JP2009276280A - 濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンルーム内のような高温環境下に設置した場合でも、動作不良を発生することなく使用可能にする。
【解決手段】本発明の濃度検出装置１は、リードフレーム８と、燃料濃度検出用のセンサチップ９と、信号処置用の回路チップ１０と、これらリードフレーム８、センサチップ９および回路チップ１０をモールドするモールド樹脂１１とを備えてなる装置であって、燃料流路１８の流路壁に貫通状に取り付けられる取り付け部材３を備え、この取り付け部材３のうちの燃料流路１８内に突出する突出端部に濃度検出装置１のモールド樹脂１１の一方の面１１ｂを当接させるように取り付け、モールド樹脂１１の他方の面１１ｃに燃料が接触しながら流れるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばアルコール混合燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出装置に関する。

近年、バイオアルコール燃料の普及を受け、今後はアルコール濃度可変の燃料を使用できるFlex Fuel Vehicle（ＦＦＶ）が普及すると予想される。ＦＦＶのエンジンの燃焼制御においては、現在、酸素センサを用いて排ガス中の酸素濃度を検出し、この検出した酸素濃度から燃料中のアルコール濃度を間接的に推定して検出するようにしている。しかし、酸素センサの特性上、ガソリンの理論空燃比以外では検出精度が悪く、特にエンジンの低温始動時にアルコール濃度の検出精度が悪化する。このため、エンジンの始動性向上、エミッション低減に対する今後の高い要求を満たすためには、燃料中のアルコール濃度を直接的に測定する必要がある。このアルコール濃度を直接測定する装置としては、特許文献１および２に記載された検出器が知られている。
特表平５−５０７５６１号公報 特開２００４−１２５４６４号公報

上記特許文献１に記載された検出器は、混合気のアルコール含有量を検出する検出器であり、ケーシングと、このケーシング内に混合気に曝されるように設けられたセンサとから構成されている。しかし、上記構成の検出器は、全体の構成が大きいので、取付け場所に制約を受けるという問題がある。

この問題を解消する小型の検出装置の一例として、特許文献２に記載されたアルコール濃度センサ及びアルコール濃度測定装置が知られている。このような小型の濃度検出装置をエンジンルーム内に設置するに際しては、エンジン制御性の観点から見ると、濃度検出装置と燃料噴射装置（インジェクタ）との間の距離を短くする方が好ましい。というのは、燃料濃度を検出して噴射量を調整するまでのタイムラグを小さくすることができるためである。このため、濃度検出装置を、エンジンルーム内のフューエルデリバリーパイプ、または、フューエルデリバリーパイプに近い燃料配管に取り付けることが望ましい。

しかし、エンジンルーム内の環境においては、雰囲気温度が最高１４０℃程度まで上昇するため、濃度検出装置内に信号処理回路用の半導体チップが配設されている場合には、半導体チップ上の信号処理回路において電流リークが増大し、動作不良が生じる可能性が高くなるという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、エンジンルーム内のような高温環境下に設置した場合でも、動作不良を発生することなく使用することができる濃度検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、リードフレームと、リードフレーム上に取り付けられた燃料濃度検出用のセンサチップと、リードフレーム上に取り付けられた信号処置用の回路チップと、前記リードフレーム、前記センサチップおよび前記回路チップをモールドするモールド樹脂とを備えてなる濃度検出装置であって、燃料が流れる燃料流路の流路壁に貫通状に取り付けられる取り付け部材を備え、前記取り付け部材のうちの前記燃料流路内に突出する突出端部に前記濃度検出装置のモールド樹脂の一方の面を当接させるように取り付け、前記モールド樹脂の他方の面に燃料が接触しながら流れるように構成したので、エンジンルーム内のような高温環境下に設置した場合でも、濃度検出装置の回路チップから発生する熱を燃料側に放熱することができ、従って、動作不良を発生することなく使用することができる。

上記構成の場合、請求項２の発明のように、前記モールド樹脂の熱伝導率が、前記取り付け部材の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。また、請求項３の発明のように、前記モールド樹脂は、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂であることが良い構成である。

請求項４の発明によれば、前記モールド樹脂に、空気を含ませるように構成したので、高温環境からの熱が伝わり難くなる。
請求項５の発明によれば、前記モールド樹脂を、少なくとも２種類のモールド樹脂で構成し、燃料に接する側のモールド樹脂の熱伝導率を、燃料に接しない側のモールド樹脂の熱伝導率よりも大きくしたので、濃度検出装置の回路チップから発生する熱を燃料側に放熱し易くなると共に、高温環境からの熱が伝わり難くなる。この場合、請求項６の発明のように、前記燃料に接する側のモールド樹脂に、熱伝導性フィラーを充填することが好ましい。

請求項７の発明によれば、前記モールド樹脂のうちの燃料に接する面から前記リードフレームまでの厚み寸法を、前記モールド樹脂のうちの前記取り付け部材に接する面から前記リードフレームまでの厚み寸法よりも小さくするように構成したので、濃度検出装置から発生する熱を燃料側に放熱し易くなると共に、高温環境に対する断熱性を高めることができる。

請求項８の発明によれば、前記モールド樹脂と前記取り付け部材との間に低熱伝導材料製のシートを設けたので、高温環境に対する断熱性を高めることができる。
請求項９の発明によれば、前記モールド樹脂のうちの前記取り付け部材に接する部分の面積を小さくしたので、高温環境に対する断熱性を高めることができる。

請求項１０の発明によれば、前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分の表面に、パリレン、シリカなどの無機材料をコーティングしたので、濃度検出装置から発生する熱を燃料側に放熱し易くなると共に、燃料が濃度検出装置内に浸透することを防止できる。

請求項１１の発明によれば、前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分の表面の面粗度を大きくしたので、モールド樹脂と燃料の接触面積を大きくすることができ、放熱性を高めることができる。

請求項１２の発明によれば、前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分に、多数の溝を有するフィン形状部を設けたので、モールド樹脂と燃料の接触面積を大きくすることができ、放熱性を高めることができる。この場合、請求項１３の発明のように、前記モールド樹脂のフィン形状部の溝が、燃料の流れる方向に沿うように、前記モールド樹脂を配置することが好ましい。

請求項１４の発明によれば、前記センサチップと、前記回路チップをワンチップで構成したので、濃度検出装置の全体構成をより一層小型化することができる。

以下、本発明を例えばアルコール混合燃料のアルコールの混合比を検出する濃度検出装置に適用した第１の実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。まず、図２は、本実施例の濃度検出装置１の全体構成を示す図である。図２に示すように、濃度検出装置１は、半導体装置２と、取り付け部材３とから構成されている。取り付け部材３は、金属（例えばＳＵＳ）製のハウジング４と、このハウジング４にかしめ固定されたプラスチック製のコネクタ５とから構成されている。

ハウジング４は、外周部にねじ部４ａが形成された上部ハウジング４ｂと、この上部ハウジング４ｂと一体に形成されたナット部４ｃとを有する。上部ハウジング４ｂの上面部に、矩形状の半導体装置２が貼り付けられており、この半導体装置２の周囲には封止材（例えばフッ素系の樹脂）６が設けられている。

コネクタ５には、信号取り出し電極として例えば３個のターミナル７が配設されており、これらターミナル７は、ハウジング４に形成された貫通孔４ｄを通るように上方へ延びており、半導体装置２の３個のリード端子８ａに例えば溶接されて接続されている。尚、ハウジング４の貫通孔４ｄとターミナル７との間は、絶縁物にて絶縁されている。

さて、半導体装置２は、図１に示すように、リードフレーム８と、このリードフレーム８上に取り付けられた燃料濃度検出用のセンサチップ９と、リードフレーム８上に取り付けられた信号処置用の回路チップ１０と、リードフレーム８、センサチップ９および回路チップ１０をモールドするモールド樹脂１１とを備えている。

センサチップ９および回路チップ１０は、リードフレーム８上にダイボンド１２を介して接着されている。センサチップ９と回路チップ１０との間、並びに、回路チップ１０とリードフレーム８のリード端子８ａとの間は、ボンディングワイヤ１３を介して接続されている。

センサチップ９は、半導体基板１４と、この半導体基板１４上に形成された例えば櫛歯状電極からなる検出部１５と、半導体基板１４上に検出部１５を覆うように形成された保護膜１６とから構成されている。モールド樹脂１１におけるセンサチップ９の検出部１５に対応する部位には、検出部１５を露出させるように開口部１１ａが形成されている。これにより、検出部である櫛歯状電極を測定したい燃料に曝すことができる。

回路チップ１０は、半導体基板１７と、この半導体基板１７上に形成されたＣＭＯＳトランジスタや抵抗やコンデンサ等とから構成されており、フィルタ回路および増幅回路等としての機能を備えている。そして、櫛歯状電極の櫛歯間の静電容量値（燃料の誘電率に準じた静電容量値）から、燃料に含まれるアルコール濃度を検出するに当たっては、予め、燃料（ガソリンとアルコール）の混合比率と静電容量値との間の関係を示すデータを求めて記憶しておく。このデータに基づいて、検出した静電容量値に対応する混合比率（濃度）を求めることができる。センサチップ９の検出部１５で検出された検出信号は、回路チップ１０にて信号処理された後、リード端子８ａを介して出力される。

また、静電容量だけでなく、誘電損失等も含めたインピーダンスの形で測定しても良い。複数の物理量を同時測定することで、測定精度の向上や、異物混入の判定や、誤差補正等が可能となる。

モールド樹脂１１は、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂で構成されており、その熱伝導率は、取り付け部材３（ハウジング４、即ち、ＳＵＳ）の熱伝導率よりも小さい。

次に、図３を参照しながら、上記した構成の濃度検出装置１を、燃料が流れる燃料流路である例えば燃料配管１８に取り付ける構造について説明する。燃料配管１８は、車両のエンジンルーム（高温環境）内に配設されている。エンジンルーム内は、雰囲気温度が最高１４０℃程度まで上昇することから、燃料配管１８の管壁の温度もエンジンルーム内の雰囲気温度近くまで上昇する。尚、燃料配管１８内を流れる燃料の温度は、７０℃程度である。

この場合、図３に示すように、燃料配管１８の管壁（流路壁）１８ａのうちの濃度検出装置１を取り付ける部位には、取り付け用のねじ孔１８ｂが形成されている。このねじ孔１８ｂ内に、濃度検出装置１の取り付け部材３のハウジング４の上部ハウジング４ｂをねじ込んで締め付け固定する。このとき、濃度検出装置１の上部ハウジング４ｂを燃料配管１８の管壁１８ａに貫通状に取り付けており、上部ハウジング４ｂの上端部が燃料配管１８内を流れる燃料中に突出するように構成されている。これにより、上部ハウジング４ｂの上面部に取り付けられた半導体装置２の上面に燃料が直接接触しながら流れる構成となる。

この構成の場合、取り付け部材３のうちの燃料配管１８内に突出する上部ハウジング４ｂの上面部（突出端部）に、濃度検出装置１のモールド樹脂１１の一方の面（図１中の下面１１ｂ）が当接している。そして、モールド樹脂１１の他方の面（図１中の上面１１ｃ）に燃料が接触しながら流れる構成となっている。

このような構成の本実施例によれば、燃料配管１８の管壁に貫通状に取り付けられる金属製の取り付け部材３の上部ハウジング４ｂの上面部に、半導体装置２のモールド樹脂１１の一方の面１１ｂを当接させると共に、モールド樹脂１１の他方の面１１ｃに燃料が接触しながら流れるように構成したので、濃度検出装置１をエンジンルーム内のような高温環境下に設置した場合でも、濃度検出装置１の半導体装置２の回路チップ１０から発生する熱を燃料側に良好に放熱することができる。これにより、半導体装置２の温度を燃料の温度と同等程度に保持することができる。従って、濃度検出装置１、即ち、半導体装置２が動作不良を起こすことを防止できる。

また、上記実施例の場合、モールド樹脂１１を、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂で構成し、モールド樹脂１１の熱伝導率が、取り付け部材３（ＳＵＳ）の熱伝導率よりも小さい構成としたので、高温環境である取り付け部材３からの熱が半導体装置２に伝わり難くなる。即ち、取り付け部材３からの熱に対する半導体装置２のモールド樹脂１１の断熱性を高めることができる。

尚、上記実施例において、モールド樹脂１１に、空気を含ませるように構成（即ち、発泡樹脂で構成）するようにしても良く、このように構成すると、モールド樹脂１１の断熱性をより一層高めることができる。

図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第２の実施例では、モールド樹脂１１を、２種類のモールド樹脂１９、２０で構成し、燃料に接する側のモールド樹脂１９の熱伝導率を、燃料に接しない側のモールド樹脂２０の熱伝導率よりも大きくするように構成した。上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例によれば、濃度検出装置１の回路チップ１０から発生する熱を燃料側に放熱し易くなると共に、高温環境（取り付け部材３）からの熱が回路チップ１０へより一層伝わり難くなる。

尚、上記第２の実施例の場合、燃料に接する側のモールド樹脂１９に、熱伝導性フィラーを充填することが好ましい。熱伝導性フィラーの材料としては、ＢＮ、ＡｌＮ、アルミナなどのセラミック系、もしくはＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅなどの金属粉末を用いることが良い。モールド樹脂１９に熱伝導性フィラーを充填すると、モールド樹脂１９の熱伝導率をより一層高くすることが可能となるから、放熱性をより一層高めることができる。

図５は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第３の実施例では、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する面１１ｃからリードフレーム８までの厚み寸法ｄ１を、モールド樹脂１１のうちの取り付け部材３に接する面１１ｂからリードフレーム８までの厚み寸法ｄ２よりも小さくするように構成した。上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第３の実施例によれば、濃度検出装置１の回路チップ１０から発生する熱を燃料側に一層放熱し易くなると共に、高温環境に対する断熱性を一層高めることができる。

図６は、本発明の第４の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第４の実施例では、モールド樹脂１１のうちの取り付け部材３に接触する側の面１１ｂに、低熱伝導材料（例えばゴムやポリウレタン等）製のシート２１を貼り付けた。上述した以外の第４の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第４の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第４の実施例によれば、モールド樹脂１１と取り付け部材３との間に低熱伝導材料製のシート２１を設ける構成としたので、高温環境に対する断熱性をより一層高めることができる。

図７は、本発明の第５の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第５の実施例では、モールド樹脂１１のうちの取り付け部材３に接する面１１ｂに、凸部２２を設け、モールド樹脂１１と取り付け部材３（のハウジング４）との接触面積を小さくするように構成した。上述した以外の第５の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第５の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第５の実施例によれば、モールド樹脂１１のうちの取り付け部材３に接する部分の面積を小さくしたので、高温環境に対する断熱性をより一層高めることができる。

図８は、本発明の第６の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第６の実施例では、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分１１ｃの表面に、パリレン、シリカなどの無機材料２３をコーティングした。上述した以外の第６の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第６の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第６の実施例によれば、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分１１ｃの表面に無機材料２３をコーティングしたので、濃度検出装置１から発生する熱を燃料側に放熱し易くなる、即ち、放熱性を高めることができると共に、燃料がモールド樹脂１１（濃度検出装置１）内に浸透することを防止できるから、電気的接続部やボンディングワイヤ１３等が腐食したり、損傷したりすることを防止できる。

図９は、本発明の第７の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第７の実施例では、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分の表面の面粗度を大きくするように凹凸状部２４を形成した。上述した以外の第７の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第７の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第７の実施例によれば、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分の表面の面粗度を大きくしたので、モールド樹脂１１と燃料の接触面積を大きくすることができ、放熱性をより一層高めることができる。

図１０および図１１は、本発明の第８の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第８の実施例では、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分に、多数の溝２５ａを有するフィン形状部２５を設けると共に、モールド樹脂１１のフィン形状部２５の溝２５ａが、燃料の流れる方向Ａ（図１１参照）に沿うように、モールド樹脂１１（濃度検出装置１）を配置するように構成した。上述した以外の第８の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

従って、第８の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第８の実施例によれば、モールド樹脂１１のうちの燃料に接する部分に、多数の溝２５ａを有するフィン形状部２５を設けたので、モールド樹脂１１と燃料の接触面積を大きくすることができ、放熱性を高めることができる。更に、モールド樹脂１１のフィン形状部２５の溝２５ａを、燃料の流れる方向に沿うように構成したので、放熱性をより一層高めることができる。

尚、上記した各実施例においては、センサチップ９と回路チップ１０を別チップとして設けたが、これに代えて、センサチップと回路チップをワンチップで構成しても良い。例えば、図１２に示す本発明の第９の実施例のように、１個のチップ２６に、検出部１５と、フィルタ回路および増幅回路等を設けるように構成した。尚、上述した以外の第９の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第９の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第９の実施例によれば、濃度検出装置１の全体構成をより一層小型化することができる。

また、上記各実施形態では、濃度検出装置１を燃料配管１８に取り付けるように構成したが、これに限られるものではなく、エンジンルルーム内のフューエルデリバリーパイプに取り付けるように構成しても良い。

本発明の第１の実施例を示す半導体装置の縦断面図 （ａ）は濃度検出装置の縦断面図、（ｂ）は濃度検出装置の上面図 燃料配管への濃度検出装置の取り付けを説明する図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図 本発明の第５の実施例を示す図１相当図 本発明の第６の実施例を示す図１相当図 本発明の第７の実施例を示す図１相当図 本発明の第８の実施例を示す図１相当図 半導体装置の上面図 本発明の第９の実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は濃度検出装置、２は半導体装置、３は取り付け部材、４はハウジング、５はコネクタ、６は封止材、７はターミナル、８はリードフレーム、８ａはリード端子、９はセンサチップ、１０は回路チップ、１１はモールド樹脂、１２はダイボンド、１３はボンディングワイヤ、１４は半導体基板、１５は検出部、１７は半導体基板、１８は燃料配管（燃料流路）、１９、２０はモールド樹脂、２１はシート、２２は凸部、２３は無機材料、２４は凹凸状部、２５はフィン形状部を示す。

Claims (14)

1. リードフレームと、リードフレーム上に取り付けられた燃料濃度検出用のセンサチップと、リードフレーム上に取り付けられた信号処置用の回路チップと、前記リードフレーム、前記センサチップおよび前記回路チップをモールドするモールド樹脂とを備えてなる濃度検出装置であって、
   燃料が流れる燃料流路の流路壁に貫通状に取り付けられる取り付け部材を備え、
   前記取り付け部材のうちの前記燃料流路内に突出する突出端部に前記濃度検出装置のモールド樹脂の一方の面を当接させるように取り付け、前記モールド樹脂の他方の面に燃料が接触しながら流れるように構成したことを特徴とする濃度検出装置。
2. 前記モールド樹脂の熱伝導率が、前記取り付け部材の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の濃度検出装置。
3. 前記モールド樹脂は、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項２記載の濃度検出装置。
4. 前記モールド樹脂に、空気を含ませることを特徴とする請求項２または３記載の濃度検出装置。
5. 前記モールド樹脂を、少なくとも２種類のモールド樹脂で構成し、
   燃料に接する側のモールド樹脂の熱伝導率を、燃料に接しない側のモールド樹脂の熱伝導率よりも大きくしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の濃度検出装置。
6. 前記燃料に接する側のモールド樹脂に、熱伝導性フィラーを充填することを特徴とする請求項５記載の濃度検出装置。
7. 前記モールド樹脂のうちの燃料に接する面から前記リードフレームまでの厚み寸法を、前記モールド樹脂のうちの前記取り付け部材に接する面から前記リードフレームまでの厚み寸法よりも小さくするように構成したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
8. 前記モールド樹脂と前記取り付け部材との間に低熱伝導材料製のシートを設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
9. 前記モールド樹脂のうちの前記取り付け部材に接する部分の面積を小さくしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
10. 前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分の表面に、パリレン、シリカなどの無機材料をコーティングしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
11. 前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分の表面の面粗度を大きくしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
12. 前記モールド樹脂のうちの燃料に接する部分に、多数の溝を有するフィン形状部を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の濃度検出装置。
13. 前記モールド樹脂のフィン形状部の溝が、燃料の流れる方向に沿うように、前記モールド樹脂を配置したことを特徴とする請求項１２記載の濃度検出装置。
14. 前記センサチップと、前記回路チップをワンチップで構成したことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の濃度検出装置。

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