JP2013238594A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ大きい機械的安定性と汚染に対する鈍感さ以外に更に、できるだけ良好なセンサ要素に対する環流を保証する流量センサを提供する。
【解決手段】高剛性の導電性のサポート部分１と、センサ要素２と、安定なカプセル化部３とを有し、センサ要素２が、導電結合部８を介してサポート部分１と接続され、センサ要素２が、プレート状のサポートサブストレートを有し、このサポートサブストレート上に、少なくとも１つの温度センサ５と加熱要素４が配設され、カプセル化部３が、センサ要素２とサポート部分１を部分的に係合式に包囲し、センサ要素２の上面及び下面上の領域が、カプセル化部３によって覆われず、測定すべき流れが妨害されることなくこれら領域を環流し得ることを特徴とする、マスフローを直接測定するための流量センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は、マスフロー、特に空気又は他のガスを直接測定するために適した流量センサに関する。

流量センサは、通常は、単位時間毎に所定の空気マス又はガスマスを供給しなければならない適用において使用される。典型的な適用は、例えば、自動車内燃機関の吸気通路においてみられる。この場合、使用される流量センサは、測定すべき流れ内に直接導入され、流れがこの流量センサを環流する。この場合、公知の流量センサは、ホットフィルムセンサとして形成され、異なったセンサコイルと場合によってはヒータ構造とを有し、これらは、通常の薄膜製造テクノロジを介して薄いガラスサブストレート又はセラミックサブストレート上に取り付けられる。

一方で、使用において、使用されるサブストレートが薄いことに基づいて、高い機械的感度が生じることが、このような流量センサにおいて問題であるとわかった。他方で、流量センサもしくはサブストレートは、製造時に鋸引きプロセスを介して個別化することに基づいてエッジを備え、運転中、このエッジに、誤測定につながる汚れが堆積し得る。

この問題を解決するため、独国特許出願公開第１０ ２００５ ０１６ １２２号（特許文献１）では、センサチップが全体的又は部分的に合成樹脂成分によって包囲される、流量計が提案される。この場合、合成樹脂成分は、流量計の所定の領域内を、前縁として形成し得る。このやり方で、前記の欠点が、機械的安定性及び汚染を顧慮して回避し得るが、所定のタイプのセンサ要素のために、測定すべき流れによる本来のセンサ要素に対する理想的でない環流が生じる。

独国特許出願公開第１０ ２００５ ０１６ １２２号

本発明の課題は、できるだけ大きい機械的安定性と汚染に対する鈍感さ以外に更に、できるだけ良好なセンサ要素に対する環流を保証する流量センサを提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する流量センサによって解決される。

本発明による流量センサの有利な実施形態は、請求項１の従属請求項に記載された措置から得られる。

マスフローを直接測定するための本発明による流量センサは、高剛性の導電性のサポート部分と、センサ要素と、安定なカプセル化部とを有し、センサ要素が、導電結合部を介してサポート部分と接続され、センサ要素が、プレート状のサポートサブストレートを有し、このサポートサブストレート上に、少なくとも１つの温度センサと加熱要素が配設され、カプセル化部が、センサ要素とサポート部分を部分的に係合式に包囲し、センサ要素の上面及び下面上の領域が、カプセル化部によって覆われず、測定すべき流れが妨害されることなくこれら領域を環流し得る。

センサ要素が、流量センサの長手方向軸に沿って延在し、この長手方向軸に対して垂直な、少なくともセンサ要素に隣接する一方の側のカプセル化部の領域が、測定すべき流れのための前縁として形成されている場合が有利である。

センサ要素に隣接する両側のそれぞれ１つのカプセル化部の領域が、測定すべき流れのための前縁として形成され、これら両領域が、流量センサの対称軸に対して鏡面対称に形成されている構成も可能である。

この場合、前縁は、湾曲した横断面を備え得るので、測定すべき流れに、流量センサがエッジの作用を加えない。

可能な実施形態では、カプセル化部によって覆われてない、センサ要素の上面及び下面上の領域が、それぞれ矩形に形成され、この領域の長手方向軸が、流量センサの長手方向軸に沿って延在する。

カプセル化部によって覆われてない、センサ要素の上面及び／又は下面上の領域内に、加熱要素が配設されていることも可能である。

カプセル化部が、センサ要素とサポート部分間の導電結合部を包囲する場合が有利である。

特に、導電結合部は、ボンディングワイヤによるボンディング結合部として形成されている。

カプセル化部が、流量センサを後置の関連電子機器と電気接続可能にする、サポート部分の接続領域を覆わない構成も可能である。

可能なバリエーションでは、流量センサの長手方向終端に、保持要素への流量センサの取外し可能な配設のために使用される固定要素が配設されている。

固定要素として、カプセル化部内に形成されたスナップインフックが使用される。

カプセル化部が、充填式のエポキシ材料から形成されている場合が有利である。

特に、センサ要素のサポートサブストレートは、低熱伝導率の材料から成る。

サポートサブストレートのための材料として、ガラス又はＺｒＯ_２又はＬＴＣＣが使用される。

使用されるセンサ要素の両側を測定すべき流れが環流することが、本発明による流量センサにおいて特に有利であるとわかった。前縁の適切な形成により、流動方向もしくは流動角度の影響を最小化し得るように、センサ要素に向かう流れの案内を最適化することが可能である。

更に、センサ要素の少なくとも部分的なカプセル化部を設けることに基づいて、流量センサの高い機械的安定性が保証され、組立て中もしくは使用中のセンサ要素の薄いサポートサブストレートに対する破損の危険は、明らかに最小化される。

同様に、流量センサの本発明による形成を介して、測定すべき流れが衝突し、汚れの堆積物が固着し得るエッジが回避される。従って、これに依存するご測定は、回避し得る。

本発明の更なる詳細及び利点を、図と関係した本発明による流量センサの実施例の以下の記載により説明する。

概略的に図示した流の中に配設された、本発明による流量センサの実施例の立体図 本発明による流量センサの実施例の平面図 本発明による流量センサの実施例の断面図 本発明による流量センサの立体的な断面図 本発明による流量センサの立体的な断面図 本発明による流量センサの立体的な断面図 本発明による流量センサの分解図

図１〜５により、本発明による流量センサの実施例を以下で詳細に説明する。

本発明による流量センサは、導電性の材料から成る高剛性のサポート部分１を有する。例えば４２アロイ、又は、電子部品装置におけるいわゆるリードフレームのために使用されるような他の材料が、これに適している。その具体的なジオメトリが図５の分解図から明らかなサポート部分１は、流量センサの機械的な安定化のためにも、図には図示してない関連電子機器との流量センサのセンサ要素の電気接続のためにも使用される。

マスフローを測定するためのセンサ要素は、図に符号２で指示され、複数の構成要素を有する。これに、流量センサの長手方向に延在するプレート状のサポートサブストレート２．１が付属し、このサポートサブストレートのための適切な材料は、例えばガラス、二酸化ジルコニウムＺｒＯ_２又は低温同時焼成セラミックスＬＴＣＣである。図２の図によれば、サポートサブストレート２．１は、縦長の矩形の形態を備え、その長手方向軸は、流量センサの長手方向軸と一致する。サポートサブストレート２．１上に、温度センサ５と加熱要素４が配置されている。この場合、温度センサ５及び加熱要素４は、サポートサブストレート２．１上に配設された導体トラックによって構成される。加熱要素４と温度センサ５は、それぞれコンタクト領域９もしくはコンタクトパッドと接続されている。コンタクト領域９を介して、加熱要素４もしくは温度センサ５の導電接続部８は、サポート部分１のフィンガ状に形成された接続領域１．１〜１．４によって形成される。センサ要素２のコンタクト領域９とサポート部分１間の導電接続部８は、この実施例ではボンディングワイヤによるボンディング結合部として形成されている。サポート部分１のフィンガ状の接続領域１．１〜１．４を介して、流量センサは、最終的に図には示してない関連電子機器と接続され得る。

センサ要素２もしくはそのサポートサブストレート２．１は、図示した実施例では、サポート部分１上に接着され、このために使用される接着剤６は、図２に図示されている。

本来のマスフロー測定は、本発明による流量センサでは、センサ要素２が測定すべき流れ内に直接導入され、全面的に環流されるホットフィルムセンサ原理を介して行なわれる。この場合、センサ要素２の温度センサ５を介して、そのマスフローを測定すべきガスの温度が検出される。その場合、加熱要素４は、流れるガスの測定された温度以上の温度に加熱される。このために必要な加熱出力は、ガスのマスフローのための尺度である。

更に、本発明による流量センサは、センサ要素２とサポート部分１を部分的に係合式に包囲するカプセル化部３を備える。この場合、カプセル化部３は、いわゆる成形コンパウンドとして形成され、トランスファー成形法で、製造プロセスにおいて流量センサの他の構成要素と結合される。カプセル化部３のための材料として、ほぼ、充填式のエポキシ樹脂が考慮されるが、充填物質として、例えば水晶又はガラスが適する。この場合、センサ要素２に対して決定的であるのは、センサ要素２の上面及び下面の領域が、カプセル化部３によって覆われず、このやり方で、図１に図示したように、測定すべき流れＳが妨害されることなくこれら領域を環流し得ることである。カプセル化部３によって覆われてない、センサ要素２の上面及び下面の領域は、示した例では、それぞれ矩形に形成され、この領域の長手方向軸は、流量センサの長手方向軸に沿って延在する。これについては、センサ要素２の上面及び下面が露出するように形成され、そこにカプセル化部３が設けられていないことが明らかな図３の断面図も参照されたい。カプセル化部によって覆われてない、センサ要素２の上面及び下面の領域に、この実施例では加熱要素４が配設されているが、図からわかるように、終端側に配置された温度センサ５は、カプセル化部３の成形コンパウンドによって覆われている。後者は、本発明にとって強制的でなく、即ち、温度センサは、カプセル化部によって覆われることなく配設され、従って、同様に流れ内に露出していてもよい。

カプセル化部３のこのような形成に基づいて、センサ要素２の上面及び下面が、測定すべき流れＳによって、図１に示したように対称に環流され、これにより、マスフローの良好な測定が可能となることが保証されている。本発明による流量センサによるマスフロー測定は、図に示してない付加的なシリンダ状の物体が、流れＳ内で流量センサの前に配設されることによって、更に最適化し得る。更に、このような物体の位置決めのため、及び、流れの案内の更なる最適化のため、センサ要素２の周囲に、装着可能なフローヘッドの形態の適切に形成されたフローハウジングを配設することも、有利となり得る。

センサ要素２の長手方向に延在する軸に対して垂直に、カプセル化部３は、係合式にセンサ要素２の両側に接続する。センサ要素２の横に隣接するカプセル化部３の領域は、測定すべき流れＳのための前縁として形成されている。この場合、図示した実施例では、対称軸に対して鏡面対称に形成された前縁が、センサ要素２の隣接する両側に設けられている。センサ要素２のこの領域には、図３の断面図に示したような、流量センサのダンベル状の横断面が生じる。従って、前縁の領域内のカプセル化部３の適切な幾何学的な形成を介して、センサ要素２の領域内の最適化された流れの案内が保証し得、この最適化された流れの案内は、マスフロー測定時の流動方向及び流動角度の影響を明らかに最小化する。

基本的には、流体技術的な観点から、センサ要素に隣接する一方の側だけでカプセル化部を前縁として形成することも可能である。しかしながらまた、この領域内の流量センサのほぼ対象な形成が、特に有利であることがわかった。それは、これにより、異なった材料の膨張率に基づいて生じ得る、場合によっては生じる機械的な張力が、最小化可能であるからである。

このようにカプセル化部３を介して形成された、測定すべき流れＳのための前縁は、それぞれ、この例ではほぼ楕円形に形成された、湾曲した横断面を備える。形状は、プロフィルにおけるほぼ対称に形成されたサポート面に相当する。このようにして、一方で、測定すべき流れＳに流量センサのエッジが作用を加えないことが保証されている。このやり方で、センサ要素２の領域内の障害となる汚れの堆積と、これにより生じ得る誤測定が、確実に回避し得る。他方で、前縁のこのような造形により、測定すべき流れＳがセンサ要素２を均等に通り過ぎることが、即ち、これにより、センサ要素２が場合によっては障害物の陰になることを回避することが、保証される。

前縁の領域内のカプセル化部３の流体技術的な機能性以外に、カプセル化部３は、本発明による流量センサのための別の重要な機能を備えている。即ち、カプセル化部３は、センサ要素２、センサ要素２のコンタクト領域９、電気接続部８及びサポート部分１のための機械的及び化学的保護部材として役立つ。

加えて、カプセル化部３は、流量センサのほぼ中心に、若干円錐形の造形を有する位置決め部分１０を備えている。このやり方で、本発明による流量センサの管理された再現可能な組立てが、幾何学的に相応に形成された相手部材が存在するそれぞれの適用において可能である。このようにして、組立て時に生じ得る位置決めエラーが回避し得る。更に、位置決め部分１０の横に設けられた斜面は、相手部材を適切に形成した場合、シール面として使用し得る。

更に、流量センサの長手方向終端に、固定要素７が設けられており、この固定要素は、図には図示してない適当な保持要素への流量センサの取り外し可能な配設のために使用される。この実施例では、固定要素７は、各セル化部３に形成されたスナップインフックとして形成されている。従って、流量センサは、例えば適当なソケットに差し込み、固定し得る。

ほぼ図４ｂ及び５からわかるように、カプセル化部３は、サポート部分１のフィンガ状の接続領域１．１〜１．４の領域で、この接続領域１．１〜１．４の上だけに設けられている。即ち、サポート部分１の接続領域１．１〜１．４が下に向かって露出し、関連電子機器との本発明による流量センサの電気接続のために利用し得る。相応のコンタクトは、例えば、リフロー方式のはんだ付けプロセスを介してコンタクト領域１．１〜１．４にはんだ付けされるリボンケーブルを介して行ない得る。

本発明による流量センサのために異なった材料を選択する場合、基本的に、低い熱伝導もしくは熱伝導率λと低い熱容量ｃの材料を選択するように注意すべきである。この場合、使用される全ての材料の相応のパラメータは、適切に互いに調和させるべきである。更に、使用される材料がそのそれぞれの熱膨張率ＣＴＥに関して著しく異ならない場合が、有利であるとわかった。

可能なサポートサブストレート材料、ガラス、二酸化ジルコニウムと、サポート部分材料、４２アロイと、適当なカプセル化部材料（成形コンパウンド）のための相応のパラメータ値オーダーは、以下の表にまとめられている。

本発明による流量センサを製造するため、まず、センサ要素２がサポート部分１に接着される。次いで、適当なボンディングプロセスを介してボンディング結合が形成され、最後のステップで、トランスファー成形が行なわれる。

説明した例以外に、本発明の範囲内で、当然更に別の形成の可能性がある。

即ち、説明した例で設けられた、センサ要素２の唯一のサポートサブストレート２．１の代わりに、サポート要素を他部材から形成することも可能である。従って、例えば、縦長の第１のサポートサブストレート上に、加熱要素を配設し、その隣に配置された第２のサポートサブストレート上に温度センサを配設することも可能である。その場合、両サポートサブストレート間の領域に、再びカプセル化部もしくは成形コンパウンドが配設される等々である。

１ サポート部分
１．１ 接続領域
１．２ 接続領域
１．３ 接続領域
１．４ 接続領域
２ センサ要素
２．１ サポートサブストレート
３ カプセル化部
４ 加熱要素
５ 温度センサ
６ 接着剤
７ 固定要素
８ 導電接続部
９ コンタクト領域
１０ 位置決め部分

Claims (14)

1. 高剛性の導電性のサポート部分（１）と、センサ要素（２）と、安定なカプセル化部（３）とを有し、センサ要素（２）が、導電結合部（８）を介してサポート部分（１）と接続され、センサ要素（２）が、プレート状のサポートサブストレート（２．１）を有し、このサポートサブストレート上に、少なくとも１つの温度センサ（５）と加熱要素（４）が配設され、カプセル化部（３）が、センサ要素（２）とサポート部分（１）を部分的に係合式に包囲し、センサ要素（２）の上面及び下面上の領域が、カプセル化部（３）によって覆われず、測定すべき流れ（Ｓ）が妨害されることなくこれら領域を環流し得ることを特徴とする、マスフローを直接測定するための流量センサ。
2. センサ要素（２）が、流量センサの長手方向軸に沿って延在し、この長手方向軸に対して垂直な、少なくともセンサ要素（２）に隣接する一方の側のカプセル化部（３）の領域が、測定すべき流れ（Ｓ）のための前縁として形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. センサ要素（２）に隣接する両側のそれぞれ１つのカプセル化部（３）の領域が、測定すべき流れ（Ｓ）のための前縁として形成され、これら両領域が、流量センサの対称軸に対して鏡面対称に形成されていること、を特徴とする請求項２に記載の流量センサ。
4. 前縁が、湾曲した横断面を備え、これにより、測定すべき流れ（Ｓ）に、流量センサがエッジの作用を加えないこと、を特徴とする請求項２又は３に記載の流量センサ。
5. カプセル化部（３）によって覆われてない、センサ要素（２）の上面及び下面上の領域が、それぞれ矩形に形成され、この領域の長手方向軸が、流量センサの長手方向軸に沿って延在すること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量センサ。
6. カプセル化部（３）によって覆われてない、センサ要素（２）の上面及び／又は下面上の領域内に、加熱要素（４）が配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の流量センサ。
7. カプセル化部（３）が、センサ要素（２）とサポート部分（１）間の導電結合部（８）を包囲すること、を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の流量センサ。
8. 導電結合部（８）が、ボンディングワイヤによるボンディング結合部として形成されていること、を特徴とする請求項７に記載の流量センサ。
9. カプセル化部（３）が、流量センサを後置の関連電子機器と電気接続可能にする、サポート部分（１）の接続領域（１．１〜１．４）を覆わないこと、を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の流量センサ。
10. 流量センサの長手方向終端に、保持要素への流量センサの取外し可能な配設のために使用される固定要素（７）が配設されていること、を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の流量センサ。
11. 固定要素（７）として、カプセル化部（３）内に形成されたスナップインフックが使用されること、を特徴とする請求項１０に記載の流量センサ。
12. カプセル化部（３）が、充填式のエポキシ材料から形成されていること、を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の流量センサ。
13. センサ要素（２）のサポートサブストレート（２．１）が、低熱伝導率の材料から成ること、を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の流量センサ。
14. サポートサブストレート（２．１）のための材料として、ガラス又はＺｒＯ_２又はＬＴＣＣが使用されること、を特徴とする請求項１３に記載の流量センサ。

Images