JP2012047660A

JP2012047660A - 熱式流量センサ

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Publication number: JP2012047660A
Application number: JP2010191653A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Nakada; 圭一中田; Takeshi Morino; 毅森野; Toshiaki Kaminaga; 俊明神永
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: JP5455848B2

Abstract

【課題】副通路を変形させない位置に温度検出センサ素子を配置した際に温度検出の信頼性を向上した流量センサを提供すること。
【解決手段】主通路２０の内部に挿入され、主通路の流量の一部が流れこむ副通路９を構成する樹脂ハウジング部材１８と、副通路に配置される流量を検出する流量センサ素子１と、流量センサ素子と電気的に接続される回路基板１６と、電気信号を伝える２本のリードを有する温度を検出する温度検出センサ素子２と、２本のリードがそれぞれ電気的，機械的に接続され、かつ、回路基板に電気的に接続され、樹脂ハウジング部材にインサート成形された第１のターミナル３および第２のターミナル４とを有する熱式流量センサにおいて、温度検出センサ素子は、副通路の外部に設けられており、第１のターミナルまたは第２のターミナルは、樹脂ハウジング部材にインサートされている領域にダミー領域２４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用内燃機関の吸気通路を流れる空気等の流量を検出すべく、検知部としての発熱抵抗体によるセンサ素子を備えた熱式流量センサに係り、特に吸気などの温度を検出する温度センサを一体化し、温度センサの信頼性向上を図った熱式流量センサに関する。

自動車のエンジン制御の分野では、エンジンに供給される空気流量をシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上にマイクロマシニング技術を用いて製造したセンサ素子を用いた流量センサが提案されており、このような流量センサとしては、例えば、下記特許文献１に記載の発明がある。係る文献に記載の構成は、長期間の自動車環境での使用において信頼性を確保するために、流量センサ素子を、流量に含まれる水分やダストから保護するために、流量センサ素子を配置する副通路において、気体が入口から流入する方向と、流量センサ素子付近の流量方向が異なるように副通路を形成し、水分やダストが流量センサ素子に直接衝突し難い構成が開示されている。

また、吸気などの温度を検出する温度検出センサ素子を流量センサに一体化し、１つのセンサモジュールにおいて２つの物理量を検出することが一般的であり、例えば、下記特許文献２に記載の発明がある。特許文献２には記載の構成は、温度検出センサ素子を副通路に配置する構成が開示されている。

特開２００９−１２２０５４号公報特開２００７−２４８１３７号公報

自動車のエンジンルームは、エンジンが動作している状態では、流体の温度よりも高温になり易く、例えば吸気温度が２５℃においても、センサモジュールが搭載されている主通路を構成している部材は５０〜８０℃程度になる場合があり、この熱がセンサモジュールの搭載部からセンサ側に伝わってしまう。ここで、センサモジュールを構成している樹脂ハウジング部材には、温度検出センサ素子と電気的な接続を行うために、金属ターミナルがインサート成型されているが、このターミナルと周囲の樹脂の線膨張係数が異なるため、伝わる熱によりターミナルの変形が発生してしまう。従って、温度検出センサ素子のリードが溶接されるターミナルは、流体によって冷却され易い場所に配置することが望ましく、特許文献２に記載されているように、副通路に面した位置が望ましい。

しかし、その一方で、半導体基板上にマイクロマシニング技術を用いて製造したセンサ素子を適用する場合、特許文献１に記載のように、ダストなどから保護するための副通路形状が必要であり、その場合、副通路の流路幅は非常に狭くなる。このような副通路を有する流量センサにおいて、温度検出センサ素子を副通路に面した位置に配置すると、ターミナルの熱応力による変形によって、副通路を構成している樹脂材が変形し、流量センサ素子の計測に影響し、精度が悪化してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、半導体技術により製造される流量センサ素子を適用した流量センサにおいて、副通路を変形させない位置に温度検出センサ素子を配置し、かつ温度検出センサ素子に電気的に接続される金属ターミナルが熱応力により変形しても、温度検出センサ素子を支持するリードの変形を防止し、温度検出の信頼性を向上した温度検出センサ素子が一体化された流量センサモジュールを提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る熱式流量センサでは以下の手段を講じた。すなわち、本発明に係る流量センサの一態様は、温度検出センサ素子が溶接されるターミナルを副通路の位置よりもセンサモジュールが挿入実装される側の位置に配置する。この構成により、流量センサ素子が配置される副通路は、温度検出センサ素子が電気的に接続される金属ターミナルの熱による変形影響を受けない構成とすることができることを特徴とする。

一方で、金属ターミナルは、センサモジュール取付部に近い位置に配置されるため、主通路を構成するダクトからの熱伝導影響を受け易くなる。この熱影響による温度検出センサ素子への影響を防止するために、金属ターミナルの樹脂ハウジング部材にインサート成型されている領域にダミー領域を形成する。この構成により、金属ターミナルが熱影響を受けて変形する場合においても、第１のターミナルと第２のターミナルの熱影響の受け方に相違を持たせることができる。この相違を利用して、第１のターミナルと第２のターミナルの、温度検出センサ素子を支持するリードが電気的に接続される領域の変形を相対的に小さくすることができることを特徴とする。これにより、長期間の使用においても信頼性の高い温度信号出力を提供できる温度検出センサ素子一体型の流量センサを提供することが可能となる。

本発明によれば、半導体技術により製造される流量センサ素子を適用した流量センサにおいて、副通路を変形させない位置に温度検出センサ素子を配置し、なおかつ温度検出センサ素子に電気的に接続される金属ターミナルが熱応力により変形しても、温度検出センサ素子を支持するリードの変形を防止し、温度検出の信頼性を向上した温度検出センサ素子が一体化された流量センサモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態の流量センサを示す横断面図。図１のＡ−Ａ断面図。本発明の一実施形態の流量センサを主通路に配置した部分断面図。本発明の一実施形態のターミナル部拡大図。本発明の効果をしめす解析結果。本発明の一実施形態のターミナル部のインサート領域を示す図。本発明の一実施形態の流量センサを示す横断面図。図７の破線Ｐの拡大図。図８のＢ−Ｂ断面図。本発明の他の実施形態のターミナル部拡大図。本発明の他の実施形態のターミナル部拡大図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態における、センサモジュール２３を示す部分断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は本発明のセンサモジュール２３を主通路２０に設置した状態を示す部分断面図を示す。

流量センサ素子１はシリコン基板上に薄膜部を形成し、薄膜部上に発熱抵抗体を形成する。発熱抵抗体の材料は、不純物をドープした単結晶シリコンや多結晶シリコン，金属材料等が用いられる。

流量センサ素子１は支持体に接着実装され、支持体に実装される回路基板と電気的に接続される。支持体は樹脂やセラミック，金属を材料としての板状である。支持体がセラミック材料の場合は、支持体と回路を一体化することができるため、接着実装を少なくすることができ、信頼性を向上することができる。

図２では、支持体として積層セラミック基板１６を適用した構成を示す。積層セラミック基板１６には、矩形状の凹部８が形成されており、この矩形状の凹部８に流量センサ素子１が実装される。このように矩形状の凹部８に搭載されることにより、流れが安定して流量センサ素子１の表面を流れるため、安定した流量信号を得ることができる。

積層セラミック基板１６は、構成する複数の層における一部の層を利用して矩形状の凹部８を形成することができる。また、積層セラミック基板１６は、内装には回路導体を形成し、表面には流量センサ素子１の駆動に必要な調整用ＬＳＩ１５及びチップ部品を実装する構成をとることにより、回路の面積を小さく構成することができる。

流量センサ素子１はワイヤボンディングにより積層セラミック基板１６に電気的に接続される。また、調整用ＬＳＩ１５もワイヤボンディングにより積層セラミック基板１６に電気的に接続される。

積層セラミック基板１６はシリコーン接着剤により樹脂ベース部材１７に実装される。その後、シリコーン接着剤により樹脂ハウジング部材１８が接着される。樹脂ハウジング部材１８には、積層セラミック基板１６と電気的に接続され、センサモジュールを駆動するための電源供給、およびセンサモジュールからの信号の入出力を行うためのコネクタ部のターミナル、および温度検出センサ素子を溶接するための第１，第２のターミナル３，４がインサート成型されている。温度検出センサ素子２は、図１に示すように、リード５を介して、第１のターミナル３と第２のターミナル４に溶接により電気的に接合される。第１のターミナル３と第２のターミナル４は積層セラミック基板１６とアルミワイヤボンディングにより接続される。

次に、エポキシ接着剤により、樹脂カバー部材１９を接着する。この樹脂ハウジング部材１８，樹脂ベース部材１７，樹脂カバー部材１９により副通路９が形成され、積層セラミック基板１６に実装された流量センサ素子１はこの副通路９に配置される。

副通路９は流れの上流側に開口した流入口より主通路２０を流れる流体の一部を採り込み、図１に示すように、流入口から流入した流体は、流量センサ素子１の位置までの間に、流れ方向が１８０度変向される。この構成により、流体に含まれるダスト，汚損物質，水などは、慣性力により、副通路９の壁に衝突し、運動エネルギーを失う。これにより、流量センサ素子１への直接の衝突を大幅に低減することができ、信頼性を向上することができる。

また、エンジン周りの環境下においては、近年の可変式バルブタイミングの採用などの理由により、主通路２０を流れる流体は、常に安定している訳ではなく、脈動が発生し、場合によっては、エンジン側からの流れとなる逆流が発生する。

このような状況下でも精度よく流量を検出するには、図１に記載の副通路９のように、逆流側に出口を形成し、上流側流路１０と下流側流路１１を形成し、上流側，下流側何れの方向に対しても、できるだけ対称な副通路９が有効である。しかし、この構成をとる場合、図２に示すように、センサモジュール２３の幅の範囲内に、上流側流路１０と下流側流路１１を２重の構造で形成する必要がある。センサモジュール２３の幅に関しては、圧力損失の観点から、１０mm以下が望ましい。このように限られたセンサモジュール２３の幅範囲で、図２に示すように複雑な副通路９を構成する場合、副通路幅は、センサモジュール２３の幅の１／２以下となる。そのため、副通路９の変形は、相対的に流量センサ素子１の計測精度に大きく影響し、特許文献２に記載のように、副通路に面した領域に温度検出センサ素子を配置する構成をとることが困難となる。

また、図２に示すように、副通路９内の流れは、積層セラミック基板１６により、流量センサ素子１側の表面側流路１２と裏面側流路１３に分流される。ここで、裏面側流路１３の流速が表面側流路１２の流速よりも速くなる構成とすることにより、流体に含まれるダスト，汚損物質，水などは、慣性力により、主に裏面側流路１３に流れ込んでいく。これにより、ダスト等が流量センサ素子１に直接衝突するのを大幅に低減することができ、信頼性を向上することができる。また、樹脂ハウジング部材１８の流量センサ素子１上の位置には、流れを縮流するための絞り１４が形成されている。絞り１４により、流量センサ素子１上で流体の乱れを低減した状態を得ることができ、安定した流量計測が可能となる。しかし、この構成も副通路９の幅はセンサモジュール２３の幅の１／２以下となり、また、絞り１４によっても通路幅は狭くなる構成となる。従って、相対的に副通路９の変形は、流量センサ素子１の計測精度に大きく影響する。従って、副通路９に面した領域に温度検出センサ素子２を配置する構成をとることが困難となる。

そのため、上述のような構成のセンサモジュール２３に対しては、温度検出センサ素子２は副通路９に変形の影響を及ぼさない位置に設置することが望ましい。具体的には、図３に示すように、副通路の外部に温度検出センサ素子２を配置することが望ましい。しかし、一方で、センサモジュール取付部２２に近い位置では、主通路２０を形成するダクト２１からの熱伝導影響を受ける。また、熱伝導はセンサモジュール取付部２２からセンサモジュール２３の挿入方向に伝わるため、第１のターミナル３よりも第２のターミナル４の方がより熱伝導の影響を受ける。そのため、第２のターミナル４と第２のターミナル４の熱応力による変形量に違いが生じてしまい、これにより温度検出センサ素子２を支持するリード５にも変形が生じてしまう。すなわち、流量センサ素子１で検出される流量信号の精度を悪化させてしまう。

そこで、本実施形態のターミナル形状は図４に示すような形状を有している。ここで、図４は図１の第１のターミナル３および第２のターミナル４付近の拡大図であり、また、図６の斜線部は、第１のターミナル３および第２のターミナル４の樹脂ハウジング部材１８にインサートされている領域を示す。図４および図６に示されるように、本実施形態のターミナル形状は、第１のターミナル３の樹脂ハウジング部材１８にインサートされている領域にダミー領域２４が付加されている。

このように、ダミー領域２４を付加することで、第１のターミナル３に第２のターミナル４よりも積極的に熱による影響を受けさせることが可能となる。これにより、第１のターミナル３と第２のターミナル４による熱による影響の差を小さくすることができ、熱応力による変形量の違いを小さくし、これにより、リード５に付加される応力を低減することが可能となる。こうして、各ターミナルの温度検出センサ素子２のリード５が溶接される位置における相対的な変形を抑えることができ、長期間の使用においても信頼性の高い温度信号の提供が可能となる。また、副通路９への変形影響を与えないため、流量センサ素子１で検出される流量信号の精度悪化を抑制することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、先に説明した実施の形態と重複する部分については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、異なる部分について説明する。

図７は、本実施形態におけるセンサモジュール２３を示す部分断面図、図８は、図７の破線Ｐの領域を拡大図である。また、図９は図８のＢ−Ｂ断面を示す。

図７で示されるように、第１のターミナル３および第２のターミナル４がインサート成型される領域は、回路室２５と副通路９の境界に近い位置である。そのため、第１のターミナル３および第２のターミナル４がインサート成型される領域は、設計上、樹脂の厚みを均一にすることが困難である。

図９に示すように、樹脂の厚みが異なることから、モールド成型の際に、樹脂の冷却速度が第１のターミナル３と第２のターミナル４とで異なってしまい、この冷却速度差によって、各ターミナルにかかる熱応力に差が生じることになる。この応力差により、成型後に第１のターミナル３と第２のターミナル４において、それぞれに異なる変形量で変形してしまう。しかし、本実施形態では、図８，図９および図１０に示すように、樹脂ハウジング部材１８の樹脂厚さが小さい領域に第２のターミナル４が配置され、樹脂厚さが大きい領域に第１のターミナル３が配置され、第１のターミナル３のダミー領域２４の面積をＳ１、第２のターミナル４のダミー領域２４の面積をＳ２としたときに、Ｓ１＞Ｓ２となるように構成する。このように、第１のターミナルと第２のターミナルのダミー領域の面積を変えることによって、樹脂から各ターミナルへの熱応力の受け方に違いを与えることができる。この相違を利用して、第１のターミナル３と第２のターミナル４の、温度検出センサ素子２を支持するリード５が電気的に接続される領域の変形を相対的に小さくすることができる。

また、センサモジュール２３として使用される際には、センサモジュール取付部２２から伝わる熱影響に対しても、樹脂の厚み違いにより第１のターミナル３と第２のターミナル４で、熱の受け方が異なるため、ダミー領域２４の面積を変えることによって、第１のターミナル３と第２のターミナル４の熱影響の受け方に相違を持たせることができる。この相違を利用して、第１のターミナル３と第２のターミナル４の、温度検出センサ素子２を支持するリード５が電気的に接続される領域の変形を相対的に小さくすることができることを特徴とする。これにより、長期間の使用においても信頼性の高い温度信号出力を提供できる温度検出センサ素子一体型の流量センサを提供することが可能となる。

さらに、センサモジュール２３は自動車環境で使用されている際には、センサモジュール取付部２２から熱が伝わってくるが、その一方で、主通路２０に流れる流体によりセンサモジュール２３は冷却される。従って、センサモジュール取付部２２からの挿入方向の距離が大きくなるに従ってセンサモジュール２３の温度は低くなる。従って、図８に示すように、第１のターミナル３は第２のターミナル４よりも、より冷却され易いため、取付け面から受ける熱影響に差が発生し、変形の仕方にも差が発生する。ここで、ダミー領域の面積に違いを持たせることにより、第１のターミナルと第２のターミナルの熱影響の受け方に相違を持たせることができる。この相違を利用して、第１のターミナル３と第２のターミナル４の、温度検出センサ素子２を支持するリード５が電気的に接続される領域の変形を相対的に小さくすることができる。この場合、図８，図９および図１０に示すように、樹脂ハウジング部材１８の樹脂厚さが小さい領域に第２のターミナル４が配置され、樹脂厚さが大きい領域に第１のターミナル３が配置され、第１のターミナル３のダミー領域２４の面積をＳ１、第２のターミナル４のダミー領域２４の面積をＳ２としたときに、Ｓ１＞Ｓ２となるように構成している。これにより、長期間の使用においても信頼性の高い温度信号出力を提供できる温度検出センサ素子一体型の流量センサを提供することが可能となる。

また、より好ましい他の態様では、第１および第２のターミナルに、温度センサ素子の出力を得るための電流が流れる領域と流れない領域を設け、電流が流れない領域を、ダミー領域とすることを特徴としている。ダミー領域は、積極的に熱を受けてターミナルの変形を制御し、温度検出センサ素子リードの変形を抑制することを目的としている。しかし、ターミナルは回路と温度検出センサ素子の電気信号を伝えることも必要である。そのため、熱を受けて積極的に変形させる領域と、電気信号を伝える領域に分けることにより、より信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、本発明の他の実施形態について図１１を用いて説明する。なお、先に説明した実施形態と重複する部分については先の実施形態と同様とし、詳細な説明を省略する。以下、異なる部分である本実施形態のターミナルの形状ついて説明する。

本実施形態では、第１のターミナル３および第２のターミナル４の熱応力による、第１のターミナル溶接位置６と第２のターミナル溶接位置７の変形をより小さくするために図１１に示すように、ダミー領域２４は第１のターミナル３に設け、第２のターミナル４の、ダミー領域２４の領域のみ第１のターミナル３との距離が小さくなるように構成した。これにより、第１のターミナル３のダミー領域２４は熱により、積極的に変形するため、その変形し易い位置のみを第２のターミナル４を近づけることにより、第１のターミナル溶接位置６と第２のターミナル溶接位置７の相対的な変形を防止することができる。従って、リード５への応力を緩和することが可能となる。具体的には、近づける距離は０.３から０.７mmの範囲とすることが有効である。

図５は本発明を適用したターミナルにおいて、熱応力解析を行った結果の一例を示す。本結果例では、発生する最大応力は約１７０ＭＰａである。一方、本発明に示すダミー領域を有していない場合の結果例では約２３０ＭＰａ以上である。すなわち、本発明のターミナルの構成により、発生する応力を約７３％に低減できる。

１流量センサ素子
２温度検出センサ素子
３第１のターミナル
４第２のターミナル
５リード
６第１のターミナル溶接位置
７第２のターミナル溶接位置
８矩形状の凹部
９副通路
１０上流側流路
１１下流側流路
１２表面側流路
１３裏面側流路
１４絞り
１５調整用ＬＳＩ
１６積層セラミック基板
１７樹脂ベース部材
１８樹脂ハウジング部材
１９樹脂カバー部材
２０主通路
２１ダクト
２２センサモジュール取付部
２３センサモジュール
２４ダミー領域
２５回路室

Claims

主通路の内部に挿入され、主通路の流量の一部が流れこむ副通路を構成する樹脂ハウジング部材と、前記副通路に配置される流量を検出する流量センサ素子と、前記流量センサ素子と電気的に接続される回路基板と、電気信号を伝える２本のリードを有する温度を検出する温度検出センサ素子と、前記２本のリードがそれぞれ電気的，機械的に接続され、かつ、前記回路基板に電気的に接続され、前記樹脂ハウジング部材にインサート成形された第１のターミナルおよび第２のターミナルとを有する熱式流量センサにおいて、
前記温度検出センサ素子は、前記副通路の外部に設けられており、
前記第１のターミナルまたは前記第２のターミナルは、前記樹脂ハウジング部材にインサートされている領域にダミー領域が設けられていることを特徴とする熱式流量センサ。
請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
前記第１のターミナルおよび前記第２のターミナルの前記樹脂ハウジング部材にインサートされている領域における前記樹脂ハウジング部材の厚さが、前記第１のターミナルと前記第２のターミナルで異なっており、前記樹脂ハウジング部材の樹脂厚さが小さい領域に第１のターミナルが配置され、前記樹脂ハウジング部材の樹脂厚さが大きい領域に第２のターミナルが配置されているとき、
前記第１のターミナルのダミー領域面積をＳ１、前記第２のターミナルのダミー領域面積をＳ２とすると、Ｓ１＞Ｓ２となるように前記ダミー領域面積が設けられていることを特徴とする熱式流量センサ。
前記第１のターミナルは、前記第２のターミナルよりも前記主通路壁面から離れた位置に配置されており、前記第１のターミナルのダミー領域面積をＳ１、前記第２のターミナルのダミー領域をＳ２とすると、Ｓ１＞Ｓ２となるように前記ダミー領域面積を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱式流量センサ。
前記第１および第２のターミナルに前記温度検出センサ素子の出力を得るための電流が流れる領域と流れない領域を設け、前記電流が流れない領域に前記ダミー領域を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱式流量センサ。
前記第１のターミナルにおいて、前記第２のターミナルのダミー領域が設けられた範囲のみ前記第１のターミナルと前記第２のターミナルの距離を小さくしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱式流量センサ。