JP2012052975A

JP2012052975A - 熱式空気流量センサ

Info

Publication number: JP2012052975A
Application number: JP2010197253A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Doi; 良介土井; Keiji Hanzawa; 恵二半沢
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: EP2434263A2; US8763452B2; JP5256264B2; US20120055245A1; EP3147633A1; CN102384774B; CN102384774A; EP3147633B1; EP2434263B1; EP2434263A3

Abstract

【課題】本発明の目的は、測定対象である空気流れの影響を受けにくく、温度変動や圧力変動によるダイアフラムの破壊を防止可能な熱式空気流量センサを提供することにある。
【解決手段】本発明の熱式空気流量センサは、検出素子５０に形成された空洞部２００を、検出素子５０の駆動回路部品４０１が収納された回路室４００、或いは吸気ダクトの外部７００に連通させる。これにより、空洞部２００の圧力が外部の圧力と平衡する。また、回路室４００は、検出素子５０の検出部が配置される検出室（測定対象である空気が流れる通路室３００）から離隔されて設けられるので、通路室３００を流れる空気が空洞部２００の内側に流入して流量出力特性に影響するのを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量を検出するセンサに関するものであり、特に、熱式空気流量センサに関するものである。

従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

最近では、半導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されている。

しかし、半導体基板を用いた熱式空気流量センサでは、オイルやダストなどの汚損物や水分が検出素子の裏面に侵入することにより、流量出力特性が変動することが知られている。特許文献１には、板状の基板に空洞部を設けてダイアフラムを形成し、空洞部の開口部に通気性防水体を設けた熱式空気流量センサが記載されている。

特開２００３−２７００１６号公報（Ｐ２００３−２７００１６Ａ）

上記従来の熱式空気流量センサでは、空洞部とダイアフラムとが形成された板状基板からなる検出素子を支持体に接着する場合に、検出素子の裏面と支持体における検出素子搭載面との隙間の寸法がばらつき易く、隙間の寸法の管理が難しい。隙間の寸法がばらつくと、空洞部に流れ込む空気量や方向が変動し、流量特性曲線に曲がりが発生し、製品歩留まりが低下してしまう。

上記問題点を回避するためには、空洞部（ダイアフラム裏面）を測定対象である空気が流れる通路室（検出素子の検出部が配置される検出室）から完全に遮蔽すれば良い。すなわち、空洞部を密封状態にすれば良い。具体的には、空洞部を取り囲むように空洞部の全周を接着剤で接着して空洞部の内側を封止すればよい。一般的には、検出素子は矩形形状であるので、矩形形状の全辺を接着すればよい。

しかし、空洞部の全周を接着剤で接着して空洞部の内側を封止してしまうと、温度や圧力変動によって空洞部（ダイアフラム裏面）の空気体積が膨張し、検出素子の破壊に至るため、完全密封できないという課題がある。

本発明の目的は、測定対象である空気流れの影響を受けにくく、温度変動や圧力変動によるダイアフラムの破壊を防止可能な熱式空気流量センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量センサは、検出素子に形成された空洞部を、検出素子の駆動回路部品が収納された回路室、或いは吸気ダクトの外部に連通させる。これにより、空洞部の圧力が外部の圧力と平衡する。また、回路室は、検出素子の検出部が配置される検出室（測定対象である空気が流れる通路室）から離隔されて設けられるので、通路室を流れる空気が空洞部の内側に流入して流量出力特性に影響するのを抑制することができる。

本発明によれば、温度変動や圧力変動による検出素子の破壊を回避し、高精度な空気流量測定を実現可能な熱式空気流量センサを提供することができる。

本発明による熱式空気流量センサの一実施形態における説明図である。熱式空気流量センサの搭載説明図である。熱式空気流量センサの検出素子の概略説明図である。本発明による熱式流量計の接着剤塗布形状の説明図である。本発明による熱式流量計の換気孔の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の接着剤塗布形状の説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。本発明による熱式流量計の一実施形態における説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、測定対象の流体として空気を取り上げているが、その他の流体を測定対象とすることも可能である。

図１から図５に本発明の一実施形態における熱式空気流量センサの概略図を示す。

まず、熱式空気流量センサの搭載環境について図２で説明する。

熱式空気流量センサ１は吸気ダクト７０１に取り付けられ、吸気ダクト内部７０２を流れる空気流は、熱式空気流量センサ１の上流側の開口部１１から通路内に入り、通路内を迂回して、下流側の開口部１２から抜けていく構造となっている。

また、吸気ダクト外部７００は吸気ダクト内部７０２と完全に隔離されるため、吸気ダクト内部７０２に空気流が流れても、吸気ダクト外部７００は無風状態である。

次に検出素子の形状について図３で説明する。

検出素子５０は一般的に矩形形状である。検出素子５０の検出部はダイアフラム５５と呼ばれる薄膜化領域であり、このダイアフラム５５は測定対象である空気が流れる通路室３００（図１参照）に配置される。この場合、ダイアフラム５５が配置された通路室３００は検出室を構成する。

ダイアフラム５５は、一般的には検出素子５０の裏面方向からエッチングで形成され、裏面に空洞部２００ができる。ダイアフラム５５を薄膜にする目的は、主に熱容量を下げることによって、熱応答性を高めると同時に、低消費電力化を測ることができるという利点があるためである。

次に、本発明の１実施例を図１で説明する。

本実施例では、検出素子５０はＬＴＣＣ（Low Temperature Co-Fired Ceramic；低温焼成セラミック）積層基板６０（以下、セラミック基板という）に搭載される。セラミック基板６０には、検出素子５０が収納できるようにキャビティ６１と呼ばれる凹みが設けてある。

電気的接続はＡｕワイヤ８０で検出素子５０とセラミック基板６０とを接続するのが一般的である。

検出素子５０はキャビティ６１内に、図４のように接着剤１５０で４辺全て接着される。この時、接着剤を使用することで、検出素子５０の裏面とキャビティ６１の底面に１μｍ〜１００μｍ程度の隙間ができる。

この場合、検出素子５０の空洞部２００を通路室３００から隔離するために、接着剤１５０の塗布パターンは図４の（４ａ），（４ｃ）のようにキャビティ６１の側面と検出素子５０の側面との隙間に塗る方式か、あるいは図４の（４ｂ），（４ｄ）のように検出素子５０の裏面に塗る方式をとることができる。

セラミック基板６０は樹脂部材７０に接着されている。通路室３００と検出素子５０の駆動回路部品（抵抗器やコンデンサやＬＳＩチップなどの電子部品）４０１が実装された回路室４００とは樹脂部品で完全に隔離されている。樹脂部品とセラミック基板との間に隙間が生じる場合は、その隙間を接着剤などの流動性の高い材料で埋めることによって通路室３００と回路室４００との隔離を確実に行うことができる。

これによって、検出素子５０の空洞部２００は通路室３００に直接連通しない構造になっている。

そして空洞部２００と回路室４００とを連通する連通通路である換気孔６００は、キャビティ６１の貫通孔６００ａと樹脂部材７０のスリット６００ｂとで構成される。

換気孔６００を表面から見た場合の構成図を図５に示す。

また、回路室４００と吸気ダクト外部７００とを連通する連通通路である換気孔６５０を設けることによって、回路室４００の圧力が大気と同一となり、空洞部２００の圧力が大気と同一となる。これによって、空洞部２００と検出素子５０の上面の圧力差がなくなることによって体積膨張によるダイアフラム５５の破壊を回避することができる。

また、本実施例では、回路室４００と吸気ダクト外部７００とを連通する換気孔６５０を別に設けることによって、検出素子５０の空洞部２００を外気圧力と等しくすることが可能となっているが、換気孔６００の出口を直接吸気ダクト外部７００に連通させることにより、同等の効果が得られるようにしてもよい。

本実施例において、検出素子５０を搭載するセラミック基板としてＬＴＣＣ基板を採用しているが、ＬＴＣＣ基板をその他のセラミック基板や、プリント基板、あるいは金属基板から構成する場合でも、同様の思想で製作可能である。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。センサの基本構成は実施例１と同様とする。図６に本実施例における熱式空気流量センサの概略図を示す。空洞部２００と回路室４００とを連通する換気孔６００はセラミック基板６０単体で形成することも可能である。

本実施例でも実施例１と同様に、検出素子５０を搭載するセラミック基板として、ＬＴＣＣ基板を採用するが、その他のセラミック基板や、プリント基板、あるいは金属基板を採用しても良い。

換気孔６００を一つの構成部材に形成することによって、各構成部材の組み立て位置公差の自由度が上がり、また、位置ずれによって換気孔６００が接合面で途切れてしまう可能性を未然に防ぐことができる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。図７に本実施例における熱式空気流量センサの概略図を示す。

実施例１と異なる点は、実施例では検出素子５０が完全に通路室３００内部に搭載されているのに対して、本実施例では検出素子５０が通路室３００と回路室４００とに跨って搭載されている点である。基本的な部品構成は、実施例１と同様とする。

上記のように検出素子５０が通路室３００と回路室４００とに跨って搭載されているため、通路室３００と回路室４００とを隔てる樹脂部品７０の壁７０ａが検出素子５０の上面に接するように設けてある。

この場合、検出素子５０を固定する接着剤の塗布形状を最適化することによって、実施例１の換気孔６００をセラミック基板６０や樹脂部材７０などの構成部品に設けなくても、空洞部２００を回路室４００や吸気ダクト外部７００に連通させることができる。

本実施例における接着剤１５０の塗布形状を図８に示す。図８において、矢印Ａで示す、樹脂部品７０の壁７０ａの上側の範囲が通路室３００の領域であり、矢印Ｂで示す、壁７０ａの下側の範囲が回路室４００の領域である。

接着剤の塗布形状は、検出素子５０の上辺５０ｃ，空気流上流辺５０ｂ，空気流下流辺５０ｄの計３辺の側面あるいは裏面を接着したパターンである。

この塗布形状によって、空洞部２００が通路室３００から完全に隔離される。

ただし、樹脂部品７０の壁７０ａと接着剤１５０で上記隔離状態となるように接着剤１５０の塗布量を調節する必要がある。

また、同時に、実施例１で記載したように、検出素子５０の裏面とキャビティの底面との間に１μｍ〜１００μｍ程度の隙間６００ｃができることによって、空洞部２００と回路室４００とを連通する換気孔６００が形成されていることになる。

また、本実施例では、通路室３００と回路室４００を隔てる構成部品は樹脂部品７０を想定しているが、接着剤やゲルなどで壁を構成する場合も同様の塗布形状で、本発明を実現できる。

以下、本発明の他の実施の形態を説明する。

図９に本実施例における熱式流量計の概略図を示す。

基本的な部品構成は、実施例３と同様とする。実施例３と異なる点は、図１０に示すように、検出素子５０の全辺５０ａ〜５０ｄを接着する点である。また、検出素子５０の空洞部２００と下辺５０ａに跨るスリット６０１が設けてある点である。

スリット６０１を設けることによって、空洞部２００と回路室４００とが繋がるため、空洞部２００の圧力が外部の圧力と平衡し、ダイアフラム５５の破損に至らない。

スリット６０１は空洞部２００を形成する時に同時にエッチングにより形成することが可能である。

以下、本発明の他の実施の形態を説明する。

図１１に本実施例における熱式空気流量センサの概略図を示す。

実施例１と異なる点は、検出素子５０がリードフレーム４５０に接着されており、リードフレーム４５０は樹脂部品７０にパッケージされている点である。

検出素子５０はまず、リードフレーム４５０に接着され、Ａｕワイヤ８０で電気的に接続される（図１２）。その他の駆動回路電子部品４０１も同様にリードフレーム４５０上に実装される。次に、リードフレーム４５０を樹脂部材７０でパッケージする。その際、回路室４００を設ける必要がないため、検出素子５０の空洞部２００を解放させるための換気孔６００は空洞部２００を直接吸気ダクト外部７００に連通するように形成する。

以下、本発明の他の実施の形態を説明する。

図１３に本実施例における熱式空気流量センサの概略図を示す。

実施例１と異なる点は、空洞部２００の換気孔６００の開口部が、吸気ダクト内部７０２に間接的に繋がる点である。

基本的な部品構成は、実施例１と同様とする。検出素子５０の接着方法は、図４と同様である。

本実施例では、検出素子５０の空洞部２００の換気孔６００の出口は回路室４００ではなく、サブ通路室３５０に開口している。

サブ通路３５０とは、検出素子５０にダクト空気を誘導するためのメインの通路室３００とは全く別の通路を示すもので、こちらは、圧力が同一となることを目的に設けられた構造である。

したがって、サブ通路３５０を流れる空気流量は通路室３００の空気流量よりもはるかに小さくなるように形成される。

サブ通路３５０は吸気ダクト内部７０２に直結するため、空洞部２００への空気の回り込み影響はゼロではなくなるが、裏面が密封状態ではない従来構造に対しては、空洞部２００に入り込む空気量が減るため、歩留まり低減効果は得られる。

１熱式空気流量センサ
１１上流開口部
１２下流開口部
５０検出素子
５５ダイアフラム
６０ＬＴＣＣ基板
６１キャビティ
７０樹脂部材
８０Ａｕワイヤ
１００検出素子の上面
１５０接着剤
２００検出素子の空洞部
３００通路室
３５０サブ通路室
４００回路室
４０１検出素子の駆動回路部品（抵抗器やコンデンサなど）
４５０リードフレーム
６００空洞部と回路室とを跨ぐ換気孔
６０１検出素子裏面スリット
６５０回路室と吸気ダクト外部とを跨ぐ換気孔
７００吸気ダクト外部
７０１吸気ダクト
７０２吸気ダクト内部

Claims

空気流量を検出する検出素子の一部に空洞部を有する熱式空気流量センサにおいて、
空洞部がこの空洞部とは逆面に位置する検出室に直接連通しないように、検出素子がセンサ構造部材に固定接着されており、かつ、空洞部を、検出素子の駆動回路が実装されている回路室、あるいは吸気ダクト外部に連通させる連通通路を設けたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、空洞部を回路室に連通させる第１の連通通路と、回路室を吸気ダクト外部に連通させる第２の連通通路とを設けたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、検出素子は矩形型素子であって、空洞部と検出室とを完全に遮断するように、矩形型素子の４辺を全辺接着したことを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、検出素子が低温焼成セラミック積層基板あるいは、プリント基板、あるいは金属基板に実装されており、基板の裏面全面がセンサ構造部材に接着されており、前記連通通路が前記基板の一部に設けられた貫通孔とセンサ構造部材の一部に設けられたスリットとの組み合わせによって構成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、前記連通通路が検出素子を実装する基板の内部に形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、検出素子が検出室と回路室とに跨るように配置され、空洞部と検出室とを完全に遮断するように検出素子が接着されており、かつ、検出素子の空気流に対して上流側に位置する辺、空気流に対して下流に位置する辺、又は回路室内に位置する辺のうち少なくとも１辺の一部に接着剤を塗布しない空間領域が存在し、前記空間領域が空洞部と回路室、あるいは吸気ダクト外部とを連通する連通通路の一部となっていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、矩形形状の検出素子が検出室と回路室とに跨るように配置され、空洞部と検出室とを完全に遮断するように矩形形状の検出素子の４辺全辺が接着されており、かつ、検出素子の一部に空洞部と回路室内に位置する辺とに跨るスリットが形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、電子部品を支持しており、かつ電気的配線の役割を果たしているリードフレームに検出素子が電気的に接続されており、かつ、検出素子およびリードフレームが樹脂部材でパッケージされており、前記連通通路が前記樹脂部材に形成されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
検出素子の一部に空洞部を有する熱式空気流量センサにおいて、空洞部が検出素子の上面にダクト内を流れる空気を誘導する通路室とは直接連通しないように検出素子の４辺を全辺接着することにより検出素子が接着固定されており、かつ、空洞部を前記通路室とは別の経路を持つサブ通路室に連通させる連通通路を設けたことを特徴とする熱式空気流量センサ。