抗体１３
の全体を覆うように保護膜１９が印刷されて約６００℃
で焼成される。

【００３０】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 （１）基板１１と絶縁層１４との間に高さ６０μｍ程度
の空気層１５を設け、その空気層１５の上部にあたる絶
縁層１４上に発熱抵抗体１２を配設したので、空気層１
５による断熱効果が高められ、発熱抵抗体１２と感温抵
抗体１３との熱的な分離が可能となる。また、空気層１
５の十分な断熱効果に伴い熱容量が小さくなるために、
低消費電力化、高応答性が実現できる。その結果、空気
流量の検出精度を向上させることができる。

【００３１】（２）基板１１直上に感温抵抗体１３が設
けられるので、感温抵抗体１３は発熱抵抗体１２から発
せられる熱の影響を受けにくくなり、流量検出の精度が
より一層向上する。

【００３２】（３）熱式空気流量センサ１０の製造過程
において、絶縁層１４を焼成する温度では焼結しないペ
ースト２０を用いて同ペースト２０を基板１１上に印刷
し、絶縁層１４等の形成後、ペースト２０を除去して空
気層１５とした。この場合、印刷及び焼成といった周知
の厚膜印刷手法を用いることにより、十分な断熱効果を
確保するための空気層１５が容易に形成でき、ひいては
空気流量の検出精度を向上させることができる。この場
合、専用基板を必要としたり、基板を加工するなど、特
別で且つ煩雑な工程を必要としたりすることはない。

【００３３】（４）発熱抵抗体１２及び感温抵抗体１３
を含むセンシング部分が厚膜印刷手法にて製作されるた
め、同じく厚膜印刷手法にて製作される制御回路基板と
の一体化が容易に実現できる。因みに、前述の特許第２
６１６１８３号公報のセンサでは、センシング部分が薄
膜成形されるため、同センシング部分と制御回路基板と
が別工程にて各々形成されるようになっていた。

【００３４】（５）絶縁層１４を形成するための上層ペ
ーストもやはり厚膜印刷されることで、絶縁層１４の厚
さは少なくとも１回の厚膜印刷の膜厚以上（例えば２０
μｍ以上）となる。それ故、強度が確保でき、信頼性も
向上する。

【００３５】（６）空気層１５を形成するための下層ペ
ーストは、所望の厚さになるまで多層印刷されるので、
同ペーストの印刷の回数を調整するだけで所望の高さの
空気層１５が形成できる。

【００３６】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。熱式空気流量センサを図６
のように構成する。図６（ａ）は熱式空気流量センサ３
０の平面図、同（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であ
る。前記図１，２との相違点として図６では、ブリッジ
形状をなす絶縁層３１上に、発熱抵抗体１２を挟んで一
対の感温抵抗体３２，３３が新たに設けられている。基
板１１と絶縁層３１との間には空気層３４が形成され、
その空気層３４は前述の図１，２の空気層１５と同様、
６０μｍ程度の高さを有する（その製造方法も同じ）。
感温抵抗体３２，３３の両端には電極３５，３６が各々
設けられ、発熱抵抗体１２及び感温抵抗体３２，３３の
全体を覆うようにしてガラスなどからなる保護膜３７が
設けられている。

【００３７】すなわち、図６の熱式空気流量センサ３０
では、発熱抵抗体１２を挟んで設けられる上流側及び下
流側の感温抵抗体３２，３３の温度差により空気流量と
流れの方向とを検出する構成となっている。以上図６の
構成の熱式空気流量センサ３０にあっても、各抵抗体１
２，３２，３３を高さ６０μｍ程度の空気層３４の上に
置くことで断熱効果を高め、その検出精度を向上させる
ことができる。

【００３８】熱式空気流量センサを図７のように構成す
る。図７（ａ）は熱式空気流量センサ４０の平面図、同
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。前記図１，２
との相違点として図７では、基板１１上に、ブリッジ形
状をなす絶縁層４１が設けられ、基板１１と絶縁層４１
との間には空気層４２が設けられている。空気層４２は
その横の空気層１５と同様、６０μｍ程度の高さを有す
る（その製造方法も同じ）。絶縁層４１上にはその長手
方向に沿って感温抵抗体１３が設けられている。ここ
で、発熱抵抗体１２側の絶縁層１４の高さと感温抵抗体
１３側の絶縁層４１の高さとは一致している。すなわ
ち、図の上下に示す空気層１５，４２の高さは各々一致
する。

【００３９】以上図７の構成の熱式空気流量センサ４０
にあっても、各抵抗体１２，１３を高さ６０μｍ程度の
空気層４２の上に置くことで断熱効果を高め、その検出
精度を向上させることができる。また上記効果に加え、
絶縁層１４，４１の膜厚（空気層１５，４２の高さ）が
一致することから、その製造過程において絶縁層１４，
４１並びに抵抗体１２，１３の印刷の高さを変更する必
要はなく、作業の簡素化を図ることができる。

【００４０】上記実施の形態では、空気層１５の高さを
６０μｍ程度としたがこれを変更する。空気層１５の高
さは１５μｍ以上であればよく、望ましくは２０μｍ〜
１００μｍの範囲内であるとよい。但し、前記図５のよ
うな関係を参照して要求に見合った最適値を求め、その
最適値になるよう空気層を形成すればよい。

【００４１】上記実施の形態の熱式空気流量センサで
は、空気の流れ方向に対して直交させ、且つそれぞれ平
行に並べて各抵抗体を配設したが、これを変更する。例
えば各抵抗体が空気の流れ方向に対して直角以外の角度
を持って配設されるものとしてもよい。

【００４２】上記実施の形態の熱式空気流量センサで
は、絶縁層１４の厚さを２０μｍ以上としたが、これを
変更し、１５μｍ以上としてもよい。かかる構成におい
てもセンサの強度が確保できる。

【００４３】空気以外の流体の流量を検出する熱式流量
センサとして本発明を具体化することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における熱式空気流量センサ
の構成を示す平面図。

【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１
のＢ−Ｂ線断面図。

【図３】（ａ）は熱式空気流量センサの取付状態を示す
断面図、（ｂ）は熱式空気流量センサの要部を示す斜視
図。

【図４】熱式空気流量センサの製造過程を示す断面図。

【図５】空気層の高さと基板への放熱量との関係を示す
図。

【図６】他の形態において熱式空気流量センサの構成を
示す図。

【図７】他の形態において熱式空気流量センサの構成を
示す図。

【図８】熱式空気流量センサの動作原理を説明するため
の回路図。

【符号の説明】

１０，３０，４０…熱式空気流量センサ、１１…基板、
１２…発熱抵抗体、１３，３２，３３…感温抵抗体、１
４，３１，４１…絶縁層、１５，３４，４２…空気層、
２０…ペースト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上村 力也 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA04 EA08 3G084 DA04 FA08 4M112 AA10 BA01 BA10 CA49 CA51 CA54 DA13 DA15 FA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と絶縁層との間に高さ１５μｍ以上の
   空気層が設けられ、その空気層の上部にあたる絶縁層上
   に、所定の発熱温度で保持される発熱抵抗体が配設され
   ることを特徴とする熱式流量センサ。
2. 【請求項２】発熱抵抗体と感温抵抗体とが高断熱材料か
   らなる同一の基材上に形成される熱式流量センサであっ
   て、基板直上に温度補償用の感温抵抗体が設けられる請
   求項１に記載の熱式流量センサ。
3. 【請求項３】流体の流れ方向に対して上流側と下流側と
   に発熱抵抗体を挟んで感温抵抗体が各々配置され、それ
   ら感温抵抗体の温度差により流体流量と流れの方向とを
   検出する熱式流量センサにおいて、それら並設される各
   抵抗体は何れも前記空気層の上部にあたる絶縁層上に配
   設される請求項１又は２に記載の熱式流量センサ。
4. 【請求項４】前記絶縁層の厚さが１５μｍ以上である請
   求項１〜３の何れかに記載の熱式流量センサ。
5. 【請求項５】発熱抵抗体を載置するための絶縁層を焼成
   する温度では焼結しないペースト材料を用い、基板上に
   部分的に下層ペーストを印刷する工程と、 その上に上層ペーストを印刷し、下層及び上層のペース
   トを同時に焼成して上層ペーストを絶縁層とする工程
   と、 その後、下層ペーストを除去することにより基板と絶縁
   層との間に空気層を形成する工程とを有することを特徴
   とする熱式流量センサの製造方法。
6. 【請求項６】前記下層ペーストは、所望の厚さになるま
   で多層印刷される請求項５に記載の熱式流量センサの製
   造方法。