JP2014174064A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、薄膜ダイヤフラムにおける熱絶縁性能を低下させることなく、またダイヤフラム上に付着した水滴内での沸騰によってダイヤフラムがダメージを受けるのを防ぐことができる熱式流量計を提供することにある。
【解決手段】
通電により発熱する発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の側方に配置され空気流量に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体４ａ，４ｂと、発熱抵抗体３と測温抵抗体４ａ，４ｂとが設けられた薄膜ダイヤフラム１０ａとを備えた測定素子１を有し、内燃機関に吸入される空気の流量を計測する熱式空気流量計において、薄膜ダイヤフラム１０ａの表面に、薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間に間隔ｌ_４９を設けて配置された、撥水性材料からなる凸状構造４９を有する。
【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、気体との間で熱伝達を行うことにより、気体の流量を計測する熱式流量計に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平８−２７１３０８号公報（特許文献１）や特開２０００−１６９７９５号公報（特許文献２）がある。

特許文献１には、流量センサのための、ダイヤフラムを備えた測定素子（流量検出部）が記載されている。ダイヤフラム上には、加熱器（発熱抵抗体）と温度センサ（測温抵抗体）とが配置されている（段落０００９参照）。

また、特許文献２には、感温領域を有するセンサ素子（流量検出部）に、撥水性または撥油性の付着防止表面コーティングを施す技術が記載されている。付着防止表面コーティングは、フルオロポリマー、フルオロオーモサー、フッ素含有性シラン、ポリマーのフルオロカーボン樹脂又は部分的にフッ素化されたポリマーで構成されている。この付着防止表面コーティングにより、汚水、石油、飛沫、シリコン油、煤、塩、炭化水素、ダスト粒子のセンサ素子への付着を防止する（段落００１１，００１２参照）。

特開平８−２７１３０８号公報 特開２０００−１６９７９５号公報

自動車の内燃機関に使用される熱式流量計（空気流量計）では、雨天走行時に車両の水はねによる水滴が空気と共にエアクリーナを通過して、薄膜で構成されるダイヤフラム上に接触することがある。水滴が薄膜ダイヤフラム上に停留すると、発熱器と温度センサが水滴で覆われるため、空気流量の精度良い測定ができない上、薄膜ダイヤフラムの発熱抵抗体上に水滴が付着した場合、水滴内での沸騰により薄膜ダイヤフラムがダメージを受けることがある。また結露により薄膜ダイヤフラムの発熱抵抗体上に水滴が付着した場合も、水滴内での沸騰により薄膜ダイヤフラムがダメージを受けることがある。

特許文献１では、測定素子（流量検出部）に付着する水滴に対して、配慮がなされていなかった。特に、ダイヤフラムの加熱器（発熱抵抗体）上に付着した水滴内での沸騰によりダイヤフラムがダメージを受けることについては、配慮されていない。また特許文献２では、センサ素子（流量検出部）に水滴等が付着するのを防止するため、センサ素子に撥水性または撥油性の付着防止表面コーティングを施している。しかし、特許文献２では、耐用年数と機能低下とに配慮しているものの、発熱抵抗体上に付着した水滴内での沸騰によってダイヤフラムがダメージを受けることについては配慮がない。また、特許文献２では、付着防止表面コーティングによる薄膜ダイヤフラムにおける熱絶縁性能の低下について十分な配慮がなされていない。薄膜ダイヤフラムは発熱抵抗体や測温抵抗体の熱絶縁を行うために設けられる。すなわち、発熱抵抗体で発生した熱が流量検出部を構成する基板を通じて外部に逃げる、或いは、外部の熱が基板を通じて測温抵抗体に伝導することを抑制する。付着防止表面コーティングは薄膜ダイヤフラムの熱伝導の性能に影響する。特許文献２では、水滴内での沸騰によって薄膜ダイヤフラムがダメージを受けることや、付着防止表面コーティングによる薄膜ダイヤフラムの熱絶縁性能の低下についての配慮が十分ではなかった。

本発明の目的は、薄膜ダイヤフラムにおける熱絶縁性能を低下させることなく、また薄膜ダイヤフラム上に付着した水滴内での沸騰によって薄膜ダイヤフラムがダメージを受けるのを防ぐことができる熱式流量計を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の熱式流量計は、通電により発熱する発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の側方に配置され空気流量に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体と、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが設けられた薄膜ダイヤフラムとを備えた測定素子を有し、内燃機関に吸入される空気の流量を計測する熱式空気流量計において、前記薄膜ダイヤフラムの表面に、前記薄膜ダイヤフラムの外周との間に間隔を設けて配置された、撥水性材料からなる凸状構造を有する。

本発明の熱式空気流量計によれば、薄膜ダイヤフラムの表面に撥水性材料からなる凸状構造を形成することで、薄膜ダイヤフラム上に形成された水滴を小さく分断することができ、膜沸騰での気泡崩壊時の衝撃力で薄膜ダイヤフラムがダメージを受けるのを防ぐことができる。また、凸状構造を薄膜ダイヤフラムの外周との間に間隔を設けて配置することで、薄膜ダイヤフラムにおける熱絶縁性能の低下を防止或いは抑制することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

内燃機関制御システムに本発明に係る熱式流量計を使用した一実施例を示すシステム図である。 本発明を適用した熱式流量計の概略構成を示す図である。 本発明を適用しない熱式流量計に設けられた測定素子の概略平面図である。 図３ＡのIIIB−IIIB断面図である。 副通路に配置された流路面の形態を断面で示す部分拡大図である。 水滴が膜沸騰状態になる３００℃以上の高温面上の水滴寸法と沸騰状態の関係を模式的に表した図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の具体例（実施例１）を説明する概略平面図である。 図６ＡのVIB−VIB断面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２）を説明する概略平面図である。 図７ＡのVIIB−VIIB断面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２の変形例）を説明する概略平面図である。 図８ＡのVIIIB−VIIIB断面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２の変形例）を説明する概略平面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例３）を説明する概略平面図である。 図９ＡのIXB−IXB断面図である。 本発明を適用しない熱式流量計の薄膜ダイヤフラムとそれと対向する計測用流路面を示した断面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成し、薄膜ダイヤフラムと対向する空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に撥水性を有する構造を形成した具体例（実施例４）を説明する断面図である。 熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成し、薄膜ダイヤフラムと対向する空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に撥水性を有する構造を形成した具体例（実施例４の変形例）を説明する断面図である。

以下の実施例で、同一の参照符号は、図番が異なっていても同一の構成を示しており、同じ作用効果を成す。既に説明済みの構成について、図に参照符号のみを付し、説明を省略する場合がある。

まず、以下で説明する各実施例に共通する構成について説明する。以下で説明する各実施例の熱式流量計は、空気を被計測気体とする熱式空気流量計である。

図１は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係る熱式流量計を使用した一実施例を示す、システム図である。エンジンシリンダ１１２とエンジンピストン１１４を備える内燃機関１１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体３０としてエアクリーナ１２２から吸入され、主通路１２４である例えば吸気ボディ、スロットルボディ１２６、吸気マニホールド１２８を介してエンジンシリンダ１１２の燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれる吸入空気３０の流量は熱式流量計３００で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１５２より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体３０と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁１５２は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である吸入空気３０と共に混合気を成形し、吸入弁１１６を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。

近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁１５２を取り付け、燃料噴射弁１５２から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。熱式流量計３００は、図１に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも熱式流量計３００の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図１に示す。

燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ１５４の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁１１８から排気管に導かれ、排気２４として排気管から車外に排出される。燃焼室に導かれる吸入空気３０の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ１３２により制御される。燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ１３２の開度を制御して燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギを制御することができる。

エアクリーナ１２２から取り込まれ主通路１２４を流れる吸入空気３０の流量および温度が、熱式流量計３００により計測され、熱式流量計３００から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置２００に入力される。また、スロットルバルブ１３２の開度を計測するスロットル角度センサ１４４の出力が制御装置２００に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン１１４や吸気弁１１６や排気弁１１８の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ１４６の出力が、制御装置２００に入力される。排気２４の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ１４８の出力が制御装置２００に入力される。

制御装置２００は、熱式流量計３００の出力である吸入空気の流量、回転角度センサ１４６の出力及び内燃機関の回転速度に基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁１５２から供給される燃料量、また点火プラグ１５４により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際には、さらに熱式流量計３００で計測される吸気温度、スロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態及び酸素センサ１４８で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置２００はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ１３２をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ１５６により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。

内燃機関の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも熱式流量計３００の出力を主パラメータとして演算される。従って熱式流量計３００の計測精度の向上や経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには熱式流量計３００により計測される吸入空気３０の流量の計測精度の向上が極めて重要である。また熱式流量計３００が高い信頼性を維持していることも大切である。

熱式流量計３００が搭載される車両は温度変化の大きい環境で使用され、また風雨や雪の中で使用される。雪道を車が走行する場合には、凍結防止剤が散布された道路を走行することとなる。熱式流量計３００は、その使用環境における温度変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。さらに熱式流量計３００は内燃機関の振動を受ける環境に設置される。振動に対しても高い信頼性の維持が求められる。

また熱式流量計３００は内燃機関の発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため内燃機関の発熱が主通路１２４である吸気管を介して、熱式流量計３００に伝わる。熱式流量計３００は、吸入空気３０と熱伝達を行うことにより吸入空気３０の流量を計測するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。

つぎに、本発明を適用していないダイヤフラムセンサを適用してなる熱式流量計３００について説明する。図３Ａ及び図３Ｂで説明する熱式流量計３００の構成は、熱式流量計の基本構成に関係しており、以下の各実施例で説明する熱式流量計に共通する構成である。

図３Ａは熱式流量計の測定素子１の概略平面図、図３Ｂは、図３Ａの薄膜ダイヤフラム１０ａの部分をIIIB−IIIB線に沿って切断した断面図である。

熱式流量計３００の測定素子１は、図３Ａに示すように、半導体基板２，発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５などで構成されている。矩形状のシリコン基板からなる半導体基板２の中央部下面には空洞部１０を有する薄膜ダイヤフラム１０ａが形成されており、薄膜ダイヤフラム１０ａ上に発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂが形成され、半導体基板２の薄膜ダイヤフラム１０ａの外側に空気温度測温抵抗体５が形成されている。

図３Ａにおいて、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５及び端子９は電気絶縁膜７の下層に設けられている。また、薄膜ダイヤフラム１０ａは空洞部１０によって境界が定まるものであり、電気絶縁膜６，７に構造的な境界が存在するわけではない。しかし、図３Ａでは、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５，端子９及び薄膜ダイヤフラム１０ａの何れも実線で記載している。すなわち、図３Ａでは、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５及び端子９の位置を測定素子１の表面に投影して示している。また、薄膜ダイヤフラム１０ａについては、空洞部１０によって定まる薄膜ダイヤフラム１０ａの境界を測定素子１の表面に投影して示している。以下で説明する図６Ａ，図７Ａ，図８Ａ，図９，図１０Ａも同様である。

上流側測温抵抗体４ａは、吸入空気３０の流れ方向において、発熱抵抗体３の上流側に配置され、下流側測温抵抗体４ｂは発熱抵抗体３の下流側に配置される。すなわち、発熱抵抗体３の両側方に測温抵抗体４ａ，４ｂが配置されている。

熱式流量計では、一方向に流れる吸入空気３０（順流）の流量を計測するように構成されたものと、順流の他に逆方向に流れる気流（逆流）の流量も検出できるように構成されたものとがある。本明細書では、「上流」及び「下流」は順流を対象にして説明している。ただし、以下で説明する各実施例は、順流のみを計測する熱式流量計に限定されるものではない。

半導体基板２の薄膜ダイヤフラム１０ａの外側には、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５を外部の回路と電気的に接続するための端子９が形成されている。発熱抵抗体３，測温抵抗体４，空気温度測温抵抗体５は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示している。マイクロヒータとして機能する発熱抵抗体３と測温抵抗体４ａ，４ｂと空気温度測温抵抗体５とは同様の膜構造を採用しても、個別の膜構成を採用してもよい。図３Ｂで、発熱抵抗体３や測温抵抗体４ａ，４ｂは、下部薄膜である電気絶縁膜６，および上部薄膜である電気絶縁膜７により挟まれている。

図２を用いて、熱式流量計の構成を説明する。図２は、本発明を適用した熱式流量計の概略構成を示す図である。

上記構成の熱式流量計３００は、図２に示すように、測定素子１（図示なし）を支持する支持体２１、そして電子回路３１などを備えている。測定素子１は、吸気の主通路１２４内部にある副通路２３内に配置され、電子回路３１は、副通路２３が形成された熱式空気流量計３００のハウジング３２内に設けられている。発熱抵抗体３及び測温抵抗体４ａ，４ｂは、電源管理回路２５，発熱抵抗体加熱制御回路（以下制御回路と記す）２６，出力調整回路２７等からなる電子回路３１と電気的に接続されている。発熱抵抗体３の加熱温度は、制御回路２６により測温抵抗体４ａ，４ｂが検出する吸気温度とほぼ一定温度差になるよう通電を制御されている。従って、発熱抵抗体３から吸入空気３０への放熱量により、吸入空気流量を検出できる。また、上流側の測温抵抗体の温度が低くなる特性を利用して、空気流の方向が検知できる。このように、本実施例の熱式流量計３００は、発熱抵抗式空気流量測定装置である。この発熱抵抗式空気流量測定装置３００の流量検出方式は、加熱ヒータとそれにより加熱された温度検出抵抗により検出するものなど他の方式もある。本発明はどの方式でも同様に実施できるため個々の方式での説明は割愛する。この発熱抵抗式空気流量測定装置には、電源と接続する電源端子２８ａ，流量信号を出力する流量出力端子２９ｂ，吸気温度信号を出力する温度出力端子２９ｃ及びグランド端子２９を有し、外部機器と電気的に接続されている。

熱式流量計１近傍の被計測気体３０の流れについて図４を用いて説明する。図４は、副通路に配置された流路面の形態を断面で示す部分拡大図である。

被計測気体３０は、図４の左側から導かれ、被計測気体３０の一部は、熱式流量計３００の計測用流路面４３０の表面と表カバー３０３に設けられた突起部３５６で作られる流路３８６の方を流れ、他の被計測気体３０は計測用流路面裏面４３１と裏カバー３０４で作られる流路３８７の方を流れる。その後、流路３８７を流れた被計測気体３０は、流路３８６を流れている被計測気体３０と合流し、主通路１２４に排出される。

流路３８６では、表カバー３０３に設けられ突起部３５６が計測用流路面４３０の方に徐々に突出することにより、絞りが成形される構造を成している。流路３８６の絞り部の一方側に計測用流路面４３０が配置され、計測用流路面４３０には流量検出部（測定素子）１が被計測気体３０との間で熱伝達を行うための熱伝達面露出部が設けられている。流量検出部１の計測が高精度で行われるためには、熱伝達面露出部の部分で被計測気体３０が渦の少ない層流であることが望ましい。また流速の速い方が計測精度は向上する。このために計測用流路面４３０に対向して表カバー３０３に設けられた突起部３５６が計測用流路面４３０に向かって滑らかに突出することにより絞りが形成される。この絞りは、被計測気体３０の渦を減少させて層流に近づけている作用をする。さらに絞り部分では流速が速くなり、この絞り部分に流量を計測するための熱伝達面露出部が配置されているので、流量の計測精度が向上している。

計測用流路面４３０に設けた熱伝達面露出部に対向するようにして突起部３５６を副通路溝内に突出させることで絞りを成形して、計測精度を向上することができる。

熱式流量計３００が搭載される車両は、上述のように温度変化の大きい環境で使用され、また風雨や雪の中で使用される。雪道を車が走行する場合には、凍結防止剤が散布された道路を走行することとなる。したがって熱式流量計３００は、その使用環境における温度変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮する必要がある。ここでは、熱式流量計の発熱抵抗体を構成したダイヤフラム上に水滴が付着した場合について検討した。

ダイヤフラムへの水滴の付着としては、風雨時にエアクリーナを空気と共に通過した水滴やエンジン停止時の結露による水滴の付着が想定される。

熱式空気流量測定装置３００の発熱抵抗体３は、流量計測中、すなわちエンジン駆動中は加熱制御されている。発熱抵抗体３の加熱温度と吸気温度は一定温度差であるため、吸気温度（外気温度）が低い場合（例えば寒冷地）は発熱抵抗体３の表面温度は相対的に低くなる。熱式流量計３００は、発熱抵抗体３の加熱温度を機種により異なるものの、通常、制御回路２６により測温抵抗体４が検出する吸気温度より２００℃高くなるように制御される。吸気温度は−４０〜１２０℃を対象としていることから、従来製品の発熱抵抗体の表面温度は１６０〜３２０℃に設定されていることになる。

ヒータ表面温度が高くなるに従い、ダイヤフラムに付着した水滴は、対流、核沸騰で蒸発消滅し、３００℃以上で膜沸騰により蒸発消滅する。対流状態では、沸騰が発生せずに、水滴が蒸発消滅する。核沸騰状態では、伝熱面上のくぼみ、突起などで沸騰する。膜沸騰状態では、伝熱面全面が蒸気で覆われ、水滴から気泡が飛散する。この膜沸騰状態では、水滴のサイズに依存して気泡の生成挙動が異なることが明らかになった。

水滴が膜沸騰状態になる３００℃以上の高温面上の水滴寸法と沸騰状態の関係を図５により説明する。図５は、水滴が膜沸騰状態になる３００℃以上の高温面上の水滴寸法と沸騰状態の関係を模式的に表した図である。

発熱抵抗体４の寸法に比べて水滴４０の寸法が小さい（ａ）の場合、水滴全面で膜沸騰が発生して、水滴中の気泡４１は水滴外部に飛び出す。発熱抵抗体３の寸法に比べて水滴４０の寸法が同等な（ｂ）の場合、発熱抵抗体３の直上で発生した気泡４１は水滴外部に飛び出す。一方発熱抵抗体３の寸法に比べて水滴の寸法が大きい（例えば２倍以上）（ｃ）の場合、発熱抵抗体４直上で発生した気泡４２は、水膜の外部に飛び出さない。この場合、気泡４３は膨張し気泡内の内圧は大気圧を大きく下回る負圧状態となる。外気と気泡の内圧との圧力差により気泡は収縮し、消滅する。消滅時には１０ＭＰａ程度の衝撃力４３が発生する。発熱抵抗体３が形成されているダイヤフラムの強度が弱い場合、衝撃力４３により薄膜ダイヤフラム１０ａが破壊する可能性のあることが明らかになった。しかし、薄膜ダイヤフラム１０ａの強度を高めるために薄膜ダイヤフラム１０ａを厚くすると、発熱抵抗体３の発熱が薄膜ダイヤフラム１０ａを伝って逃げ易くなり、消費電力が大きくなる。或いは、測温抵抗体４が基板を介して伝わってくる内燃機関の熱の影響を受けやすくなり、流量の計測精度が低下する。このため、薄膜ダイヤフラム１０ａは薄く、熱が伝わりにくい（熱絶縁性能の高い）構造であることが望ましい。

したがって発熱抵抗体３の寸法に比べて水滴の寸法を小さくすれば、膜沸騰で発生した気泡４１を水滴の外に排出することができるため、気泡消滅時に発生する衝撃力４３をなくすことができる。また水滴４０と発熱抵抗体３を偏心させた場合（ｄ）、膜沸騰で発生した気泡が水膜表面に近い斜めに水滴の外に排出することができるため、気泡消滅時に発生する衝撃力を低減することができる。

図６Ａ及び図６Ｂを用いて、本発明に係る測定素子１の第一の実施例を説明する。図６Ａは、熱式流量計の薄膜ダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の具体例（実施例１）を説明する概略平面図である。図６Ｂは、図６ＡのVIB−VIB断面図である。

図３Ａで説明したように、図６Ａでは、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５及び端子９の位置を、測定素子１の表面に投影して示している。従って、図６Ａ上で発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５及び端子９の位置を説明する場合、厳密に言えば、発熱抵抗体投影領域３，上流側測温抵抗体投影領域４ａ，下流側測温抵抗体投影領域４ｂ，空気温度測温抵抗体投影領域５，端子投影領域９のように、「投影領域」を付ける方が正確である。しかし、特に必要がある場合を除いて、「投影領域」を付けずに記載する。図７Ａ，図８Ａ，図９，図１０Ａも同様である。

発熱抵抗体３を形成した薄膜ダイヤフラム１０ａ上に形成された水滴の付着の分断する構造として、耐熱性でかつ撥水性の凸型矩形構造４９を発熱抵抗体の周囲に形成する。

凸型矩形構造４９は、発熱抵抗体３の周囲に沿って、線状（直線状）に形成されている。凸型矩形構造４９を形成することで、発熱抵抗体３に付着する水滴の大きさを制限することができるため、水滴が膜沸騰で沸騰しても、気泡消滅時に薄膜ダイヤフラム１０ａに発生する衝撃力を回避することができる。

また、凸型矩形構造４９は、薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間に間隔ｌ_４９を設けて、配置されている。測定素子１の全面を耐熱性と撥水性とを兼ね備えた材料の膜で覆うと、この膜を介して熱が伝わり易くなる。即ち、薄膜ダイヤフラム１０ａの熱絶縁性能が低下する。凸型矩形構造４９と薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間に間隔ｌ_４９を設けて、凸型矩形構造４９を薄膜ダイヤフラム１０ａの外側の基板部分から切り離すことにより、薄膜ダイヤフラム１０ａの熱絶縁性能の低下を抑えることができる。

以下、凸型矩形構造４９を、単に凸型構造、凸部構造、凸状構造などと呼ぶ。

凸型構造４９の材質としては、例えばポリイミドが挙げられる。本実施例では、薄膜ダイヤフラム１０ａ上に付着した水滴は膜沸騰で沸騰する条件、すなわち発熱抵抗体３が３００℃以上に加熱された場合を想定している。このため、発熱抵抗体３近傍に配置した凸型構造（突形状部、或いは突起部）を長期にわたり安定して機能を保たせるためには、耐熱性に優れていることが必要となる。本明細書において、耐熱性を有するとは、発熱抵抗体３の発熱による熱に晒されても劣化しない、或いは製品としての信頼性が確保される範囲内の劣化に留まる性能を有することを意味する。

尚、凸型構造４９として耐熱性に優れた材料を使用しても、長期間高温に曝されることで劣化することが懸念される。そこで、発熱抵抗体３の直上を避けて、発熱抵抗体３を薄膜ダイヤフラム１０ａの表面に垂直に投影した発熱抵抗体投影領域３ｐの外側に、凸状構造４９を配置している。すなわち、発熱抵抗体３の直上の領域３ｐを凸型構造４９の非形成領域とし、凸型構造４９を発熱抵抗体３（発熱抵抗体投影領域３ｐ）にできるだけ近付けて配置する。このために、被計測気体３０の流れ方向において発熱抵抗体３の両側に配置される凸型構造４９は、測温抵抗体４ａ，４ｂを薄膜ダイヤフラム１０ａの表面に垂直に投影した測温抵抗体投影領域４ａｐ，４ｂｐから発熱抵抗体投影領域３ｐの側の範囲に、配置される。より好ましくは、凸型構造４９を、測温抵抗体投影領域４ａｐ，４ｂｐにおける発熱抵抗体投影領域３ｐの側の端部と発熱抵抗体投影領域３ｐにおける測温抵抗体投影領域４ａｐ，４ｂｐの側の端部との間に、配置する。

図７Ａ，図７Ｂ，図８Ａ，図８Ｂ及び図９を用いて、本発明に係る第２の実施例を説明する。図７Ａは、熱式流量計の薄膜ダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２）を説明する概略平面図である。図７Ｂは、図７ＡのVIIB−VIIB断面図である。図８Ａは、熱式流量計の薄膜ダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２の変形例）を説明する概略平面図である。図８Ｂは、図８ＡのVIIIB−VIIIB断面図である。図９は、熱式流量計の薄膜ダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例２の変形例）を説明する概略平面図である。

耐熱性でかつ撥水性の凸部構造５０を発熱抵抗体３の周囲に形成するにあたり、島状に形成した複数個の凸部構造５０を線状（直線状）に点在させて形成している。このとき、薄膜ダイヤフラム１０ａの熱絶縁性能の低下を防ぐため、凸部構造５０と薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間にｌ_５０の間隔を設けている。また、凸型構造５０を複数の突形状部或いは突起部に分割して構成したことにより、発熱抵抗体３と測温抵抗体４との間の熱絶縁性能の低下を軽減できる。

さらに図８のように、薄膜ダイヤフラム１０ａ上の発熱抵抗体３領域以外の領域全面に凸型構造５０を形成してもよい。すなわち、図８の構成では、凸型構造５０が面上に分散して配置されることにより、熱絶縁性能を低下させることなく薄膜ダイヤフラム１０ａの撥水性を向上させ、水滴の付着を低減できる。薄膜ダイヤフラム１０ａの熱絶縁性能の低下を防ぐため、最も発熱抵抗体３に近付けて配置された第１列目の凸部構造５０と薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間にはｌ_５０ａの間隔が設けられている。第２列目の凸部構造５０と外周１０ａｃとの間にはｌ_５０ｂの間隔が設けられている。第３列目の凸部構造５０と外周１０ａｃとの間にはｌ_５０ｃの間隔が設けられている。

また、図９のように、薄膜ダイヤフラム１０ａ上の発熱抵抗体領域の外側に耐熱性の撥水性材料からなる凸型構造５０を空気の流れ方向に平行な線状を成すように形成すれば、空気の流れの整流作用も期待できる。このとき、凸型構造５０は、薄膜ダイヤフラム１０ａの表面に沿って、空気の流れ方向に垂直な方向に、複数設けられている。

本実施例においても、凸型構造５０と発熱抵抗体３との位置関係を実施例１と同様にすることが望ましい。

図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて、本発明に係る第３の実施例を説明する。図１０Ａは、熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成した構造の他の具体例（実施例３）を説明する概略平面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのXB−XB断面図である。

本実施例では、薄膜ダイヤフラム１０ａ上の発熱抵抗体３の形成領域（発熱抵抗体投影領域）の外側に耐熱性の撥水性材料からなる複数個の凸部構造５０を図８の実施例と同様に点在させて形成し、さらにその凸部構造５０の非形成領域を発熱抵抗体領域に対して偏心させている。図５（ｄ）に示したように、水滴と発熱抵抗体を偏心させると、膜沸騰で発生した気泡が水膜表面に近い斜めに水滴の外に排出することができるため、気泡消滅時に発生する衝撃力を低減できる。

凸型構造５０の配置を更に具体的に説明する。

発熱抵抗体３の左側では、発熱抵抗体３に最も近付けて配置された第１列目の凸型構造５０は、測温抵抗体投影領域４ａｐにおける発熱抵抗体投影領域３ｐの側の端部と発熱抵抗体投影領域３ｐにおける測温抵抗体投影領域４ａｐの側の端部との間に、配置されている。これに対して発熱抵抗体３の右側では、発熱抵抗体３に最も近付けて配置された第１列目の凸型構造５０は、測温抵抗体投影領域４ｂｐを越えてさらに外方に設けられている。

発熱抵抗体投影領域３ｐと発熱抵抗体投影領域３ｐの一方の側方（左側）に配置される凸状構造５０との間隔に対して、発熱抵抗体投影領域３ｐと発熱抵抗体投影領域３ｐの他方の側方（右側）に配置される凸状構造５０との間隔の方が大きい構成になっている。この構成を満たしていれば、発熱抵抗体３の左側の第１列目の凸型構造５０が測温抵抗体投影領域４ａｐに存在し、発熱抵抗体３の右側の第１列目の凸型構造５０が測温抵抗体投影領域４ｂｐに存在する構成であってもよい。ただし、測温抵抗体４ａ，４ｂが発熱抵抗体３から離れて形成される場合には、発熱抵抗体３との間隔を小さくする側の測温抵抗体を、測温抵抗体投影領域における発熱抵抗体投影領域３ｐの側の端部と発熱抵抗体投影領域３ｐにおける測温抵抗体投影領域の側の端部との間に配置することが望ましい。このような配置は、実施例１及び実施例２の凸型構造４９，５０で実施してもよい。

本実施例では、発熱抵抗体３の左側においては、実施例２で説明した図８と同様に、凸型構造５０と薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間に、間隔ｌ_５０ａ，ｌ_５０ｂ，ｌ_５０ｃが設けられている。発熱抵抗体３の右側においては、発熱抵抗体３に最も近付けて配置された第１列目の凸型構造５０と薄膜ダイヤフラム１０ａの外周１０ａｃとの間にｌ_５０ｄの間隔が設けられ、薄膜ダイヤフラム１０ａの熱絶縁性能の低下を防いでいる。

図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて、本発明に係る第４の実施例について、説明する。本実施例の効果を説明するため、図１０を参照する。図１０は、本発明を適用しない熱式流量計の薄膜ダイヤフラムとそれと対向する計測用流路面を示した断面図である。図１１Ａは、熱式流量計のダイヤフラム上の発熱抵抗体の周辺に凸型形状を形成し、薄膜ダイヤフラムと対向する空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に撥水性を有する構造を形成した具体例（実施例４）を説明する断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの変形例を示す断面図である。

膜沸騰による突沸現象は、水滴が停留（静止）している環境で発生するため、風雨時にエアクリーナを空気と共に通過した水滴のように、流動している水滴では発生しないと考えられる。ただし図１０に示したように、熱式流量計３００のダイヤフラムと計測用流路面の絞り３５６に水滴が停留した場合、発熱抵抗体４の熱が水を介して放熱されて流量測定誤差が生じる場合がある。

本実施例では、図１１Ａに示すように、空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に空気の流れ方向と垂直な溝構造５１を設ける。または図１１Ｂに示すように、空気の流れ方向と平行な溝構造５２を設ける。副通路の材料はポリブチレンテレフタラート（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔ）などの射出成形体であり、表面に凹凸の溝構造５１，５２を付与することは容易である。凹凸を形成することにより、表面を撥水性にできる。このため熱式流量計３００のダイヤフラムと計測用流路面の絞り３５６に水滴が停留せず、発熱抵抗体３の熱が水を介して放熱されて流量測定誤差が生じることはない。さらら絞りによる被計測気体３０の渦を減少させて層流に近づけている作用に加え、空気の流れ方向と平行に溝構造による整流する効果もあり、流量計測の精度向上が見込まれる。

上述の各実施例における凸型構造４９，５０の配置について、整理する。凸型構造４９，５０と測温抵抗体４ａ，４ｂとは異なる層に形成されている。凸型構造４９，５０は発熱抵抗体３に近付けて配置することが望ましい。このため、発熱抵抗体３と測温抵抗体４ａ，４ｂとが接近して配置される場合には、凸型構造４９，５０は測温抵抗体投影領域４ａ，４ｂに配置する。発熱抵抗体３と測温抵抗体４ａ，４ｂとの間にある程度の間隔が確保されている場合には、凸型構造４９，５０は測温抵抗体投影領域４ａｐ，４ｂｐにおける発熱抵抗体投影領域３ｐの側の端部と発熱抵抗体投影領域３ｐにおける測温抵抗体投影領域４ａｐ，４ｂｐの側の端部との間に配置する。

尚、図５の（ｄ）に示すような現象により、ダイヤフラム１０ａに発生する衝撃力を回避することができるので、発熱抵抗体３（発熱抵抗体投影領域３ｐ）に対して被計測気体３０の流れ方向の少なくとも一方側で、凸型構造４９，５０を発熱抵抗体３（発熱抵抗体投影領域３ｐ）に近付けて配置すればよい。水滴の大きさを確実に小さくする必要がある場合には、発熱抵抗体３（発熱抵抗体投影領域３ｐ）の両側方で、上述したように凸型構造４９，５０を発熱抵抗体３（発熱抵抗体投影領域３ｐ）に近付けて配置する。

撥水性を有する材料からなる膜に凹凸を設けると撥水性が高まり、親水性を有する材料からなる膜に凹凸を設けると親水性が高まる。上述の各実施例によれば、撥水性を有する材料で凸型構造を形成することにより、撥水性をさらに高め、水滴を分断しやすい構造にすることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…熱式流量計の測定素子１
２…半導体基板
３…発熱抵抗体
４ａ…上流側測温抵抗体
４ｂ…下流側測温抵抗体
５…測温抵抗体
２１…支持体
２３…副通路
３０…被計測気体（吸入空気）
３１…電子回路
３２…ハウジング
４０…水滴
４１…水膜の外部に飛び出す気泡
４２…水膜の外部に飛び出さない気泡
４３…気泡が消滅時に発生する衝撃力４３
４９…凸型構造
５０…凸型構造
５１…空気の流れ方向に垂直な凹凸の溝構造
５２…空気の流れ方向に平行な凹凸の溝構造
３００…熱式流量計
３５６…絞り

Claims (10)

1. 通電により発熱する発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の側方に配置され空気流量に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体と、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが設けられた薄膜ダイヤフラムとを備えた測定素子を有し、内燃機関に吸入される空気の流量を計測する熱式空気流量計において、
   前記薄膜ダイヤフラムの表面に、前記薄膜ダイヤフラムの外周との間に間隔を設けて配置された、撥水性材料からなる凸状構造を有することを特徴とする熱式空気流量計。
2. 請求項１に記載の熱式空気流量計において、
   前記凸状構造は、前記発熱抵抗体を前記薄膜ダイヤフラムの表面に垂直に投影した発熱抵抗体投影領域の外側に、配置されていることを特徴とする熱式空気流量計。
3. 請求項２に記載の熱式空気流量計において、
   前記測温抵抗体と前記凸状構造とは、空気の流れ方向において、前記発熱抵抗体投影領域の両側方に設けられ、
   前記凸状構造は、前記発熱抵抗体投影領域の少なくとも一方の側方において、前記測温抵抗体を前記薄膜ダイヤフラムの表面に垂直に投影した測温抵抗体投影領域から前記発熱抵抗体投影領域の側に、配置されていることを特徴とする熱式空気流量計。
4. 請求項３に記載の熱式空気流量計において、
   前記凸状構造は、前記一方の側方において、前記測温抵抗体投影領域における前記発熱抵抗体投影領域の側の端部と前記発熱抵抗体投影領域における前記測温抵抗体投影領域の側の端部との間に、配置されていることを特徴とする熱式空気流量計。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱式空気流量計において、
   前記発熱抵抗体が３００℃以上に加熱され、前記凸状構造が耐熱性を有する材料で構成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
6. 請求項３に記載の熱式空気流量計において、
   前記凸状構造を複数個の点在する突起部で構成したことを特徴とする熱式空気流量計。
7. 請求項３に記載の熱式空気流量計において、
   前記発熱抵抗体投影領域と前記発熱抵抗体投影領域の前記一方の側方に配置される凸状構造との間隔に対して、前記発熱抵抗体投影領域と前記発熱抵抗体投影領域の他方の側方に配置される前記凸状構造との間隔の方が大きいことを特徴とする熱式空気流量計。
8. 請求項１に記載の熱式空気流量計において、
   空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に空気の流れ方向と平行に溝構造を付与したことを特徴とする熱式空気流量計。
9. 請求項１に記載の熱式空気流量計において、
   空気流量を測定するための副通路内の計測用流路面に空気の流れ方向と垂直に溝構造を付与したことを特徴とする熱式空気流量計。
10. 請求項１に記載の熱式空気流量計において、
    前記凸状構造を空気の流れ方向と平行に形成したことを特徴とする熱式空気流量計。

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