JP2003344136A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁膜の破損強度に優れる流量測定装置を提
供する。 【解決手段】 流体の流量を測定するために通電される
複数の流量測定用抵抗体３０，３１，３２，３３と、概
ね板状に形成され、表面２１ａに開口する空洞２４を有
する基材２１と、基材２１の表面２１ａ側に形成され、
空洞２４の開口２５を覆い流量測定用抵抗体３１，３
２，３３を内包するメンブレン部２７を有する絶縁膜２
６とを備え、測定流体がメンブレン部２７の空洞２４と
は反対面２７ａ側を流通する流量測定装置において、空
洞２４とは反対面２７ａ側に膨出する断面アーチ状にメ
ンブレン部２７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流量測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン等の吸気流量を測定する
流量測定装置として、熱式流量センサを用いるものが知
られている。この熱式流量センサを用いる流量測定装置
では、特開２００１−１８３２０２号公報等に開示され
ているように、単結晶シリコンからなる板状の基材に空
洞を設け、通電される流量測定用の抵抗体を複数内包す
る絶縁膜を空洞が開口する基材の表面側に形成してい
る。そして、絶縁膜のうち空洞の開口を覆うメンブレン
部に流量検出用抵抗体の少なくとも一つを配置して流量
測定用抵抗体の周囲の熱容量を低減させることで、高応
答性を実現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報等に開示の装
置では、図７（Ａ）に示すようにメンブレン部１が撓ま
ないように形成されている。そのため図７（Ｂ）に示す
ように、メンブレン部１の空洞２とは反対面側を流れる
測定流体中のダスト３が撓みのないメンブレン部１に衝
突すると、メンブレン部１の全体が空洞２側に向かって
変形する。このとき、基材４に保持されたメンブレン部
１の周縁部分１ａに応力が集中してしまう。そのため、
絶縁膜５がメンブレン部１の周縁部分１ａで破れ易くな
る。本発明の目的は、絶縁膜の破損強度に優れる流量測
定装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の流量測定装置によると、空洞が開口する基材の表面側
に形成される絶縁膜のうち、空洞の開口を覆い少なくと
も一つの流量測定用抵抗体を内包するメンブレン部は、
空洞とは反対面側に膨出する断面アーチ状に形成され
る。これにより、メンブレン部の空洞とは反対面側を流
通する測定流体中のダストがメンブレン部に衝突したと
き、メンブレン部は、ダストの衝突部位近傍で空洞側に
向かって変形する一方、ダストの衝突部位から離間した
部分で空洞とは反対側に向かって変形する。この変形に
より生じる応力は、メンブレン部の一部分に集中するこ
となく、分散される。したがって、絶縁膜がメンブレン
部において破れ難くなるので、絶縁膜の破損強度が向上
する。

【０００５】本発明の請求項２に記載の流量測定装置に
よると、メンブレン部の膨出量は、１０〜１００μｍに
設定される。これにより、メンブレン部の一部分への応
力集中を抑制しつつ、メンブレン部内部に生じる圧縮応
力によりメンブレン部の座屈が過剰になることを防止す
ることができる。したがって、絶縁膜がより一層破損し
難くなる。尚、メンブレン部の膨出量は、好ましくは２
０〜１００μｍに設定される。

【０００６】本発明の請求項３に記載の流量測定装置に
よると、絶縁膜は、少なくとも一層の圧縮応力膜と少な
くとも一層の引張応力膜との積層により形成される。し
たがって、積層される圧縮応力膜と引張応力膜の応力バ
ランスを適宜調整することで、メンブレン部が一方の面
側に膨出する絶縁膜を容易に形成することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
一実施例を図面に基づいて説明する。本発明の一実施例
による流量測定装置を図１〜図３に示す。流量測定装置
１０は、支持部材１１と、センサ部２０と、図示しない
回路部とを備えている。

【０００８】支持部材１１は樹脂で形成され、凹部１２
を有している。この凹部１２にセンサ部２０が収容され
ている。図示しないエンジンの吸気管内にセンサ部２０
が位置するように支持部材１１が吸気管に取付けられて
いる。これにより流量測定装置１０は、吸気管内を流れ
る流体たる吸気の流量と流れ方向とを測定する。センサ
部２０は、基材としてのフレーム素子２１と、絶縁膜２
６と、複数の流量測定用抵抗体とを有している。流量測
定用抵抗体は、温度検出抵抗体３０と、流量検出抵抗体
３１，３３と、発熱抵抗体３２とから構成されている。

【０００９】フレーム素子２１は単結晶シリコンで概ね
平板状に形成されている。フレーム素子２１は、一方の
板表面２１ｂ側で凹部１２の底面に接着剤３５で固定さ
れている。フレーム素子２１の他方の板表面２１ａと、
凹部１２が開口する支持部材１１の表面とは、ほぼ同一
平面上に位置している。フレーム素子２１には、その板
厚方向に貫通して表面２１ａ，２１ｂに開口する空洞２
４が形成されている。

【００１０】絶縁膜２６は、フレーム素子２１の表面２
１ａ側に積層形成されている。絶縁膜２６は、空洞２４
の一方の開口２５を覆うメンブレン部２７を形成してい
る。本実施例において吸気は、絶縁膜２６のフレーム素
子２１とは反対面側、すなわちメンブレン部２７の空洞
２４とは反対面２７ａ側を流通する。図１及び図３の破
線矢印Ｘは、吸気流れの順方向を示している。尚、吸気
流れの順方向とは吸気管を通りエンジン側に流れる吸気
流れの方向をいい、逆方向とはエンジン側から順方向と
は反対に流れる吸気流れの方向をいう。

【００１１】メンブレン部２７は、空洞２４とは反対面
２７ａ側に膨出する断面アーチ状に形成されている。具
体的に、メンブレン部２７の上記面２７ａは空洞２４と
は反対側に向かって膨らむ一方、メンブレン部２７の空
洞２４側の面２７ｅは面２７ａに沿うようにして空洞２
４とは反対側に向かって凹んでいる。本実施例において
メンブレン部２７の面２７ａ及び２７ｅはそれぞれ、滑
らかに湾曲する湾曲凸面形状及び湾曲凹面形状に形成さ
れている。尚、メンブレン部２７の上記したアーチ状の
断面形状は任意の縦断面で実現され、その任意の縦断面
において各面２７ａ及び２７ｅの外形線が反空洞側への
突端の頂点から滑らかな曲線状に延びるように形成され
ている。

【００１２】メンブレン部２７の面２７ａ側への膨出量
Ｅ（図１参照）については適宜設定可能であるが、本実
施例では１０〜１００μｍに設定される。メンブレン部
２７の膨出量Ｅが１０μｍ未満となると、流体中のダス
トが衝突したとき変形するメンブレン部２７の、特にフ
レーム素子２１に保持される周縁部分２７ｂにおいて応
力が集中してその周縁部分２７ｂで絶縁膜２６が破れ易
くなるため、図４に示すように破損時のダストの衝突速
度で表される絶縁膜２６の破損強度が低下する。また、
メンブレン部２７の膨出量Ｅが１００μｍを超えると、
メンブレン部形成時（初期）において内部（本実施例で
は後述する圧縮応力膜２８）に生じる圧縮内部応力によ
りメンブレン部２７の座屈が過大となり、その座屈部分
で絶縁膜２６が破損する。尚、本実施例においてメンブ
レン部２７の膨出量Ｅは、好ましくは２０〜１００μｍ
に設定される。

【００１３】本実施例の絶縁膜２６は、フレーム素子側
の一層の圧縮応力膜２８と、反フレーム素子側の一層の
引張応力膜２９との積層により形成されている。圧縮応
力膜２８は、例えばＳｉＯ₂膜で形成され、図５に矢印
で示すように内部に圧縮応力を生じさせている。引張応
力膜２９は、例えばＳｉ₃Ｎ₄で形成され、図５に矢印で
示すように内部に引張り応力を生じさせている。絶縁膜
２６はその積層形成時に圧縮応力膜２８に生じる圧縮内
部応力と引張応力膜２９に生じる引張り内部応力との応
力バランスが調整されることにより、メンブレン部２７
が面２７ａ側へ膨出する形状を保持している。

【００１４】絶縁膜２６は、流量測定用抵抗体としての
温度検出抵抗体３０、流量検出抵抗体３１，３３及び発
熱抵抗体３２を内包している。具体的には、絶縁膜２６
を構成する圧縮応力膜２８と引張応力膜２９との間に各
抵抗体３０〜３３が介装されている。これにより、圧縮
応力膜２８は抵抗体の支持膜として機能し、引張応力膜
２９は抵抗体の保護膜として機能している。各抵抗体３
０〜３３は、例えばＰｔ膜のパターニングにより形成さ
れている。各抵抗体３０〜３３は、吸気流れの順方向Ｘ
に温度検出抵抗体３０、流量検出抵抗体３１、発熱抵抗
体３２、流量検出抵抗体３３の順で設けられている。抵
抗体のうち流量検出抵抗体３１，３３及び発熱抵抗体３
２はメンブレン部２７に内包され、それら抵抗体３１，
３２，３３間の各間隔は抵抗体３０，３１間の間隔より
も小さく設定されている。

【００１５】各抵抗体３０〜３３は、電気的に独立して
複数のリード４０に接続されており、それら複数のリー
ド４０は前記回路部に接続されている。回路部により各
抵抗体３０〜３３は対応するリード４０を通じて通電さ
れる。温度検出抵抗体３０及び流量検出抵抗体３１，３
３の温度は、各抵抗体の抵抗値に基づき回路部により検
出される。発熱抵抗体３２は通電量を回路部により制御
されることで、温度検出抵抗体３０の検出温度よりも一
定温度だけ高い基準温度に発熱する。尚、図３において
リード４０の数は実際の数と一致していない。

【００１６】吸気流れが順方向Ｘの場合、その順方向Ｘ
において発熱抵抗体３２の上流側に位置する流量検出抵
抗体３１の検出温度は、発熱抵抗体３２の下流側に位置
する流量検出抵抗体３３の検出温度よりも低くなる。ま
た、吸気流れが逆方向の場合、その逆方向において発熱
抵抗体３２の上流側に位置する流量検出抵抗体３３の検
出温度は、発熱抵抗体３２の下流側に位置する流量検出
抵抗体３１の検出温度よりも低くなる。以上により回路
部は、流量検出抵抗体３１，３３の検出温度差と基準温
度（温度検出抵抗体３０の検出温度）とに基づいて吸気
流量を測定する。さらに回路部は、流量検出抵抗体３
１，３３の温度の高低に基づき吸気流れの方向を測定す
る。流量測定装置１０では、フレーム素子２１に形成さ
れた空洞２４を覆うメンブレン部２７に流量検出抵抗体
３１，３３及び発熱抵抗体３２が内包されているので、
それら抵抗体の周囲の熱容量が小さくなる。したがっ
て、吸気流量の変化に対し抵抗体の温度変化の応答性、
つまり吸気流量を測定する応答性を高めることができ
る。

【００１７】上述した流量測定装置１０では、図６に示
すように吸気中のダスト５０がメンブレン部２７の面２
７ａに衝突すると、メンブレン部２７のうち、ダスト５
０の衝突部位の近傍部分２７ｃは空洞２４側に向かって
湾曲変形する一方、ダスト５０の衝突部位から離間した
部分２７ｄは空洞２４とは反対側に向かって湾曲変形す
る。このとき、メンブレン部２７の変形により生じる応
力は上記の各部分２７ｃ，２７ｄにおいて分散するの
で、メンブレン部２７の一部分に応力集中することを回
避できる。したがって、絶縁膜２６がメンブレン部２７
において破損し難くなるので、絶縁膜２６の破損強度を
確保することができる。

【００１８】以上説明した上記実施例では、一層の圧縮
応力膜２８と一層の引張応力膜２９との積層により絶縁
膜２６が形成されているが、メンブレン部を空洞とは反
対側に膨出させる応力バランスが得られるように複数層
の圧縮応力膜と複数層の引張応力膜とを例えば交互にあ
るいは所定数ずつ積層して絶縁膜を形成してもよい。

【００１９】また上記実施例では、発熱体の上下流側の
温度差に基づいて流体流量を測定するように流量測定用
抵抗体が利用されているが、例えば複数の発熱体の発熱
量差に基づいて流体流量を測定するように流量測定用抵
抗体を利用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による流量測定装置のセンサ
部を模式的に示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例による流量測定装置を示す断
面図であって、図３のII−II線断面図である。

【図３】本発明の一実施例による流量測定装置を示す平
面図である。

【図４】本発明の一実施例による流量測定装置の絶縁膜
の破損強度について説明するための特性図である。

【図５】本発明の一実施例による流量測定装置の絶縁膜
に生じる内部応力について説明するための模式図であ
る。

【図６】本発明の一実施例による流量測定装置の絶縁膜
にダストが衝突したときの様子を模式的に示す断面図で
ある。

【図７】従来の流量測定装置の要部を模式的に示す断面
図であって、（Ａ）は絶縁膜が通常の状態にあるときの
様子を示し、（Ｂ）は絶縁膜にダストが衝突したときの
様子を示している。

【符号の説明】

１０ 流量測定装置 ２０ センサ部 ２１ フレーム素子（基材） ２１ａ フレーム素子の表面（基材の表面） ２４ 空洞 ２６ 絶縁膜 ２７ メンブレン部 ２８ 圧縮応力膜 ２９ 引張応力膜 ３０ 温度検出抵抗体（流量測定用抵抗体） ３１，３３ 流量検出抵抗体（流量測定用抵抗体） ３２ 発熱抵抗体（流量測定用抵抗体）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流量を測定するために通電される
   複数の流量測定用抵抗体と、 概ね板状に形成され、表面に開口する空洞を有する基材
   と、 前記基材の前記表面側に形成され、前記空洞の開口を覆
   い少なくとも一つの前記流量測定用抵抗体を内包するメ
   ンブレン部を有する絶縁膜と、を備え、 前記流体は、前記メンブレン部の前記空洞とは反対面側
   を流通し、 前記メンブレン部は、前記空洞とは反対面側に膨出する
   断面アーチ状に形成されていることを特徴とする流量測
   定装置。
2. 【請求項２】 前記メンブレン部の膨出量は、１０〜１
   ００μｍに設定されていることを特徴とする請求項１に
   記載の流量測定装置。
3. 【請求項３】 前記絶縁膜は、少なくとも一層の圧縮応
   力膜と少なくとも一層の引張応力膜との積層により形成
   されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流
   量測定装置。