JP2007285928A - 感熱式流量検出素子及び感熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な感熱式流量検出素子の提供。
【解決手段】計測流体の流れ方向に間隔を開けて並置される１組の感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂである発熱抵抗部と、感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂに接続され電力を供給する配線部材２１、２２、３１、３２と、を有し、加熱された前記発熱抵抗部及び前記計測流体の間の熱伝達現象に基づいて該計測流体の流量又は流速を計測する素子である。そして、前記１組の感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂにおける、中央部における間隔が端部における間隔よりも広くなる形状であることを特徴とする。本発明の感熱式流量検出素子においては配線部材が感熱抵抗体に接続される位置が計測流体の流れに対して直交する方向の両端部である。感熱抵抗体から配線部材に熱が伝達されるので配線部材に近い部位の方が、配線部材から遠い中央部よりも温度が低いので、端部よりも中央部における間隔を広くしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、計測対象である流体に発熱体から奪われる熱量により流量・流速を測定する感熱式流量検出素子及びその感熱式流量検出素子を用いた感熱式流量センサに関する。

内燃機関の吸入空気量を測定するなどの目的で、流体の流速（流量）を測定する種々の流量センサが提案されている。流量センサの１種として感熱式流量検出素子を用いた流量センサがある。感熱式流量検出素子は、流体の流速と、その流体中に配置された発熱体から流体への熱伝達量との間に成立するほぼ一義的な関数関係を利用して、熱伝達量に基づいて流体の流速を検出している（特許文献１〜３など）。

従来技術の感熱式流量検出素子としては、図４（特許文献１の図２を一部改変）に示すように、シリコン基板の表面に絶縁性の支持膜９２が形成され、該支持膜９２の上に感熱抵抗膜よりなる第１発熱抵抗９４及び第２発熱抵抗９５が形成され、該発熱抵抗９４、９５の上に絶縁性の保護膜が形成された上で、発熱抵抗９４、９５の形成されている領域の少なくとも一部の下部のシリコン基板が部分的に除去されてダイヤフラム構造とされ、絶縁性の支持膜９２の上に、計測流体の流れの方向に並んだ２つの発熱抵抗９４、９５が配置された構成を有する素子が開示されている（特許文献１）。かかる構成によって流体の流れの方向の検出が可能となり、高速応答性が備わっている。

計測流体が第１発熱抵抗９４から第２発熱抵抗９５に向けて流れる場合に、まず、計測流体は第１発熱抵抗９４に接触した後に第２発熱抵抗９５に接触することになる。従って、第１発熱抵抗９５では計測流体の流速に応じた流体への熱伝達量が観測されるが、第２発熱抵抗９５においては第１発熱抵抗９４から伝達された熱量により温度上昇した計測流体が接触するので熱伝達量が相対的に小さくなる。そこで、第１発熱抵抗９４における熱伝達量と第２発熱抵抗９５における熱伝達量との差から計測流体の流れる方向を知ることが可能になる。
特開平１１−２８１４４５号公報 特開平１１−１１８５５４号公報 特開平９−２４３４２５号公報

本発明は従来技術の感熱式流量検出素子について性能の更なる向上を目的として、従来技術よりも高性能な感熱式流量検出素子及びその感熱式流量検出素子を用いた感熱式流量センサを提供することを解決すべき課題とする。

（１）本発明の感熱式流量検出素子は、計測流体が流れる方向に間隔を開けて並んで配置される１組の感熱抵抗体よりなる発熱抵抗部と、該感熱抵抗体に接続され電力を供給する配線部材と、を有し、加熱された前記発熱抵抗部及び前記計測流体の間の熱伝達現象に基づいて該計測流体の流量又は流速を計測する素子である。

ここで、感熱式流量検出素子の構成要素である発熱抵抗部がもつ１組の感熱抵抗体の間隔は近すぎると、直接的な熱の伝導による影響が大きくなって流速による熱伝達量が占める割合が小さくなり計測流体の流れの向きによる変化が小さくなる。また、間隔が遠すぎると、１組の感熱抵抗体の間での計測流体による熱伝達が少なくなり、計測流体の流れの向きによる変化が小さくなる。従って、感度を向上するためには、両者の間隔を適正値にすることが必要である。

本発明者らは感熱式流量検出素子が備える１組の感熱抵抗体の間隔ついて鋭意検討を行った結果、感熱抵抗体自身の温度分布によって適正な間隔が変化して感熱式流量検出素子の感度に影響を与えることが判った。つまり、１組の感熱抵抗体の間隔の適正値は感熱抵抗体の温度に影響されるが、感熱抵抗体は電力を供給するための配線部材が接続されているが、感熱抵抗体から発生した熱は配線部材を通じて散逸し、感熱抵抗体の部位毎に温度がことなるので、１組の感熱抵抗体の間隔の適正値を一義的に決定することはできない。

以上の知見に基づき、本発明者らは１組の感熱抵抗体の間隔について感熱抵抗体の温度分布を考慮して決定することに想到し以下の発明を完成した。

なお、感熱式流量検出素子内での温度分布を考慮している従来技術としては特許文献２に開示の技術が挙げられる。特許文献２ではヒータを挟んで配置されると共に、ヒータの等温線に合わせた湾曲形状をもつ感温抵抗体を開示しているが、本発明とは原理が異なるものであり、流量変化に対する応答性が悪いと共に、抵抗体や、ヒータを配置する基板への熱の移動によるセンサ出力の感度依存については考慮されていない。

また、特許文献３には発熱体を含む温度検知部対の間にスリットなどを設けることで温度検知部の間での伝熱を抑制しているが、スリット形成に工数が必要であると共に強度が低下する不都合がある。

（ａ）本発明の第１の感熱式流量検出素子は、前記１組の感熱抵抗体における、計測流体の流れに直交する方向における各部位毎での前記間隔が、対応する部位における該感熱抵抗体の表面温度に応じて広くなる形状をもつことを特徴とする。

計測流体が流れる方向（１組の感熱抵抗体が並んでいる方向）と直交する方向における温度分布に応じて１組の感熱抵抗体の間隔を決定している。ここで、１組の感熱抵抗体の間隔を「対応する部位における該感熱抵抗体の表面温度に応じて広く」するとは温度（又は温度の対数など）に比例するように間隔を設定する方法や、温度が高い方の間隔を広くするように直線や曲線で間隔を規定する方法などが例示できる。例えば、１組の感熱抵抗体の間隔が形成する形状をひし形、楕円、長方形などの形状とすることができる。そして、１組の感熱抵抗体の形状を決定するに当たり、計測流体の流れに直交する方向における各部位毎の温度を考慮するのであるが、各部位の大きさは任意に設定することができる。例えば、細かく部位を設定することもできるし、２つ、３つといった荒い部位として設定することもできる。

（ｂ）本発明の第２の感熱式流量検出素子は、前記１組の感熱抵抗体における、該１組の感熱抵抗体の中央部における間隔が該端部における間隔よりも広くなる形状であることを特徴とする。例えば、前記１組の感熱抵抗体の前記間隔が、前記計測流体の流れに直交する方向の端部から中央部に向かって漸増するような形状である。

本発明の感熱式流量検出素子においては配線部材が感熱抵抗体に接続される位置が計測流体の流れに対して直交する方向の両端部である。従って、感熱抵抗体から配線部材を通じて熱が伝導するので配線部材に近い部位（両方の端部）の方が、配線部材から遠い中央部よりも温度が低くなる。従って、端部よりも中央部における間隔を広くしている。

端部よりも中央部における間隔が広い形状としては特に限定しないが、１組の感熱抵抗体の間隔が形成する形状をひし形、楕円、長方形などの形状とすることができる。

また、１組の感熱抵抗体のそれぞれの形状を弓状とし、中央部ほど両者の間の間隔が広がる向きに線対称に配置されている形状を例示することができる。

（ｃ）本発明の第３の感熱式流量検出素子は、前記１組の感熱抵抗体における、該１組の感熱抵抗体の他端部における間隔が該一端部における間隔よりも広くなる形状であることを特徴とする。

本発明の感熱式流量検出素子においては配線部材が感熱抵抗体に接続される位置が計測流体の流れに対して直交する方向の一端部である。従って、感熱抵抗体から配線部材を通じて熱が伝達されるので配線部材に近い部位である一端部の方が、配線部材から遠い他端部よりも温度が低くなる。従って、一端部よりも他端部における間隔を広くしている。

更に、（ａ）〜（ｃ）で述べた感熱式流量検出素子は、前記感熱抵抗体を一面側表面で支持する絶縁性の支持膜と、他面側から該支持膜を固定し且つ熱容量が小さくなるように該感熱抵抗体が支持される部分が切り欠かれている基材とを有することができる。支持膜上に発熱抵抗部を支持させることで、強度が向上して計測流体の流れに対する耐久性が向上すると共に、発熱抵抗部による計測流体の流れを乱すことが少なくなり流量測定の精度が向上できる。

（２）上記課題を解決する本発明の感熱式流量センサは、上述の感熱式流量検出素子と、該感熱式流量検出素子の前記感熱抵抗体及び前記計測流体の温度差を一定に保つように前記配線部材から電力を供給する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の感熱式流量検出素子は前述したような構成を有することから感熱式流量センサに適用した場合に以下の作用効果を発揮する。すなわち、感熱抵抗体の間隔を従来にない発想で適正化したことから、従来技術の感熱式流量検出素子よりも感度・応答性を高くすることができる。

本発明の感熱式流量検出素子について以下実施形態に基づき説明を行う。本実施形態の感熱式流量検出素子は計測流体の流速・流量を測定する感熱式流量センサに適用されている。本実施形態の感熱式流量センサは内燃機関の吸入空気量を測定する吸気量センサなどに適用可能である。吸気量センサにおける計測流体は空気である。計測流体としては空気以外のどのような流体としてもよい。

（構成）
本実施形態の感熱式流量検出素子は発熱抵抗部と配線部材とその他必要な部材とを有する。

・発熱抵抗部：発熱抵抗部は計測流体が流れる方向に間隔を開けて並んで配置される１組の感熱抵抗体をもつ。より詳しく説明すると、１組の感熱抵抗体を並べて配置した方向について計測流体の流れの方向を検出することができる。本実施形態では１組の感熱抵抗体の間隔（すなわち感熱抵抗体の形状）について特徴を有するのであるが詳しくは後述する。感熱抵抗体としては特に限定されず一般的な材料・構成が採用できる。例えば、熱容量を小さく且つ計測流体との間での熱伝達を速やかに進行させるために線状の部材にすることが望ましい。感熱抵抗体を線状の部材とした場合、その両端に後述する配線部材を接続することになる。なお、線状の感熱抵抗体は折り曲げて配置することで種々の形状を採ることができる。

配線部材：配線部材は感熱抵抗体に接続され電力を供給する部材である。配線部材は感熱抵抗体よりも電気抵抗が小さい部材であるので熱伝導性も感熱抵抗体より高く、配線部材を感熱抵抗体に接続する部位によって感熱抵抗体の表面温度分布が大きく変化する。つまり、配線部材が接続された部分から熱が奪われることで感熱抵抗体に熱勾配が生じることになる。

１組の感熱抵抗体の間にはできるだけ熱容量が大きい部材や熱伝導性が高い部材がない方が望ましいので、配線部材が１組の感熱抵抗体の間に配設されることを避けることが望ましい。

配線部材を感熱抵抗体に接続する部位として大きく分類すると、計測流体の流れに対して直交する方向の(i)両端部で接続するもの、(ii)一端部で接続するもの、(iii)１組の感熱抵抗体が対向する反対側の部位で接続するものが挙げられる。ここで、感熱抵抗体自身の形状にもよるが、感熱抵抗体から配線部材への熱伝導を考えると、(i)の両端部で接続する場合には両端部の温度が低く、中央部の温度が高くなり、(ii)の一端部で接続する場合には一端部の温度が低く、他端部の温度が高くなる。(iii)の１組の感熱抵抗体が対向する反対側の部位で接続する場合には反対側の温度が低くなり、対向する側の温度が高くなる。以上のことは感熱抵抗体として長い線状の部材を折り曲げている場合（例えば、(ii)の場合に線状の部材の両端部に配線部材を接続した上で、折り曲げることで一端部にて接続した形態が実現される）でも概ね妥当する。

・１組の感熱抵抗体の間隔：以上説明したように、感熱抵抗体に配線部材を接続する位置によって、感熱抵抗体における温度分布が変化するのでその温度分布の形態に応じて１組の感熱抵抗体の間隔を設定する。

具体的には温度が高い部分の間隔を広くし、温度が低い部分の間隔を小さくする。以下、図に基づき詳細に説明する。各図においては同様の機能をもつ部材については概ね対応する符号を付けた。

ここで、１組の感熱抵抗体の間隔が温度により変化することを説明すると、図１に示すように、１組の感熱抵抗体の間隔と熱的影響力との関係として説明できる。つまり、熱的影響力が大きくなるような間隔を採用することで感熱式流量検出素子の感度などを向上することが可能になる。熱的影響力は、相対的に温度が高い感熱抵抗体の部分では間隔が広いところに極大値をもち、相対的に温度が低い部分では間隔が狭いところに極大値をもつ。従って、１組の感熱抵抗体の間隔としては温度が高い部分の間隔を広くし、温度が低い部分の間隔を小さくすることが望ましいことが判る。ここで「熱的影響力」とは、「上流発熱体が下流発熱体へ及ぼす熱的影響（流量によって変化する熱的影響）」− 「下流発熱体が上流発熱体へ及ぼす熱的影響（流量には影響されず、基板等の固体を伝熱する熱的影響）」で表される。

図２（ａ）〜図２（ｃ）に、計測流体が流れる方向に直交する方向の両端部に配線部材２１、２２、３１及び３２を接続した形態をもつ感熱抵抗体１１〜１３について示す。両端部に配線部材を接続したことで感熱抵抗体は中央部が両端部よりも高温になる。例えば、図２（ａ）において、感熱抵抗体１１ａは両端部にて配線部材２１及び２２に接続されているので、感熱抵抗体１１ａから発生した熱は配線部材２１及び２２に奪われて感熱抵抗体１１ａの温度分布に中央部が高く両端部が低い勾配が生じることになる。

従って、各々の感熱抵抗体１１〜１３の形状は中央部の間隔が広く、両端部の間隔が狭い形状になっている。具体的には、図２（ａ）に示すように、なめらかに湾曲させて両端部から中央部に向けて徐々に間隔が広くなっていく形状や、図２（ｂ）に示すように、中央部を矩形状に凹ませる（切り欠いた）形状、図２（ｃ）に示すように、両端部から中央部に向けて直線的に間隔を広くする形状が例示できる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に、計測流体が流れる方向に直交する方向の一端部に配線部材２１、２２、３１及び３２を接続した形態をもつ感熱抵抗体１４〜１６について示す。一端部に配線部材を接続したことで感熱抵抗体は他端部が一端部よりも高温になる。例えば、図３（ａ）において、感熱抵抗体１４ａは一端部にて配線部材２１及び２２に接続されているので、感熱抵抗体１４ａから発生した熱は配線部材２１及び２２に奪われて感熱抵抗体１４ａの温度分布に他端部が高く一端部が低い勾配が生じることになる。

従って、各々の感熱抵抗体１４〜１６の形状は他端部の間隔が広く、一端部の間隔が狭い形状になっている。具体的には、図３（ａ）に示すように、なめらかに湾曲させて一端部から他端部に向けて徐々に間隔が広くなっていく形状や、図３（ｂ）に示すように、他端部を矩形状に凹ませる（切り欠いた）形状、図３（ｃ）に示すように、一端部から他端部に向けて直線的に間隔を広くする形状が例示できる。

・その他必要な部材：その他必要な部材としては、支持膜、基材などが例示できる。支持膜は感熱抵抗体を一面側にて支持する膜状の部材であり、支持膜の存在によって感熱式流量検出素子の強度が向上できると共に、支持膜の存在により計測流体の流れに与える影響を少なくすることが可能になる。

基材は支持膜を固定する部材であり、熱容量が小さくなるように感熱抵抗体の近傍が切り欠かれた形状をもつ部材である。基材は支持膜の他面側にて固定する形態を採用することで、感熱抵抗体が存在する一面側における計測流体の流れに与える影響を低減できる。

（作用効果）
本実施形態の感熱式流量検出素子は以上の構成をもつことから以下の作用効果を発揮する。図１（ａ）に示した感熱式流量検出素子に基づき説明する。他の感熱式流量検出素子でも同様の作用効果を発揮できる。配線部材２１及び２２、３１及び３２を介して感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂに電力を供給することで、感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂは発熱する。ここで感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂは自身の温度により抵抗値が変化するので、供給する電力を制御することによりその温度を一定に保つことが可能である。更に、計測流体の温度を測定する感温抵抗体（温度により抵抗値が変化する）を採用し、ブリッジ回路などを用いて感温抵抗体の抵抗値を参照しながら感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂに電力を供給することで感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂと計測流体との温度の差を一定に保つことができる。

ここで、計測流体が感熱抵抗体１１ａから感熱抵抗体１１ｂに向けて流れている場合で説明すると、感熱抵抗体１１ａにおける計測流体への熱伝達と、感熱抵抗体１１ｂから計測流体への熱伝達では感熱抵抗体１１ａから計測流体への熱伝達の方が大きくなる。これは感熱抵抗体１１ｂが感熱抵抗体１１ａの下流に位置するために計測流体が加温されるからである。従って、感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂで消費する電力量及びその電力量の差や比から計測流体の流速及び流れの向きを算出することができる。本実施形態の感熱式流量検出素子では感熱抵抗体１１ａ及び１１ｂの各部位における間隔を適正化できるので感度などの諸性能を向上することができる。

１組の感熱抵抗体の間の熱的影響力と感熱抵抗体の温度との関係を示すグラフである。 実施形態の感熱式流量検出素子を示す概略図である。 実施形態の感熱式流量検出素子を示す概略図である。 従来の感熱式流量検出素子を示す概略図である。

符号の説明

１１ａ〜１６ａ、１１ｂ〜１６ｂ…感熱抵抗体
２１、２２、３１、３２…配線部材

Claims (7)

1. 計測流体が流れる方向に間隔を開けて並んで配置される１組の感熱抵抗体よりなる発熱抵抗部と、
   該感熱抵抗体に接続され電力を供給する配線部材と、を有し、
   加熱された前記発熱抵抗部及び前記計測流体の間の熱伝達現象に基づいて該計測流体の流量又は流速を計測する感熱式流量検出素子において、
   前記１組の感熱抵抗体は、計測流体の流れに直交する方向における各部位毎での前記間隔が、対応する部位における該感熱抵抗体の表面温度に応じて広くなる形状をもつことを特徴とする感熱式流量検出素子。
2. 計測流体が流れる方向に間隔を開けて並んで配置される１組の感熱抵抗体よりなる発熱抵抗部と、
   該計測流体の流れに対して直交する方向の両端部で該感熱抵抗体に接続され電力を供給する配線部材と、を有し、
   加熱された前記発熱抵抗部及び前記計測流体の間の熱伝達現象に基づいて該計測流体の流量又は流速を計測する感熱式流量検出素子において、
   前記１組の感熱抵抗体は、該１組の感熱抵抗体の中央部における間隔が該端部における間隔よりも広くなる形状であることを特徴とする感熱式流量検出素子。
3. 前記１組の感熱抵抗体の前記間隔は、前記計測流体の流れに直交する方向の端部から中央部に向かって漸増する請求項２に記載の感熱式流量検出素子。
4. 前記１組の感熱抵抗体の形状は弓状であり、中央部ほど前記間隔が広がる向きに該１組の感熱抵抗体が線対称に配置されている請求項２又は３に記載の感熱式流量検出素子。
5. 計測流体が流れる方向に間隔を開けて並んで配置される１組の感熱抵抗体よりなる発熱抵抗部と、
   該計測流体の流れに対して直交する方向の一端部で該感熱抵抗体に接続され電力を供給する配線部材と、を有し、
   加熱された前記発熱抵抗部及び前記計測流体の間の熱伝達現象に基づいて該計測流体の流量又は流速を計測する感熱式流量検出素子において、
   前記１組の感熱抵抗体は、該１組の感熱抵抗体の他端部における間隔が該一端部における間隔よりも広くなる形状であることを特徴とする感熱式流量検出素子。
6. 前記感熱抵抗体を一面側表面で支持する絶縁性の支持膜と、他面側から該支持膜を固定し且つ熱容量が小さくなるように該感熱抵抗体が支持される部分が切り欠かれている基材とを有する請求項１〜５のいずれかに記載の感熱式流量検出素子。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の感熱式流量検出素子と、該感熱式流量検出素子の前記感熱抵抗体及び前記計測流体の温度差を一定に保つように前記配線部材から電力を供給する制御手段と、を有することを特徴とする感熱式流量センサ。

Images