JP2012078324A - 流量計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 温度センサ抵抗体6〜9の抵抗値の温度特性のペア性を維持することで、空気流量の検出感度を向上することを課題とする。
【解決手段】 ブリッジ回路(X)の第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線31を、第1中間接続部33からセンサチップ3上で分岐させている。また、ブリッジ回路(X)の第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線34を、第2中間接続部36からセンサチップ3上で分岐させている。そして、第1直列回路の中点電位の取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体6、7の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第1中間接続部33を設けている。また、第2直列回路の中点電位の取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第2中間接続部36を設けている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、センサチップのメンブレン(薄肉部)上の温度分布を検出する4つの感温抵抗体よりなるブリッジ回路の中点電位差に基づいて空気流量を測定する流量計測装置に関するものである。
[従来の技術]
従来より、温度により抵抗値が変化する発熱抵抗体および感温抵抗体を用いて空気の流量を検出する熱式空気流量計を備えた流量計測装置(例えば、特許文献1及び2参照)が公知である。
熱式空気流量計は、シリコン基板上にメンブレン(薄肉部)および電極パッド群が形成されたセンサチップと、加熱電流を供給すると発熱するヒータ抵抗体(発熱抵抗体)と、ヒータ抵抗体よりも空気流方向の上流側に配置される2つの上流側温度センサ抵抗体(上流側感温抵抗体)と、ヒータ抵抗体よりも空気流方向の下流側に配置される2つの下流側温度センサ抵抗体(下流側感温抵抗体)と、周囲の温度(吸気温度)を検出する吸気温度センサ抵抗体とを備えている。
また、センサチップのメンブレン上には、ヒータ抵抗体が配置され、センサチップのメンブレン上においてヒータ抵抗体の熱の影響を受け易い場所には、2つの上流側温度センサ抵抗体および2つの下流側温度センサ抵抗体が配置され、センサチップ上においてヒータ抵抗体の熱の影響を受けない場所には、吸気温度センサ抵抗体が配置されている。
ここで、センサチップのメンブレンは、センサチップの他の場所と比べて膜厚が薄く形成されているので、熱容量が小さいため、流量変化に対して高速な熱応答を得ることができる。
また、空気の流量を検出する流量検出回路(オペアンプ)は、上流側温度センサ抵抗体と下流側温度センサ抵抗体(第1抵抗体)との第1直列回路と、下流側温度センサ抵抗体と上流側温度センサ抵抗体(第2抵抗体)との第2直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備えている。そして、各温度センサ抵抗体は、温度に応じて抵抗値が変化するので、この抵抗値変化を利用して空気流量に対応した電圧信号を得ることができる。つまり流量検出回路は、ブリッジ回路の中点電位差を電圧変換して空気流量電圧信号としてECUに出力するように構成されている。
また、上流側温度センサ抵抗体と下流側温度センサ抵抗体との第1接続部、および下流側温度センサ抵抗体と上流側温度センサ抵抗体との第2接続部は、センサチップ以外の場所、例えば回路チップ上の配線に設けられている。つまりブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線を、回路チップ上の第1、第2接続部から分岐させている。
また、ヒータ抵抗体の駆動回路(オペアンプ、トランジスタ)は、ヒータ抵抗体と第3抵抗体との第3直列回路と、吸気温度センサ抵抗体と第4抵抗体との第4直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備え、このブリッジ回路の中点電位差が零(ゼロ)になるように、ヒータ抵抗体を流れる加熱電流を可変制御するように構成されている。
また、ヒータ抵抗体と第3抵抗体との第3接続部、および吸気温度センサ抵抗体と第4抵抗体との第4接続部は、センサチップ以外の場所、例えば回路チップ上の配線に設けられている。つまりブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線を、回路チップ上の第3、第4接続部から分岐させている。
ここで、特許文献3及び4には、センサチップ上の電極パッドと回路チップ上の電極パッドとをボンディングワイヤによって接続し、また、各温度センサ抵抗体の抵抗配線の一部、センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッドおよびボンディングワイヤを、エポキシ系のモールド樹脂(封止樹脂)によって被覆した流量計測装置が開示されている。また、ヒータ抵抗体や吸気温度センサ抵抗体の抵抗配線の一部、センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッド、ボンディングワイヤ、回路チップ上の接続配線も、エポキシ系のモールド樹脂(封止樹脂)によって被覆されている。
[従来の技術の不具合]
ところが、特許文献1及び2に記載の流量計測装置においては、各温度センサ抵抗体からブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線までの抵抗配線(センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッド、ボンディングワイヤ、回路チップ上の接続配線)が非常に長く、ブリッジ回路に余分な配線抵抗がのるため、空気流量の検出感度が落ちるという問題がある。
また、同様に、ヒータ抵抗体や吸気温度センサ抵抗体からブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線までの抵抗配線(センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッド、ボンディングワイヤ、回路チップ上の接続配線)が非常に長く、ブリッジ回路に余分な配線抵抗がのるため、ヒータ抵抗体の発熱温度(ヒータ温度)の制御感度が落ちるという問題がある。
また、特許文献3及び4に記載の流量計測装置においては、センサチップ上の電極パッド近傍の抵抗配線および回路チップ上の接続配線の表面が、線膨張係数の異なるモールド樹脂により被覆されている。このため、温度変化によりセンサチップ上の抵抗配線および回路チップ上の接続配線に応力がかかることにより、配線抵抗値や温度抵抗係数が変動する等の影響が出易くなる。
ここで、空気流量の検出感度を向上させるという目的で、ヒータ抵抗体の温度を現状のものよりも上昇させることが考えられるが、ヒータ抵抗体を流れる加熱電流が増加するので、電流消費量の増加を招くという問題が生じる。また、ヒータ抵抗体の温度が低いものよりもヒータ抵抗体の熱劣化が促進されるので、ヒータ抵抗体の耐久寿命が低下するという問題が生じる。
ここで、特許文献5には、ヒータ抵抗体の駆動回路に使用されるブリッジ回路を構成する全ての抵抗体(ヒータ抵抗体、固定抵抗体、吸気温度センサ抵抗体、固定抵抗体)を同一のシリコン基板(シリコンチップ)上に絶縁膜(下部膜)を形成し、その絶縁膜上に所定のパターンで白金等の抵抗膜(薄膜)を真空蒸着法等により形成することで、抵抗膜の膜厚が安定し、ブリッジ回路を構成する全ての抵抗体の抵抗値のばらつきを抑えるようにした流量計測装置が開示されている。
また、特許文献5には、流量検出回路に使用されるブリッジ回路が、2つの第1、第2上流側温度センサ抵抗体、2つの第1、第2抵抗体により構成される点も開示されている。そして、シリコンチップの絶縁膜上には、第1上流側温度センサ抵抗体と第1抵抗体との第1接続点、この第1接続点から中点電位を第1電極パッドへ取り出すための第1リード配線、第2上流側温度センサ抵抗体と第2抵抗体との第2接続点、この第2接続点から中点電位を第2電極パッドへ取り出すための第2リード配線が形成されている。
ところが、特許文献5に記載の流量計測装置においては、第1上流側温度センサ抵抗体と第1抵抗体とを接続する第1接続配線、および第2上流側温度センサ抵抗体と第2抵抗体とを接続する第2接続配線の中間地点に中点電位の取り出し位置が設けられていない。つまり第1、第2接続配線の中間位置に第1、第2接続部が設けられていない。
したがって、上述した第1〜第5特許文献に記載の流量計測装置のように、流量検出回路に使用されるブリッジ回路が、抵抗値の温度特性のペア性が必要な2組の温度センサ抵抗体(直列接続される温度センサ抵抗体)で構成されている場合、各組の温度センサ抵抗体の抵抗値の温度特性のペア性を保つことができず、空気流量の検出感度が落ちるという問題が生じる。
特許第3675721号公報 特開2006−258675号公報 特開2009−264741号公報 特開2009−270930号公報 特開2003−315130号公報
本発明の目的は、直列接続される2つの感温抵抗体の抵抗値の温度特性のペア性を維持することで、空気流量の検出感度を向上することのできる流量計測装置を提供することにある。また、2つの感温抵抗体を直列接続する接続配線の配線抵抗を低減することで、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することのできる流量計測装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明は、センサチップの薄肉部(メンブレン)上に、発熱抵抗体が配置されている。また、センサチップのメンブレン上において発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の上流側には、2つの第1、第2上流側感温抵抗体が配置されている。また、センサチップのメンブレン上において発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の下流側には、2つの第1、第2下流側感温抵抗体が配置されている。
発熱抵抗体は、加熱電流が流れると発熱するヒータ抵抗体(電気ヒータ)である。
第1、第2上流側感温抵抗体は、温度により抵抗値が変化する上流側温度センサ抵抗体(上流側温度センサ)である。
第1、第2下流側感温抵抗体は、温度により抵抗値が変化する下流側温度センサ抵抗体(下流側温度センサ)である。
そして、流量計測装置(空気流量計の流量検出回路)は、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)を備えている。第1直列回路は、第1上流側感温抵抗体と第1下流側感温抵抗体とを直列接続した回路である。第2直列回路は、第2下流側感温抵抗体と第2上流側感温抵抗体とを直列接続した回路である。
そして、第1上流側感温抵抗体は、この第1上流側感温抵抗体に直列接続される第1下流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。また、第2下流側感温抵抗体は、この第2下流側感温抵抗体に直列接続される第2上流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。
流量計測装置(空気流量計の流量検出回路)に使用されるブリッジ回路(X)は、第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線、および第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線を有している。
そして、第1直列回路は、直列接続される2つの第1感温抵抗体間の中間地点に、第1配線が接続される第1接続部を有している。また、第2直列回路は、直列接続される2つの第2感温抵抗体間の中間地点に、第2配線が接続される第2接続部を有している。
そして、第1接続部または第2接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第1配線または第2配線は、センサチップ上で第1直列回路または第2直列回路から分岐している。
請求項1に記載の発明によれば、ブリッジ回路の第1直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、第1上流側感温抵抗体と第1下流側感温抵抗体との中間地点に設けることにより、直列接続される2つの第1感温抵抗体(第1上流側感温抵抗体、第1下流側感温抵抗体)の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度を向上することが可能となる。あるいはブリッジ回路の第2直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、第2下流側感温抵抗体と第2上流側感温抵抗体との中間地点に設けることにより、直列接続される2つの第2感温抵抗体(第2下流側感温抵抗体、第2上流側感温抵抗体)の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度を向上することが可能となる。
また、第1上流側感温抵抗体と第1下流側感温抵抗体とを接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度を向上することが可能となる。あるいは第2下流側感温抵抗体と第2上流側感温抵抗体とを接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度を向上することが可能となる。
また、第1接続部または第2接続部がセンサチップ上に配置されており、第1配線または第2配線がセンサチップ上で第1直列回路または第2直列回路から分岐している。これにより、センサチップ外に設けられる外部回路およびこの外部回路との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド等を被覆して保護するモールド樹脂で第1接続部または第2接続部が被覆されなくなる。したがって、センサチップに加わる応力による各抵抗体の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することが可能となる。
請求項2に記載の発明は、センサチップのメンブレン上に、発熱抵抗体、2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体が配置されている。また、センサチップ上において発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に、温度検出抵抗体が配置されている。
温度検出抵抗体は、周囲の温度により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(空気温度センサ)である。
流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。第3直列回路は、発熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続した回路である。第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続した回路である。
請求項3に記載の発明、つまり流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)に使用されるブリッジ回路(Y)は、第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有している。
そして、第3直列回路は、発熱抵抗体と第3抵抗体との間に、第3配線が接続される第3接続部を有している。また、第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体との中間地点に、第4配線が接続される第4接続部を有している。
そして、第3接続部または第4接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第3配線または第4配線は、センサチップ上で第3直列回路または第4直列回路から分岐している。
請求項3に記載の発明によれば、発熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。あるいは温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。
請求項4に記載の発明によれば、第3抵抗体または第4抵抗体を、センサチップ以外の場所に配置したことにより、第3抵抗体または第4抵抗体を(現状のものと)異なる抵抗値の抵抗体に容易に取り替えることができる。
例えば温度検出抵抗体で検出される周囲の温度よりも発熱抵抗体の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)高くなるように発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する流量計測装置では、発熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体を異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、発熱抵抗体の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
例えば発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも低くなると、発熱抵抗体の熱劣化の進行が抑えられるので、発熱抵抗体の耐久寿命を向上することができる。また、発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも高くなると、空気の流量が微少流量であっても2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体で検出される温度変化が大きくなるので、微少流量時の流量検出精度を向上することができる。
請求項5に記載の発明によれば、第3配線の配線幅を、発熱抵抗体または第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第3配線を配置することができる。あるいは第4配線の配線幅を、温度検出抵抗体または第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第4配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第4配線を配置することができる。
請求項6に記載の発明は、センサチップのメンブレン上に、発熱抵抗体、傍熱抵抗体、2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体が配置されている。また、センサチップ上において発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に、温度検出抵抗体が配置されている。
傍熱抵抗体は、発熱抵抗体の熱により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(加熱温度センサ)である。
温度検出抵抗体は、周囲の温度により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(空気温度センサ)である。
流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。第3直列回路は、傍熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続した回路である。第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続した回路である。
請求項7に記載の発明、つまり流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)に使用されるブリッジ回路(Y)は、第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有している。
そして、第3直列回路は、傍熱抵抗体と第3抵抗体との間に、第3配線が接続される第3接続部を有している。また、第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体との中間地点に、第4配線が接続される第4接続部を有している。
そして、第3接続部または第4接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第3配線または第4配線は、センサチップ上で第3直列回路または第4直列回路から分岐している。
請求項7に記載の発明によれば、傍熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。あるいは温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。
請求項8に記載の発明によれば、第3抵抗体または第4抵抗体を、センサチップ以外の場所に配置したことにより、第3抵抗体または第4抵抗体を(現状のものと)異なる抵抗値の抵抗体に容易に取り替えることができる。
例えば温度検出抵抗体で検出される周囲の温度よりも発熱抵抗体の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)高くなるように発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する流量計測装置では、傍熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体を異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、傍熱抵抗体により温度が検出される発熱抵抗体の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
例えば発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも低くなると、発熱抵抗体および傍熱抵抗体の熱劣化の進行が抑えられるので、発熱抵抗体および傍熱抵抗体の耐久寿命を向上することができる。また、発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも高くなると、空気の流量が微少流量であっても2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体で検出される温度変化が大きくなるので、微少流量時の流量検出精度を向上することができる。
請求項9に記載の発明によれば、第3配線の配線幅を、傍熱抵抗体または第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第3配線を配置することができる。あるいは第4配線の配線幅を、温度検出抵抗体または第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第4配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第4配線を配置することができる。
請求項10に記載の発明によれば、センサチップ以外の場所(例えば回路チップ上)に、第3直列回路の中点電位と第4直列回路の中点電位との差がゼロになるように、発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する制御回路(発熱抵抗体の温度制御回路)を配置(形成)したことにより、発熱抵抗体の温度または傍熱抵抗体の温度が温度検出抵抗体により検出される温度よりも一定の温度だけ高くなるように制御される。
請求項11に記載の発明によれば、センサチップ以外の場所(例えば回路チップ上)に、第1直列回路の中点電位と第2直列回路の中点電位との差に基づいて流量電圧信号を出力する検出回路(空気流量計の流量検出回路)を配置(形成)したことにより、発熱抵抗体の熱により発生する温度分布に基づいて4つの感温抵抗体の抵抗値が変化し、4つの感温抵抗体の抵抗値変化をブリッジ回路(X)の中点電位差として取り出して(電圧変換して)、空気の流量に対応した流量電圧信号が出力される。なお、2つの第1、第2直列回路の中点電位差は、空気の流れ方向に対して正負の値をとるので、この正負の値を判定することにより、空気の流れ方向も検出できる。
また、空気の流量が多い場合、センサチップのメンブレン上の温度分布は、発熱抵抗体を中心とする対称な温度分布に対して大きく移動するので、4つの感温抵抗体の抵抗値も大きく変化し、ブリッジ回路(X)の中点電位差も大きい電位差となる。このように、空気の流量とブリッジ回路の中点電位差には相関関係があり、ブリッジ回路の中点電位差の絶対値を計測(測定)することにより、空気の流量が検出される。
請求項12に記載の発明によれば、第1配線の配線幅を、第1上流側感温抵抗体または第1下流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第1配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第1配線を配置することができる。あるいは第2配線の配線幅を、第2下流側感温抵抗体または第2上流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭くしたことにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第2配線の配線幅が狭くなるので、センサチップ上に省スペースで第2配線を配置することができる。
請求項13に記載の発明によれば、第1直列回路から中点電位を取り出す第1配線が接続される第1接続部(第1上流側感温抵抗体と第1下流側感温抵抗体との中間地点)を、発熱抵抗体の中心線上に設けたことにより、直列接続される2つの第1感温抵抗体(第1上流側感温抵抗体、第1下流側感温抵抗体)の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度をより向上することが可能となる。あるいは第2直列回路から中点電位を取り出す第2配線が接続される第2接続部(第2下流側感温抵抗体と第2上流側感温抵抗体との中間地点)を、発熱抵抗体の中心線上に設けたことにより、直列接続される2つの第2感温抵抗体(第2下流側感温抵抗体、第2上流側感温抵抗体)の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度をより向上することが可能となる。
空気流量計測装置を吸気管に取り付けた状態を示した断面図である(実施例1)。 空気流量計測装置のセンサチップを示した平面図である(実施例1)。 空気流量計測装置の回路構成を示した図である(実施例1)。 空気流量計測装置のセンサチップを示した平面図である(実施例2)。 空気流量計測装置のセンサチップを示した平面図である(実施例3)。 空気流量計測装置の回路構成を示した図である(実施例3)。 空気流量計測装置のセンサチップを示した平面図である(実施例4)。 空気流量計測装置のセンサチップを示した平面図である(実施例5)。 空気流量計測装置の回路構成を示した図である(実施例5)。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
本発明は、空気流量の検出感度を向上するという目的を、直列接続される2つの感温抵抗体の抵抗値の温度特性のペア性を維持することで実現した。
また、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上するという目的を、2つの感温抵抗体を直列接続する接続配線の配線抵抗を低減することで実現した。
[実施例1の構成]
図1ないし図3は本発明の実施例1を示したもので、図1は空気流量計測装置を吸気管に取り付けた状態を示した図で、図2は空気流量計測装置のセンサチップを示した図で、図3は空気流量計測装置の回路構成を示した図である。
本実施例の内燃機関の制御装置(エンジン制御システム)は、内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される吸入空気の流量(空気流量)を測定(演算)する空気流量計測装置を備えている。
空気流量計測装置は、各種エンジン制御を行うエンジン制御ユニット(エンジン制御装置:以下ECUと呼ぶ)と、このECUのマイクロコンピュータへ空気流量電圧信号(アナログ信号)を出力する熱式のエアフロメータ(AFM)とを備えている。
ここで、エンジンは、複数の気筒を有するガソリンエンジンが採用されている。エンジンは、エアクリーナのエアフィルタで濾過された清浄な外気(吸入空気)と燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて得られる熱エネルギーにより出力を発生するものである。
エンジンの複数(各気筒毎)の吸気ポートには、吸気管1が接続されている。この吸気管1の内部には、エンジンの各気筒毎の燃焼室に吸入空気を供給するための吸気通路(流体流路)が形成されている。また、エンジンの複数(各気筒毎)の排気ポートには、排気管が接続されている。この排気管の内部には、エンジンの各気筒毎の燃焼室より流出する排気ガスを排気浄化装置を経由して外部に排出するための排気通路が形成されている。
なお、吸気管1の途中には、エアクリーナのエアフィルタ、空気流量計測装置のAFM、電子スロットル装置(スロットルボディ、スロットルバルブ、スロットル開度センサ)、サージタンク、インテークマニホールド等が設置されている。また、排気管の途中には、エキゾーストマニホールド、排気ガスセンサ(空燃比センサ、酸素濃度センサ)等が設置されている。
ECUは、制御処理や演算処理を行うCPU、制御プログラムまたは制御ロジックや各種データを保存する記憶装置(ROMやRAM等のメモリ)等の機能を含んで構成される周知のマイクロコンピュータが設けられている。ECUは、AFMより出力される空気流量電圧信号を、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。また、ECUは、各種センサより出力されるセンサ信号が、他のA/D変換回路でA/D変換された後に、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。
そして、ECUのマイクロコンピュータは、AFMより出力される空気流量電圧信号に基づいて空気の流量や空気の流れ方向を検出する。そして、マイクロコンピュータは、検出した空気流量に基づいて、エンジンの各気筒毎の吸気ポートまたは燃焼室に噴射供給する燃料噴射量を演算する。そして、この演算された燃料噴射量に応じてインジェクタの通電時間(開弁期間)を可変制御すると共に、インジェクタの通電時間を、電子スロットル装置、燃料供給装置(燃料ポンプ、燃料噴射装置)および点火装置等の各システムと関連して制御するように構成されている。
AFMは、プラグイン方式によって吸気管1に着脱自在に取り付けられている。このAFMは、合成樹脂製のセンサボディである中空状のハウジング2、このハウジング2の内部に設置される長方形状のセンサチップ3および長方形状の制御回路チップ4等を有している。AFMは、特に熱線としてのヒータ抵抗体(発熱抵抗体)5の放熱量に基づいて空気流量を計測する熱式の空気流量計として使用される。
ここで、センサチップ3上には、空気の流量を検出する流量検出部(ヒータ抵抗体5、4つの温度センサ抵抗体6〜9、固定抵抗体12、温度センサ抵抗体13、固定抵抗体14)が形成されている。センサチップ3の長手方向の先端部(流量検出部以外の部位、図2において図示下端部)には、ボンディングワイヤが電気的に接続される電極パッド群が形成されている。
ハウジング2の内部には、吸気管1の吸気通路(メイン流路15等)を流れる吸入空気の一部が流入するバイパス流路16、17が形成されている。このハウジング2は、吸気管1の外部から、吸気管1の所定の位置に形成された取付孔19を貫通して吸気管1の内部に、しかもメイン流路15内に突き出すように挿し込まれている。また、ハウジング2には、締結ネジ等によって吸気管1の取付孔19の開口周縁部(外壁面)に締結固定されるフランジ21が一体的に形成されている。また、ハウジング2の高さ方向の上部には、センサチップ3および制御回路チップ4に形成される制御回路(AFMの流量検出回路、ヒータ抵抗体5の温度制御回路)とECUやバッテリ(電源)とを電気的に接続する複数のターミナル22を保持するコネクタハウジング23が一体的に形成されている。
バイパス流路16は、吸気管1のメイン流路15を流通する空気流方向に平行となるように形成され、吸気管1のメイン流路15を迂回する空気流路(直線流路)である。このバイパス流路16の上流端には、吸気管1のメイン流路15から吸入空気が流入する入口が設けられている。また、バイパス流路16の下流端には、吸気管1のメイン流路15へ吸入空気が流出する出口が設けられている。また、バイパス流路16の出口側には、空気流方向の下流側に向かう程、流路断面積が減少するテーパ状の絞り部18が設けられている。
バイパス流路17は、バイパス流路16を流通する空気流の一部が流入し、且つ吸気管1のメイン流路15を迂回する空気流路(旋回流路)である。このバイパス流路17は、バイパス流路16の絞り部18よりも空気流方向の上流側で分岐する入口、およびバイパス流路16を挟んでその両側に形成される出口を有している。また、バイパス流路17の入口と出口との間には、空気流方向が180度変化(Uターン)するUターン部が設けられている。このUターン部の中央部には、センサチップ3が設置される直線部(水平方向部)24が設けられている。また、バイパス流路17は、その出口よりも空気流方向の上流側で分岐している。
センサチップ3は、シリコンよりなる平板状の基板を有しており、基板の表面には窒化シリコンよりなる絶縁性の支持膜が形成されている。そして、支持膜上には、流量検出部(ヒータ抵抗体5、4つの温度センサ抵抗体6〜9、温度センサ抵抗体13、2つの固定抵抗体12、14)と、制御回路チップ4上の電極パッド群にボンディングワイヤにより電気的に接続される電極パッド群とが形成されている。流量検出部上には、流量検出部を保護するための窒化シリコンよりなる絶縁性の保護膜が形成されている。
また、AFMは、センサチップ3の流量検出部が露出されるように配置される封止樹脂(モールド樹脂)を有している。このモールド樹脂は、センサチップ3上の電極パッド群、制御回路チップ4上の電極パッド群や回路、ボンディングワイヤを被覆している。なお、センサチップ3には、基板を裏面からエッチングすることによって形成されるメンブレン(薄肉部)25が形成されている。
制御回路チップ4は、シリコンよりなる平板状の基板を有しており、この基板に差動増幅器(オペアンプ)26、27、トランジスタ28やダイオード等の素子を配置している。また、制御回路チップ4の基板のセンサチップ3側の端部表面には、センサチップ3上の電極パッド群とボンディングワイヤにより電気的に接続される電極パッド群が形成されている。
ヒータ抵抗体5は、自身を流れる加熱電流により高温に発熱する薄膜状の発熱抵抗体である。このヒータ抵抗体5は、例えば白金(Pt)やポリシリコン(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等を真空蒸着やスパッタリングによってセンサチップ3のメンブレン25上に薄膜形成される。
4つの温度センサ抵抗体6〜9および温度センサ抵抗体13は、周囲の温度により自身の抵抗値が変化する感温抵抗体であり、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
2つの固定抵抗体12、14は、自身の抵抗値が固定された固定抵抗体であり、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
ここで、AFMの流量検出回路は、図2および図3に示したように、センサチップ3上に薄膜形成されるブリッジ回路(X)、および制御回路チップ4上に配置される差動増幅器26等を備えている。
ブリッジ回路(X)は、2つの第1、第2直列回路を並列接続することで構成されている。第1直列回路(A)は、温度センサ抵抗体6と温度センサ抵抗体7とを直列接続した回路である。また、第2直列回路(B)は、温度センサ抵抗体8と温度センサ抵抗体9とを直列接続した回路である。
AFMの流量検出回路は、差動増幅器26によりブリッジ回路(X)のブリッジ出力電圧(ブリッジ間電位差:VA−VB)を求め、このブリッジ出力電圧を増幅して空気流量電圧信号としてECUに出力するように構成されている。
温度センサ抵抗体6は、温度により抵抗値RU1が変化する温度検出抵抗体であって、ヒータ抵抗体5よりも空気流方向の上流側に配置されている。この温度センサ抵抗体6は、ヒータ抵抗体5近傍の上流温度を検出する第1上流側感温抵抗体を構成する。
温度センサ抵抗体7は、温度により抵抗値RD1が変化する温度検出抵抗体であって、ヒータ抵抗体5よりも空気流方向の下流側に配置されている。この温度センサ抵抗体7は、ヒータ抵抗体5近傍の下流温度を検出する第1下流側感温抵抗体を構成する。
温度センサ抵抗体8は、温度により抵抗値RD2が変化する温度検出抵抗体であって、温度センサ抵抗体7よりも空気流方向の下流側に配置されている。この温度センサ抵抗体8は、ヒータ抵抗体5近傍の下流温度を検出する第2下流側感温抵抗体を構成する。
温度センサ抵抗体9は、温度により抵抗値RU2が変化する温度検出抵抗体であって、温度センサ抵抗体6よりも空気流方向の上流側に配置されている。この温度センサ抵抗体9は、ヒータ抵抗体5近傍の上流温度を検出する第2上流側感温抵抗体を構成する。
そして、温度センサ抵抗体6と温度センサ抵抗体8との接続点には、電源電圧が印加されている。また、温度センサ抵抗体7と温度センサ抵抗体9との接続点の電位は、グランド(GND)電位となっている。
ここで、空気の流量や空気の流れ方向が検出される仕組みを説明する。なお、ブリッジ回路(X)の第1直列回路の中点電位をVA、第2直列回路の中点電位をVBとする。
無風状態では、ヒータ抵抗体5を中心とする対称な温度分布が形成される。したがって、無風状態においては、ヒータ抵抗体5に対して対称な位置に形成されている温度センサ抵抗体6、7に伝達される熱量はほぼ等しく、また、温度センサ抵抗体8、9に伝達される熱量もほぼ等しくなる。これにより、温度センサ抵抗体6、7の抵抗値RU1、RD1は互いにほぼ等しく、温度センサ抵抗体8、9の抵抗値RD2、RU2も互いにほぼ等しくなる。したがって、無風状態では、第1直列回路の温度センサ抵抗体6、7間の中点電位VAと第2直列回路の温度センサ抵抗体8、9間の中点電位VBとは互いに等しく、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)はゼロとなる。
また、図1および図2に示したように、空気が上流側(エアクリーナ側、図2において図示右側)から下流側(エンジン側、図2において図示左側)に流れると、センサチップ3のメンブレン25上に形成される温度分布の中心位置がヒータ抵抗体5の中心位置から下流側に移動するので、ヒータ抵抗体5よりも上流側に配置されている上流側の温度センサ抵抗体6、9の温度が低くなり、ヒータ抵抗体5よりも下流側に配置されている下流側の温度センサ抵抗体7、8の温度が上昇する。これにより、例えば上流側の温度センサ抵抗体6、9の抵抗値が下降し、下流側の温度センサ抵抗体7、8の抵抗値が上昇することとなる。
ブリッジ回路(X)の第1、第2直列回路間電位差(中点電位差:VA−VB)は、もはやゼロとはならず、この場合、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)は正の値をとる。
反対に、空気が下流側から上流側に流れると、センサチップ3のメンブレン25上に形成される温度分布の中心位置がヒータ抵抗体5の中心位置から上流側に移動するので、上流側の温度センサ抵抗体6、9の抵抗値が上昇し、下流側の温度センサ抵抗体7、8の抵抗値が下降する。したがって、この場合、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)は負の値をとる。
このように、空気の流れ方向に対して、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)が正負の値をとるので、この正負の値を判定することにより、空気の流れ方向は検出される。また、空気の流量が多い場合、センサチップ3のメンブレン25上に形成される温度分布は大きく移動するので、温度センサ抵抗体6〜9の抵抗値RU1、RD1、RD2、RU2も大きく変動し、ブリッジ回路の中点電位差(VA−VB)も大きく変動する。このように、空気の流量と中点電位差には相関関係があり、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)の絶対値を測定することにより、空気の流量が検出される。
なお、ブリッジ回路(X)、特に2つの第1、第2直列回路の詳細は後述する。
ここで、ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、図2および図3に示したように、センサチップ3上に薄膜形成されるブリッジ回路(Y)、制御回路チップ4上に配置される差動増幅器27およびトランジスタ28等を備えている。
ブリッジ回路(Y)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続することで構成されている。第3直列回路(C)は、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続した回路である。また、第4直列回路(D)は、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続した回路である。
そして、2つの固定抵抗体12、14の接続点には、定電圧を受けて動作するトランジスタ28が接続されている。また、ヒータ抵抗体5と温度センサ抵抗体13との接続点の電位は、グランド(GND)電位となっている。
ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、ヒータ抵抗体5の発熱温度および温度センサ抵抗体13で検出される吸気温度に応じてヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を制御するように構成されている。
具体的には、トランジスタ28を介して、ヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を生成すると共に、差動増幅器27によりブリッジ回路(Y)のブリッジ出力電圧(ブリッジ間電位差:VC−VD)を求め、このブリッジ出力電圧が所定電圧値(例えば0V)となるようにトランジスタ28の動作を帰還制御してヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を可変するように構成されている。この差動増幅器27によるトランジスタ28の帰還制御によりヒータ抵抗体5の発熱温度Thが、温度センサ抵抗体13により検出される雰囲気温度(吸気温度:TK)よりも常に一定温度ΔT(=Th−TK)だけ高く設定される。
温度センサ抵抗体13は、周囲の温度(吸気温度)により抵抗値が変化する温度検出抵抗体であって、センサチップ3上においてヒータ抵抗体5の熱の影響を受けない場所(メンブレン25以外の場所)に配置されている。この温度センサ抵抗体13は、空気の温度を検出する感温抵抗体を構成する。また、温度センサ抵抗体13は、上述したように、ヒータ抵抗体5と同質の材料で形成された抵抗体であるが、ヒータ抵抗体5のように高温に発熱させる必要はないので、ヒータ抵抗体5よりも抵抗値が大きくなるように構成されている。
2つの固定抵抗体12、14は、センサチップ3上においてヒータ抵抗体5の熱の影響を受けない場所(メンブレン25以外の場所)に配置されている。2つの固定抵抗体12、14は、ヒータ抵抗体5の中心線を中心にして対称的な位置で、且つ4回以上折り返したほぼ対称形状となるように構成されている。また、固定抵抗体14は、温度センサ抵抗体13との中間接続点を通る中心線(中間接続点の中心線)を中心にして対称的な位置で、且つ温度センサ抵抗体13と対称形状となるように構成されている。
なお、ブリッジ回路(Y)、特に2つの第3、第4直列回路の詳細は後述する。
次に、本実施例のAFMの流量検出回路、特にブリッジ回路(X)の詳細を図2および図3に基づいて簡単に説明する。
ブリッジ回路(X)は、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する2つの温度センサ抵抗体6、7を直列接続した第1直列回路と、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する2つの温度センサ抵抗体8、9を直列接続した第2直列回路とを並列接続した回路である。
ここで、温度センサ抵抗体6は、温度センサ抵抗体7と同一のコの字形状で、しかも温度センサ抵抗体7の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。また、温度センサ抵抗体8は、温度センサ抵抗体9と同一のコの字形状で、しかも温度センサ抵抗体9の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。
ブリッジ回路(X)は、第1直列回路の中点電位VAを取り出すための第1配線31を有している。第1直列回路には、2つの温度センサ抵抗体6、7を直列接続する第1接続配線32が設けられている。この第1接続配線32の中間地点には、第1配線31の電極パッド側に対して逆側の端部が接続される第1中間接続部33が設けられている。
以上により、第1配線31は、センサチップ3上で第1直列回路の第1接続配線32の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(X)の第1直列回路では、中点電位VAの取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体6、7の中間地点に設けている。
ブリッジ回路(X)は、第2直列回路の中点電位VBを取り出すための第2配線34を有している。第2直列回路には、2つの温度センサ抵抗体8、9を直列接続する第2接続配線35が設けられている。この第2接続配線35の中間地点には、第2配線34の電極パッド側に対して逆側の端部が接続される第2中間接続部36が設けられている。
以上により、第2配線34は、センサチップ3上で第2直列回路の第2接続配線35の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(X)の第2直列回路では、中点電位VBの取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設けている。
なお、2つの第1、第2中間接続部33、36は、センサチップ3上においてヒータ抵抗体5の熱の影響を受けない場所(メンブレン25以外の場所)で、しかもヒータ抵抗体5の中心線上に配置されている。また、ブリッジ回路(X)は、2つの第1、第2直列回路の中点電位VA、VBを取り出すための第1、第2配線31、34の配線幅を、2つの温度センサ抵抗体6、7を接続する第1接続配線32の配線幅および2つの温度センサ抵抗体8、9を接続する第2接続配線35の配線幅よりも狭く(細く)している。
センサチップ3上に形成される電極パッド群、特にAFMの流量検出回路の一部として使用される電極パッド群は、第1直列回路の第1配線31の電極パッド側端部上に形成される第1電極パッド37、第2直列回路の第2配線34の電極パッド側端部上に形成される第2電極パッド38、および4つの抵抗配線41〜44の電極パッド側端部上に形成される4つの電極パッド45〜48を有している。
第1、第2電極パッド37、38は、ボンディングワイヤ等を介して、制御回路チップ4上に配置される差動増幅器26に電気的に接続されている。つまりAFMの流量検出回路は、第1、第2配線31、34により取り出されたブリッジ回路(X)の中点電位差(VAーVB)が差動増幅器26の入力端子に入力されるように構成されている。
抵抗配線41は、温度センサ抵抗体9と電極パッド45とを電気的に接続している。また、抵抗配線42は、温度センサ抵抗体6と電極パッド46とを電気的に接続している。また、抵抗配線43は、温度センサ抵抗体7と電極パッド47とを電気的に接続している。また、抵抗配線44は、温度センサ抵抗体8と電極パッド48とを電気的に接続している。
なお、2つの第1、第2配線31、34、2つの第1、第2接続配線32、35、4つの抵抗配線41〜44は、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
次に、ヒータ抵抗体5の温度制御回路、特にブリッジ回路(Y)の詳細を図2および図3に基づいて簡単に説明する。
ブリッジ回路(Y)は、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続した第3直列回路と、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続した第4直列回路とを並列接続した回路である。
ここで、ヒータ抵抗体5は、センサチップ3の長手方向(空気流方向に垂直な方向)に延びる2つの垂直方向ヒータ抵抗部およびこれらの垂直方向ヒータ抵抗部の抵抗配線側に対して逆側端部を連結する空気流方向ヒータ抵抗部を有している。なお、ヒータ抵抗体5の中心線とは、空気流方向ヒータ抵抗部の中心を通り、空気流方向に垂直な方向に延びる直線のことである。
ブリッジ回路(Y)は、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51を有している。第3直列回路には、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52が設けられている。この第3接続配線52の中間地点には、第3配線51の電極パッド側に対して逆側の端部が接続される第3中間接続部53が設けられている。
以上により、第3配線51は、センサチップ3上で第3直列回路の第3接続配線52の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第3直列回路では、中点電位VCの取り出し位置を、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
ブリッジ回路(Y)は、第4直列回路の中点電位VDを取り出すための第4配線54を有している。第4直列回路には、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続する第4接続配線55が設けられている。この第4接続配線55の中間地点には、第4配線54の電極パッド側に対して逆側の端部が接続される第4中間接続部56が設けられている。
以上により、第4配線54は、センサチップ3上で第4直列回路の第4接続配線55の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第4直列回路では、中点電位VDの取り出し位置を、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14との中間地点に設けている。
センサチップ3上に形成される電極パッド群、特にヒータ抵抗体5の温度制御回路の一部として使用される電極パッド群は、第3直列回路の第3配線51の電極パッド側端部上に形成される第3電極パッド57、第4直列回路の第4配線54の電極パッド側端部上に形成される第4電極パッド58、および4つの抵抗配線61〜64の電極パッド側端部上に形成される4つの電極パッド65〜68を有している。
第3、第4電極パッド57、58は、ボンディングワイヤ等を介して、制御回路チップ4上に配置される差動増幅器27に電気的に接続されている。つまりヒータ抵抗体5の温度制御回路は、第3、第4配線51、54により取り出されたブリッジ回路(Y)の中点電位差(VCーVD)が差動増幅器27の入力端子に入力されるように構成されている。
抵抗配線61は、温度センサ抵抗体13と電極パッド65とを電気的に接続している。また、抵抗配線62は、固定抵抗体14と電極パッド66とを電気的に接続している。また、抵抗配線63は、ヒータ抵抗体5と電極パッド67とを電気的に接続している。また、抵抗配線64は、固定抵抗体12と電極パッド68とを電気的に接続している。
なお、2つの第3、第4配線51、54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜64は、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
[実施例1の特徴]
以上のように、本実施例の空気流量計測装置は、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)を有するAFMの流量検出回路と、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を有するヒータ抵抗体5の温度制御回路とを備えている。また、ブリッジ回路(X)およびブリッジ回路(Y)は、センサチップ3上に形成されている。また、センサチップ3のメンブレン25上には、電力の供給を受けて高温に発熱するヒータ抵抗体5と、このヒータ抵抗体5を跨ぎヒータ抵抗体5の上下流両側に配置されて直列接続される2つの温度センサ抵抗体6、7と、ヒータ抵抗体5を跨ぎヒータ抵抗体5の上下流両側に配置されて直列接続される2つの温度センサ抵抗体8、9とが白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等により薄膜形成されている。
また、ブリッジ回路(X)においては、2つの第1、第2直列回路の中点電位VA、VBを取り出すための第1、第2配線31、34の配線幅を、2つの温度センサ抵抗体6、7を接続する第1接続配線32の配線幅および2つの温度センサ抵抗体8、9を接続する第2接続配線35の配線幅よりも狭く(細く)している。また、抵抗配線41〜44の配線幅よりも狭く(細く)している。これにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第1、第2配線31、34の配線幅が狭くなるので、センサチップ3上に省スペースで第1、第2配線31、34を配置することができる。したがって、長方形状のセンサチップ3の横(幅)方向(空気流方向)のサイズを小さくすることができるので、AFMを小型化できる。
そして、第1直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、2つの温度センサ抵抗体6、7の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第1中間接続部33を設けている。これにより、直列接続される2つの温度センサ抵抗体6、7の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度を向上することができる。また、2つの温度センサ抵抗体6、7を直列接続する第1接続配線32を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第1接続配線32の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度を向上することができる。
一方、第2直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第2中間接続部36を設けている。これにより、直列接続される2つの温度センサ抵抗体8、9の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度を向上することができる。また、2つの温度センサ抵抗体8、9を直列接続する第2接続配線35を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第2接続配線35の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度を向上することができる。
また、空気流量計測装置においては、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)で、第1直列回路の中点電位VAを取り出すための第1配線31を、第1直列回路の第1中間接続部33からセンサチップ3上で分岐させている。また、第2直列回路の中点電位VBを取り出すための第2配線32を、第2直列回路の第2中間接続部36からセンサチップ3上で分岐させている。つまり第1、第2中間接続部33、36が、センサチップ3上に配置されており、第1、第2配線31、34がセンサチップ3上で第1、第2直列回路の第1、第2接続配線32、35の中間地点から分岐している。
これによって、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第1、第2中間接続部33、36が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力による4つの温度センサ抵抗体6〜9等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
また、本実施例のヒータ抵抗体5の温度制御回路においては、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)で、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51を、第3直列回路の第3中間接続部53からセンサチップ3上で分岐させている。つまり第3直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12との中間地点に設けている。また、第4直列回路の中点電位VDを取り出すための第4配線54を、第4直列回路の第4中間接続部56からセンサチップ3上で分岐させている。つまり第4直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14との中間地点に設けている。
これによって、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第3接続配線52の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。また、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続する第4接続配線55を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第4接続配線55の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。
また、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第3、第4中間接続部53、56が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力によるヒータ抵抗体5、温度センサ抵抗体13、2つの固定抵抗体12、14等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
図4は本発明の実施例2を示したもので、図4は空気流量計測装置のセンサチップを示した図である。
本実施例のAFMの流量検出回路は、実施例1と同様に、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)を備えている。
また、ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、実施例1と同様に、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。
このブリッジ回路(Y)においては、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51の配線幅を、抵抗配線63、64の配線幅よりも狭く(細く)している。これにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3配線51の配線幅が狭くなるので、センサチップ3上に省スペースで第3配線51を配置することができる。
したがって、長方形状のセンサチップ3の横(幅)方向(空気流方向)のサイズを小さくすることができるので、AFMを小型化できる。
なお、第4直列回路の中点電位VDを取り出すための第4配線54の配線幅を、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを接続する第4接続配線55の配線幅よりも狭く(細く)しても良い。
図5および図6は本発明の実施例3を示したもので、図5は空気流量計測装置のセンサチップを示した図で、図6は空気流量計測装置の回路構成を示した図である。
本実施例のヒータ抵抗体5の温度制御回路は、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12とを直列接続した第3直列回路と、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続した第4直列回路とを並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。
ここで、傍熱抵抗体11は、ヒータ抵抗体5の熱を受けて抵抗値RIが変化する温度検出抵抗体であって、センサチップ3のメンブレン25上においてヒータ抵抗体5の発熱の影響を受ける場所に配置されている。
2つの固定抵抗体12、14の接続点には、所定の電源電圧が印加されている。また、傍熱抵抗体11と温度センサ抵抗体13との接続点の電位は、グランド(GND)電位となっている。
本実施例のブリッジ回路(Y)は、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51を有している。第3直列回路には、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52が設けられている。この第3接続配線52の中間地点には、第3配線51の電極パッド側に対して逆側の端部が接続される第3中間接続部53が設けられている。
以上により、第3配線51は、センサチップ3上で第3直列回路の第3接続配線52の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第3直列回路では、中点電位VCの取り出し位置を、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
センサチップ3上に形成される電極パッド群、特にヒータ抵抗体5の温度制御回路の一部として使用される電極パッド群は、第3、第4電極パッド57、58、4つの電極パッド65〜68の他に、2つの電極パッド71、72を有している。
電極パッド65は、抵抗配線61を介して、温度センサ抵抗体13と電気的に接続されている。また、電極パッド66は、抵抗配線62を介して、固定抵抗体14と電気的に接続されている。また、電極パッド67は、抵抗配線63を介して、傍熱抵抗体11と電気的に接続されている。また、電極パッド68は、抵抗配線64を介して、固定抵抗体12と電気的に接続されている。
また、電極パッド71は、抵抗配線73を介して、ヒータ抵抗体5と電気的に接続されている。この電極パッド71は、ボンディングワイヤを介して、制御回路チップ4上のトランジスタ28に電気的に接続されている。また、電極パッド72は、抵抗配線74を介して、ヒータ抵抗体5と電気的に接続されている。この電極パッド72の電位は、グランド(GND)電位となっている。
なお、2つの電極パッド71、72は、2つの第3、第4配線51、54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜64と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、ブリッジ回路(Y)の他に、差動増幅器27、トランジスタ28等を備え、温度センサ抵抗体13で検出される吸気温度に応じてヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を可変制御して、傍熱抵抗体11の温度を温度センサ抵抗体13で検出される吸気温度よりも一定の温度だけ高くするように構成されている。
具体的には、定電圧を受けて動作するトランジスタ28を介して、ヒータ抵抗体5を流れる加熱電流(またはヒータ抵抗体5に印加される駆動電圧)を生成すると共に、差動増幅器27によりブリッジ回路(Y)のブリッジ出力電圧である中点電位差(VC−VD)を求め、このブリッジ出力電圧が所定電圧値(例えば0V)となるようにトランジスタ28の動作を帰還制御してヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を可変するように構成されている。この差動増幅器27によるトランジスタ28の帰還制御によりヒータ抵抗体5の発熱温度Thが、温度センサ抵抗体13により検出される雰囲気温度(吸気温度:TK)よりも常に一定温度ΔT(=Th−TK)だけ高く設定される。
以上のように、本実施例の空気流量計測装置は、実施例1と同様な効果を得ることができる。
具体的には、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51を、第3直列回路の第3中間接続部53からセンサチップ3上で分岐させている。つまり第3直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
これによって、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第3接続配線52の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。
また、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第3、第4中間接続部53、56が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力による傍熱抵抗体11、温度センサ抵抗体13、2つの固定抵抗体12、14等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
図7は本発明の実施例4を示したもので、図7は空気流量計測装置のセンサチップを示した図である。
本実施例のヒータ抵抗体5の温度制御回路は、実施例3と同様に、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。
このブリッジ回路(Y)においては、2つの第3、第4直列回路の中点電位VC、VDを取り出すための第3、第4配線51、54の配線幅を、抵抗配線63、64の配線幅および抵抗配線61、62の配線幅よりも狭く(細く)している。これにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3、第4配線51、54の配線幅が狭くなるので、センサチップ3上に省スペースで第3、第4配線51、54を配置することができる。
したがって、長方形状のセンサチップ3の横(幅)方向(空気流方向)のサイズを小さくすることができるので、AFMを小型化できる。
図8および図9は本発明の実施例5を示したもので、図8は空気流量計測装置のセンサチップを示した図で、図9は空気流量計測装置の回路構成を示した図である。
本実施例のヒータ抵抗体5の温度制御回路は、実施例3及び4と同様に、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。
センサチップ3上に形成される電極パッド群、特にヒータ抵抗体5の温度制御回路の一部として使用される電極パッド群は、第4電極パッド58、4つの電極パッド65〜67の他に、2つの電極パッド71、72および電極パッド76を有している。
電極パッド76は、抵抗配線77を介して、傍熱抵抗体11と電気的に接続されている。この電極パッド76は、ボンディングワイヤを介して、センサチップ3以外の場所に設置された固定抵抗体12に電気的に接続されている。
なお、電極パッド76は、第4配線54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜63、2つの電極パッド71、72と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
そして、ブリッジ回路(Y)においては、第3直列回路を構成する抵抗体の一部である固定抵抗体12をセンサチップ3以外の場所に設置している。これにより、センサチップ3以外の場所に配置された固定抵抗体12を実施例3及び4のものと異なる抵抗値の抵抗体に容易に取り替えることができる。
例えば温度センサ抵抗体13で検出される周囲の吸気温度よりもヒータ抵抗体5の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)だけ高くなるようにヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を制御する温度制御回路(システム)では、ヒータ抵抗体5の熱を受ける傍熱抵抗体11に直列接続される固定抵抗体12を実施例3及び4のものと異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、ヒータ抵抗体5の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
例えばヒータ抵抗体5の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも低くなると、ヒータ抵抗体5および傍熱抵抗体11の熱劣化の進行が抑えられるので、ヒータ抵抗体5および傍熱抵抗体11の耐久寿命を向上することができる。また、ヒータ抵抗体5の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも高くなると、空気流量が微少流量であっても4つの温度センサ抵抗体6〜9で検出される温度変化が大きくなるので、微少流量時の流量検出精度を向上することができる。
なお、ブリッジ回路(Y)の第3直列回路を構成する固定抵抗体12の代わりに、ブリッジ回路(Y)の第4直列回路を構成する固定抵抗体14をセンサチップ3以外の場所に設置しても良い。また、2つの固定抵抗体12、14の両方の抵抗体をセンサチップ3以外の場所に設置しても良い。
[変形例]
本実施例では、本発明の流量計測装置を、内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される空気の流量や空気の流れ方向を検出する空気流量計測装置に適用しているが、本発明の流量計測装置を、ガス器具に供給されるガスや内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される気体燃料または液体燃料等の流体の流量を検出する流量計測装置に適用しても良い。
本実施例のECUのマイクロコンピュータは、AFMより出力された空気流量電圧信号(Vout)に基づいて空気流量を演算(算出)し、この算出した空気流量を各種エンジン制御(例えば燃料噴射制御、空燃比制御、EGRバルブ開度制御)に使用している。なお、AFMの制御回路で空気流量電圧信号を周波数変換してECUへ周波数信号を出力するようにしても良い。
X 空気流量計(AFM)の流量検出回路のブリッジ回路
Y ヒータ抵抗体の温度制御回路のブリッジ回路
1 エンジン(内燃機関)の吸気管
3 センサチップ
4 制御回路チップ
5 ヒータ抵抗体(発熱抵抗体)
6 温度センサ抵抗体(第1上流側感温抵抗体)
7 温度センサ抵抗体(第1下流側感温抵抗体)
8 温度センサ抵抗体(第2下流側感温抵抗体)
9 温度センサ抵抗体(第2上流側感温抵抗体)
11 傍熱抵抗体(温度検出抵抗体)
12 固定抵抗体(第3抵抗体)
13 温度センサ抵抗体(温度検出抵抗体)
14 固定抵抗体(第4抵抗体)
25 センサチップのメンブレン(薄肉部)
31 第1配線
32 第1接続配線
33 第1中間接続部(第1接続部)
34 第2配線
35 第2接続配線
36 第2中間接続部(第2接続部)
41 抵抗配線
42 抵抗配線
43 抵抗配線
44 抵抗配線
51 第3配線
52 第3接続配線
53 第3中間接続部(第3接続部)
54 第4配線
55 第4接続配線
56 第4中間接続部(第4接続部)
61 抵抗配線
62 抵抗配線
63 抵抗配線
64 抵抗配線

Claims (13)

  1. (a)基板に薄肉部が形成されたセンサチップと、
    (b)前記薄肉部上に配置されて、加熱電流が流れると発熱する発熱抵抗体と、
    (c)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の上流側に配置されて、温度により抵抗値が変化する2つの第1、第2上流側感温抵抗体と、
    (d)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の下流側に配置されて、温度により抵抗値が変化する2つの第1、第2下流側感温抵抗体と、
    (e)前記第1上流側感温抵抗体と前記第1下流側感温抵抗体とを直列接続した第1直列回路と、
    前記第2下流側感温抵抗体と前記第2上流側感温抵抗体とを直列接続した第2直列回路と
    を並列接続したブリッジ回路(X)と
    を備えた流量計測装置において、
    前記第1上流側感温抵抗体は、前記第1下流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有し、
    前記第2下流側感温抵抗体は、前記第2上流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有し、
    前記ブリッジ回路(X)は、前記第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線、および前記第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線を有し、
    前記第1直列回路は、前記第1上流側感温抵抗体と前記第1下流側感温抵抗体との中間地点に、前記第1配線が接続される第1接続部を有し、
    前記第2直列回路は、前記第2下流側感温抵抗体と前記第2上流側感温抵抗体との中間地点に、前記第2配線が接続される第2接続部を有し、
    前記第1接続部または前記第2接続部は、前記センサチップ上に配置され、
    前記第1配線または前記第2配線は、前記センサチップ上で前記第1直列回路または前記第2直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。
  2. 請求項1に記載の流量計測装置において、
    (f)前記センサチップ上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に配置されて、周囲の温度により抵抗値が変化する温度検出抵抗体と、
    (g)前記発熱抵抗体およびこの発熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体よりなる第3直列回路と、
    前記温度検出抵抗体およびこの温度検出抵抗体に直列接続される第4抵抗体よりなる第4直列回路と
    を並列接続したブリッジ回路(Y)と
    を備えたことを特徴とする流量計測装置。
  3. 請求項2に記載の流量計測装置において、
    前記ブリッジ回路(Y)は、前記第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および前記第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有し、
    前記第3直列回路は、前記発熱抵抗体と前記第3抵抗体との間に、前記第3配線が接続される第3接続部を有し、
    前記第4直列回路は、前記温度検出抵抗体と前記第4抵抗体との中間地点に、前記第4配線が接続される第4接続部を有し、
    前記第3接続部または前記第4接続部は、前記センサチップ上に配置され、
    前記第3配線または前記第4配線は、前記センサチップ上で前記第3直列回路または前記第4直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。
  4. 請求項2または請求項3に記載の流量計測装置において、
    前記第3抵抗体または前記第4抵抗体は、前記センサチップ以外の場所に配置されていることを特徴とする流量計測装置。
  5. 請求項3または請求項4に記載の流量計測装置において、
    前記第3配線、あるいは前記第4配線は、その配線幅が、前記発熱抵抗体または前記第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記温度検出抵抗体または前記第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。
  6. 請求項1に記載の流量計測装置において、
    (f)前記センサチップ上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に配置されて、周囲の温度により抵抗値が変化する温度検出抵抗体と、
    (g)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受ける場所に配置されて、前記発熱抵抗体の熱により抵抗値が変化する傍熱抵抗体と、
    (h)前記傍熱抵抗体およびこの傍熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体よりなる第3直列回路と、
    前記温度検出抵抗体およびこの温度検出抵抗体に直列接続される第4抵抗体よりなる第4直列回路と
    を並列接続したブリッジ回路(Y)と
    を備えたことを特徴とする流量計測装置。
  7. 請求項6に記載の流量計測装置において、
    前記ブリッジ回路(Y)は、前記第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および前記第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有し、
    前記第3直列回路は、前記傍熱抵抗体と前記第3抵抗体との間に、前記第3配線が接続される第3接続部を有し、
    前記第4直列回路は、前記温度検出抵抗体と前記第4抵抗体との中間地点に、前記第4配線が接続される第4接続部を有し、
    前記第3接続部または前記第4接続部は、前記センサチップ上に配置され、
    前記第3配線または前記第4配線は、前記センサチップ上で前記第3直列回路または前記第4直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。
  8. 請求項6または請求項7に記載の流量計測装置において、
    前記第3抵抗体または前記第4抵抗体は、前記センサチップ以外の場所に配置されていることを特徴とする流量計測装置。
  9. 請求項7または請求項8に記載の流量計測装置において、
    前記第3配線、あるいは前記第4配線は、その配線幅が、前記傍熱抵抗体または前記第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記温度検出抵抗体または前記第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。
  10. 請求項2ないし請求項8のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
    前記センサチップ以外の場所には、前記第3直列回路の中点電位と前記第4直列回路の中点電位との差がゼロになるように、前記発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する制御回路が配置されていることを特徴とする流量計測装置。
  11. 請求項1ないし請求項10のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
    前記センサチップ以外の場所には、前記第1直列回路の中点電位と前記第2直列回路の中点電位との差に基づいて流量電圧信号を出力する検出回路が配置されていることを特徴とする流量計測装置。
  12. 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
    前記第1配線、あるいは前記第2配線は、その配線幅が、前記第1上流側感温抵抗体または前記第1下流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記第2下流側感温抵抗体または前記第2上流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。
  13. 請求項1ないし請求項12のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
    前記第1接続部または前記第2接続部は、前記発熱抵抗体の中心線上に設けられていることを特徴とする流量計測装置。
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