JP2015017903A - 熱式流量計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱式流量計は、薄膜領域603が設けられた半導体部材と、薄膜領域603に設けられて被計測気体30を加熱する発熱体608と、薄膜領域603でかつ発熱体608よりも上流側と下流側の領域における被計測気体30の流れ方向の温度差の少なくとも一方を検出する温度差検出手段と、温度差検出手段により検出した温度差に基づいて薄膜領域603の熱容量を算出する熱容量算出手段と、熱容量算出手段により算出した熱容量に基づいて薄膜領域603の熱伝導率の変化量を推測する熱伝導率変化量推測手段とを有する。
【選択図】図12
Description
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。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体30の流量は本発明に係る熱式流量計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被計測気体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。
エアクリーナ122から取り込まれ主通路124を流れる吸入空気である被計測気体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。
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である被計測気体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。
2.1 熱式流量計300の外観構造
図2および図3、図4は、熱式流量計300の外観を示す図であり、図2(A)は熱式流量計300の左側面図、図2(B)は正面図、図3(A)は右側面図、図3(B)は背面図、図4(A)は平面図、図4(B)は下面図である。熱式流量計300はハウジング302と表カバー303と裏カバー304とを備えている。ハウジング302は、熱式流量計300を主通路124である吸気ボディに固定するためのフランジ312と、外部機器との電気的な接続を行うための外部端子306を有する外部接続部305と、流量等を計測するための計測部310を備えている。計測部310の内部には、副通路を作るための副通路溝が設けられており、さらに計測部310の内部には、主通路124を流れる被計測気体30の流量を計測するための流量検出部602(図11参照)や主通路124を流れる被計測気体30の温度を計測するための温度検出部452を備える回路パッケージ400が設けられている。
熱式流量計300の入口350が、フランジ312から主通路124の中心方向に向かって延びる計測部310の先端側に設けられているので、主通路124の内壁面近傍ではなく、内壁面から離れた中央部に近い部分の気体を副通路に取り込むことができる。このため熱式流量計300は主通路124の内壁面から離れた部分の気体の流量や温度を測定することができ、熱などの影響による計測精度の低下を抑制できる。主通路124の内壁面近傍では、主通路124の温度の影響を受け易く、気体の本来の温度に対して被計測気体30の温度が異なる状態となり、主通路124内の主気体の平均的な状態と異なることになる。特に主通路124がエンジンの吸気ボディである場合は、エンジンからの熱の影響を受け、高温に維持されていることが多い。このため主通路124の内壁面近傍の気体は、主通路124の本来の気温に対して高いことが多く、計測精度を低下させる要因となる。
計測部310の先端側に設けられた副通路よりもフランジ312側の方に位置して、図2および図3に示すように、被計測気体30の流れの上流側に向かって開口する入口343が成形されており、入口343の内部には被計測気体30の温度を計測するための温度検出部452が配置されている。入口343が設けられている計測部310の中央部では、ハウジング302を構成する計測部310内の上流側外壁が下流側に向かって窪んでおり、前記窪み形状の上流側外壁から温度検出部452が上流側に向かって突出する形状を成している。また前記窪み形状の外壁の両側部には表カバー303と裏カバー304が設けられており、前記表カバー303と裏カバー304の上流側端部が、前記窪み形状の外壁より上流側に向かって突出した形状を成している。このため前記窪み形状の外壁とその両側の表カバー303と裏カバー304とにより、被計測気体30を取り込むための入口343が成形される。入口343から取り込まれた被計測気体30は入口343の内部に設けられた温度検出部452に接触することで、温度検出部452によって温度が計測される。さらに窪み形状を成すハウジング302の外壁から上流側に突出した温度検出部452を支える部分に沿って被計測気体30が流れ、表カバー303と裏カバー304に設けられた表側出口344および裏側出口345が主通路124に排出される。
フランジ312には、その下面である主通路124と対向する部分に、窪み314が複数個設けられており、主通路124との間の熱伝達を低減し、熱式流量計300が熱の影響を受け難くしている。フランジ312のねじ孔313は熱式流量計300を主通路124に固定するためのもので、これらのねじ孔313の周囲の主通路124に対向する面が主通路124から遠ざけられるように、各ねじ孔313の周囲の主通路124に対向する面と主通路124との間に空間が成形されている。このようにすることで、熱式流量計300に対する主通路124からの熱伝達を低減し、熱による測定精度の低下を防止できる構造をしている。さらにまた前記窪み314は、熱伝導の低減効果だけでなく、ハウジング302の成形時にフランジ312を構成する樹脂の収縮の影響を低減する作用をしている。
図4(A)は熱式流量計300の平面図である。外部接続部305の内部に4本の外部端子306と補正用端子307が設けられている。外部端子306は熱式流量計300の計測結果である流量と温度を出力するための端子および熱式流量計300が動作するための直流電力を供給するための電源端子である。補正用端子307は生産された熱式流量計300の計測を行い、それぞれの熱式流量計300に関する補正値を求めて、熱式流量計300内部のメモリに補正値を記憶するのに使用する端子であり、その後の熱式流量計300の計測動作では上述のメモリに記憶された補正値を表す補正データが使用され、この補正用端子307は使用されない。従って外部端子306が他の外部機器との接続において、補正用端子307が邪魔にならないように、補正用端子307は外部端子306とは異なる形状をしている。この実施例では外部端子306より補正用端子307が短い形状をしており、外部端子306に接続される外部機器への接続端子が外部接続部305に挿入されても、接続の障害にならないようになっている。また外部接続部305の内部には外部端子306に沿って複数個の窪み308が設けられており、これら窪み308は、フランジ312の材料である樹脂が冷えて固まる時の樹脂の収縮による応力集中を低減するためのものである。
3.1 副通路と流量検出部の構造と効果
熱式流量計300から表カバー303および裏カバー304を取り外したハウジング302の状態を図5および図6に示す。図5(A)はハウジング302の左側面図であり、図5(B)はハウジング302の正面図であり、図6(A)はハウジング302の右側面図であり、図6(B)はハウジング302の背面図である。ハウジング302はフランジ312から計測部310が主通路124の中心方向に延びる構造を成しており、その先端側に副通路を成形するための副通路溝が設けられている。この実施例ではハウジング302の表裏両面に副通路溝が設けられており、図5(B)に表側副通路溝332を示し、図6(B)に裏側副通路溝334を示す。副通路の入口350を成形するための入口溝351と出口352を成形するための出口溝353が、ハウジング302の先端部に設けられているので、主通路124の内壁面から離れた部分の気体を、言い換えると主通路124の中央部分に近い部分を流れている気体を被計測気体30として入口350から取り込むことができる。主通路124の内壁面近傍を流れる気体は、主通路124の壁面温度の影響を受け、吸入空気などの主通路124を流れる気体の平均温度と異なる温度を有することが多い。また主通路124の内壁面近傍を流れる気体は、主通路124を流れる気体の平均流速より遅い流速を示すことが多い。実施例の熱式流量計300ではこのような影響を受け難いので、計測精度の低下を抑制できる。
図7は表カバー303の外観を示す図であり、図7(A)は左側面図、図7(B)は正面図、図7(C)は平面図である。図8は裏カバー304の外観を示す図であり、図8(A)は左側面図、図8(B)は正面図、図8(C)は平面図である。図7および図8において、表カバー303や裏カバー304はハウジング302の副通路溝を塞ぐことにより、副通路を作るのに使用される。また突起部356を備え、流路に絞りを設けるために使用される。このため成形精度が高いことが望ましい。表カバー303や裏カバー304は金型に熱可塑性樹脂を注入する樹脂モールド工程により、作られるので、高い成形精度で作ることができる。また、表カバー303と裏カバー304には、突起部380と突起部381が形成されており、ハウジング302の嵌合した際に、図5(B)及び図6(B)に表記した回路パッケージ400の先端側の空洞部382の隙間を埋めると同時に回路パッケージ400の先端部を覆う構成となる。
次に再び図5および図6を参照して、回路パッケージ400のハウジング302への樹脂モールド工程による固定について説明する。副通路を成形する副通路溝の所定の場所、例えば図5および図6に示す実施例では、表側副通路溝332と裏側副通路溝334のつながりの部分に、回路パッケージ400の表面に成形された計測用流路面430が配置されるように、回路パッケージ400がハウジング302に配置され固定されている。回路パッケージ400をハウジング302に樹脂モールドにより埋設して固定する部分が、副通路溝より少しフランジ312側に、回路パッケージ400をハウジング302に埋設固定するための固定部372として設けられている。固定部372は第1樹脂モールド工程により成形された回路パッケージ400の外周を覆うようにして埋設している。
4.1 熱伝達面露出部436を備える計測用流路面430の成形
図9に第1樹脂モールド工程で作られる回路パッケージ400の外観を示す。なお、回路パッケージ400の外観上に記載した斜線部分は、第1樹脂モールド工程で回路パッケージ400を製造した後に、第2樹脂モールド工程でハウジング302を成形する際に、第2樹脂モールド工程で使用される樹脂により回路パッケージ400が覆われる固定面432を示す。図9(A)は回路パッケージ400の左側面図、図9(B)は回路パッケージ400の正面図、図9(C)は回路パッケージ400の背面図である。回路パッケージ400は、後述する流量検出部602や処理部604を内蔵し、熱硬化性樹脂でこれらがモールドされ、一体成形される。
回路パッケージ400に設けられた温度検出部452は、温度検出部452を支持するために被計測気体30の上流方向に延びている突出部424の先端も設けられて、被計測気体30の温度を検出する機能を備えている。高精度に被計測気体30の温度を検出するには、被計測気体30以外部分との熱の伝達をできるだけ少なくすることが望ましい。温度検出部452を支持する突出部424は、その根元より、先端部分が細い形状を成し、その先端部分に温度検出部452を設けている。このような形状により、温度検出部452への突出部424の根元部からの熱の影響が低減される。
回路パッケージ400には、内蔵する流量検出部602や処理部604を動作させるための電力の供給、および流量の計測値や温度の計測値を出力するために、接続端子412が設けられている。さらに、回路パッケージ400が正しく動作するかどうか、回路部品やその接続に異常が生じていないかの検査を行うために、端子414が設けられている。この実施例では、第1樹脂モールド工程で流量検出部602や処理部604を、熱硬化性樹脂を用いてトランスファモールドすることにより回路パッケージ400が作られる。トランスファモールド成形を行うことにより、回路パッケージ400の寸法精度を向上することができるが、トランスファモールド工程では、流量検出部602や処理部604を内蔵する密閉した金型の内部に加圧した高温の樹脂が圧入されるので、出来上がった回路パッケージ400について、流量検出部602や処理部604およびこれらの配線関係に損傷が無いかを検査することが望ましい。この実施例では、検査のための端子414を設け、生産された各回路パッケージ400についてそれぞれ検査を実施する。検査用の端子414は計測用には使用されないので、上述したように、端子414は外部端子内端361には接続されない。なお各接続端子412には、機械的弾性力を増すために、湾曲部416が設けられている。各接続端子412に機械的弾性力を持たせることで、第1樹脂モールド工程による樹脂と第2樹脂モールド工程による樹脂の熱膨張係数の相違に起因して発生する応力を吸収することができる。すなわち、各接続端子412は第1樹脂モールド工程による熱膨張の影響を受け、さらに各接続端子412に接続される外部端子内端361は第2樹脂モールド工程による樹脂の影響を受ける。これら樹脂の違いに起因する応力の発生を吸収することができる。
図9で斜線の部分は、第2樹脂モールド工程において、ハウジング302に回路パッケージ400を固定するために、第2樹脂モールド工程で使用する熱可塑性樹脂で回路パッケージ400を覆うための、固定面432を示している。図5や図6を用いて説明したとおり、計測用流路面430および計測用流路面430に設けられている熱伝達面露出部436と副通路の形状との関係が、規定された関係となるように、高い精度で維持されることが重要である。第2樹脂モールド工程において、副通路を成形すると共に同時に副通路を成形するハウジング302に回路パッケージ400を固定するので、前記副通路と計測用流路面430および熱伝達面露出部436との関係を極めて高い精度で維持できる。すなわち、第2樹脂モールド工程において回路パッケージ400をハウジング302に固定するので、副通路を備えたハウジング302を成形するための金型内に、回路パッケージ400を高い精度で位置決めして固定することが可能となる。この金型内に高温の熱可塑性樹脂を注入することで、副通路が高い精度で成形されると共に、回路パッケージ400が高い精度で固定される。
5.1 熱式流量計300の回路構成の全体
図10は熱式流量計300の流量検出回路601を示す回路図である。なお、先に実施例で説明した温度検出部452に関する計測回路も熱式流量計300に設けられているが、図10では省略している。
下記の式(1)は、被計測気体30の流量を補正するための補正式である。
図11は、上述した図10の流量検出回路601の回路配置の一例を示す回路構成図である。流量検出回路601は矩形形状の半導体チップ(半導体部材)として作られており、図11に示す流量検出回路601の左側から右側に向って、矢印の方向に、被計測気体30が流れる。
本実施例において特徴的なことは、発熱抵抗体の代わりに熱電対を用いて、流量と熱容量を検出する構成としたことである。流量検出部800は、図14に示すように、基板(半導体部材)801の上に、発熱体802と、発熱体802の上流位置の温度と下流位置の温度を測定する感知用熱電対804、805と、発熱体802の温度を測定するための監視用熱電対806、807を有している。
302…ハウジング
303…表カバー
304…裏カバー
305…外部接続部
306…外部端子
307…補正用端子
310…計測部
320…端子接続部
332…表側副通路溝
334…裏側副通路溝
356…突起部
361…外部端子内端
372…固定部
400…回路パッケージ
412…接続端子
414…端子
424…突出部
430…計測用流路面
432…固定面
436…熱伝達面露出部
438…開口
440…連通通路
452…温度検出部
601…流量検出回路(半導体部材)
602…流量検出部(流量検出素子)
603…薄膜領域(熱伝達面)
604…処理部
608…発熱体
640…発熱制御ブリッジ
650…第1流量検知ブリッジ
651…第2流量検知ブリッジ
652、654、710、712…上流測温抵抗体
672…ダイヤフラム
656、658、714、716…下流測温抵抗体
801…基板(半導体部材)
802…発熱体
803…ダイヤフラム
803a…薄膜領域
804、805…感知用熱電対
811、821…測温接点
811A…測温接点(第1上流測温接点)
811B…測温接点(第2上流測温接点)
812、822…基準温度接点
Claims (7)
- 被計測気体が流れる通路内で、該通路を流れる被計測気体との間で熱伝達面を介して熱伝達を行うことにより、前記被計測気体の流量を計測する熱式流量計であって、
前記熱伝達面を形成する薄膜領域が設けられた半導体部材と、
前記薄膜領域に設けられて前記被計測気体を加熱する発熱体と、
前記薄膜領域でかつ前記発熱体よりも上流側の領域である上流領域における前記被計測気体の流れ方向の温度差と、前記薄膜領域でかつ前記発熱体よりも下流側の領域である下流領域における前記被計測気体の流れ方向の温度差の少なくとも一方を検出する温度差検出手段と、
該温度差検出手段により検出した温度差に基づいて前記薄膜領域の熱容量を算出する熱容量算出手段と、
該熱容量算出手段により算出した熱容量に基づいて前記薄膜領域の熱伝導率の変化量を推測する熱伝導率変化量推測手段と、
を有することを特徴とする熱式流量計。 - 前記上流領域に配置された上流温度検出手段と、
前記下流領域に配置された下流温度検出手段と、
前記上流温度検出手段により検出した上流温度と前記下流温度検出手段により検出した下流温度に基づいて前記被計測気体の流量を算出する流量算出手段と、
該流量算出部により算出した前記被計測気体の流量を、前記熱伝導率変化量推測手段により推測した前記熱伝導率変化量に基づいて補正する補正手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の熱式流量計。 - 前記上流温度検出手段は、前記被計測気体の流れ方向上流側と下流側に分かれて配置される第1上流測温抵抗体と第2上流測温抵抗体を有し、
前記下流温度検出手段は、前記被計測気体の流れ方向上流側と下流側に分かれて配置される第1下流測温抵抗体と第2下流測温抵抗体を有し、
前記第1上流測温抵抗体と前記第1下流測温抵抗体により第1流量検知ブリッジ回路が形成され、
前記第2上流測温抵抗体と前記第2下流測温抵抗体により第2流量検知ブリッジ回路が形成され、
前記流量算出手段は、前記第1上流測温抵抗体と前記第1下流測温抵抗体との第1電位差、及び、前記第2上流測温抵抗体と前記第2下流測温抵抗体との第2電位差の少なくとも一方に基づいて前記上流温度と前記下流温度との温度差を算出し、該算出した温度差に基づいて前記被計測気体の流量を算出し、
前記温度差検出手段は、前記第1電位差及び前記第2電位差に基づいて、前記上流領域における前記被計測気体の流れ方向の温度差と、前記下流領域における前記被計測気体の流れ方向の温度差の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項2に記載の熱式流量計。 - 前記第1上流測温抵抗体と前記第2上流測温抵抗体は、前記第1上流測温抵抗体よりも前記第2上流測温抵抗体の方が上流に配置され、
前記第1下流測温抵抗体と前記第2下流測温抵抗体は、前記第1下流測温抵抗体よりも前記第2下流測温抵抗体の方が下流に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の熱式流量計。 - 前記第1上流測温抵抗体と前記第2上流測温抵抗体は、前記第1上流測温抵抗体よりも前記第2上流測温抵抗体の方が上流に配置され、
前記第1下流測温抵抗体と前記第2下流測温抵抗体は、前記第2下流測温抵抗体よりも前記第1下流測温抵抗体の方が下流に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の熱式流量計。 - 前記第1上流測温抵抗体と前記第2上流測温抵抗体は、前記第1上流測温抵抗体よりも前記第2上流測温抵抗体の方が上流に配置され、
前記第1下流測温抵抗体と前記第2下流測温抵抗体は、前記被計測気体の流れ方向に対して交差する方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項4に記載の熱式流量計。 - 前記上流温度検出手段は、前記薄膜領域内でかつ前記発熱体よりも上流に測温接点が配置された上流感知用熱電対を有し、
前記下流温度検出手段は、前記薄膜領域内でかつ前記発熱体よりも下流に測温接点が配置された下流感知用熱電対を有し、
前記上流感知用熱電対の測温接点は、前記被計測気体の流れ方向上流側と下流側に分かれて配置される第1上流測温接点と第2上流測温接点を有し、
前記流量算出手段は、前記上流感知用熱電対により検出した上流温度と前記下流感知用熱電対により検出した下流温度との温度差を算出し、該算出した温度差に基づいて前記被計測気体の流量を算出し、
前記温度差検出手段は、前記第1上流測温接点の温度と前記第2上流測温接点の温度を用いて、前記上流領域における前記被計測気体の流れ方向の温度差を検出することを特徴とする請求項2に記載の熱式流量計。
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