以下、図面を参照して本開示に係る物理量検出装置の実施形態を説明する。
図1は、本開示の一実施形態に係る物理量検出装置20を使用した電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム1のシステム図である。エンジンシリンダ11とエンジンピストン12を備える内燃機関10の動作に基づき、吸入空気が被計測気体2としてエアクリーナ21から吸入され、たとえば主通路22である吸気ボディと、スロットルボディ23と、吸気マニホールド24を介してエンジンシリンダ11の燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体2の物理量は、物理量検出装置20で検出され、その検出された物理量に基づいて燃料噴射弁14より燃料が供給され、被計測気体2と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施形態では、燃料噴射弁14は内燃機関10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被計測気体2とともに混合気を成形し、吸気弁15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。
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13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16から排気管に導かれ、排気ガス3として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体2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25により制御される。前記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25の開度を制御して前記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21を介して取り込まれて主通路22を流れる吸入空気である被計測気体2の流量、温度、湿度、圧力などの物理量が物理量検出装置20により検出され、物理量検出装置20から吸入空気の物理量を表す電気信号が制御装置4に入力される。また、スロットルバルブ25の開度を計測するスロットル角度センサ26の出力が制御装置4に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン12や吸気弁15や排気弁16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17の出力が、制御装置4に入力される。排気ガス3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28の出力が制御装置4に入力される。
制御装置4は、物理量検出装置20の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ17の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これらの演算結果に基づいて、燃料噴射弁14から供給される燃料量、また点火プラグ13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、実際にはさらに物理量検出装置20で検出される温度や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、酸素センサ28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4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25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27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物理量検出装置20の出力を主パラメータとして演算される。したがって、物理量検出装置20の検出精度の向上や、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、物理量検出装置20により検出される被計測気体2である吸入空気の物理量の検出精度の向上が極めて重要である。また、物理量検出装置20が高い信頼性を維持していることも大切である。
物理量検出装置20が搭載される車両は、温度や湿度の変化が大きい環境で使用される。物理量検出装置20は、その使用環境における温度や湿度の変化への対応や、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。また、物理量検出装置20は、内燃機関から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22である吸気管を介して物理量検出装置20に伝わる。物理量検出装置20は、被計測気体と熱伝達を行うことにより被計測気体の流量を検出するので、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。
車両に搭載される物理量検出装置20は、以下で説明するように、単に発明が解決しようとする課題の欄に記載された課題を解決し、発明の効果の欄に記載された効果を奏するのみでなく、以下で説明するように、上述した色々な課題を十分に考慮し、製品として求められている色々な課題を解決し、色々な効果を奏している。物理量検出装置20が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施形態に関する記載の中で説明する。
図2は、図1に示す物理量検出装置20の正面図である。物理量検出装置20は、主通路22の通路壁に設けられた取り付け孔から主通路22の内部に挿入されて利用される。物理量検出装置20は、ハウジング201と、ハウジング201に取り付けられるカバー202とを備えている。ハウジング201は、合成樹脂製材料を射出成形することによって構成されており、カバー202は、たとえばアルミニウム合金などの導電性材料からなる板状部材によって構成されている。カバー202は、薄い板状に形成されて、広い平坦な冷却面を有している。
ハウジング201は、主通路22である吸気ボディに固定されるフランジ211と、フランジ211から突出して外部機器との電気的な接続を行うために吸気ボディから外部に露出するコネクタ212と、フランジ211から主通路22の中心に向かって突出するように延びる計測部213を有している。
フランジ211は、たとえば、所定の板厚からなる平面視略矩形状を有しており、角部に貫通孔を有している。フランジ211は、たとえば、角部の貫通孔に固定ネジが挿通されて主通路22のネジ穴に螺入されることにより、主通路22に固定される。
コネクタ212は、たとえば、その内部に4本の外部端子と、補正用端子とが設けられている。外部端子は、物理量検出装置20の計測結果である流量や温度などの物理量を出力するための端子および物理量検出装置20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。補正用端子は、生産された物理量検出装置20の計測を行い、それぞれの物理量検出装置20に関する補正値を求めて、物理量検出装置20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る。
計測部213は、フランジ211から主通路22の中心方向に向かって延びる薄くて長い形状を成し、幅広な正面221と背面、および幅狭な一対の側面である上流端面223と下流端面224を有している。計測部213は、たとえば、主通路22に設けられた取り付け孔から内部に挿入され、フランジ211を主通路22に当接させてねじで主通路22に固定することで、フランジ211を介して主通路22に固定される。
計測部213は、物理量検出装置20を主通路22に取り付けた状態で、主通路22の内壁から主通路22の中心軸22aに向かって突出している。そして、正面221と背面が主通路22の中心軸22aに沿って平行に配置され、計測部213の幅狭な上流端面223と下流端面224のうち計測部213の短手方向一方側の上流端面223が主通路22の上流側を向くように配置され、計測部213の短手方向他方側の下流端面224が主通路22の下流側を向くように配置される。
計測部213の正面221は、短手方向に沿って上流端面223から下流端面224まで平坦である。一方、計測部213の背面は、下流端面224側の角部が面取りされており、かつ、短手方向中間位置から下流端面224まで移行するにしたがって正面に漸次接近する方向に傾斜している。これにより、計測部213の断面形状は、いわゆる流線型になっている。したがって、主通路22の上流から流れてきた被計測気体2を計測部213の正面221および背面に沿って円滑に下流に導くことができ、被計測気体2に対する計測部213の流体抵抗を小さくすることができる。
計測部213は、突出方向の端部が段差状に形成されており、物理量検出装置20を主通路22に取り付けた状態で、主通路22の上流側の下面226と、主通路22の下流側の下面227とを有している。計測部213は、上流側の下面226よりも下流側の下面227の方が突出方向に突出し、上流側の下面226と下流側の下面227との間を結ぶ段差面228が主通路22の上流側を向くように配置される。
また、計測部213は、フランジ211と反対側で上流側の下面226よりも突出した先端部213aの段差面228に、吸入空気などの被計測気体2の一部を計測部213内の副通路に取り込むための入口231が開口して設けられている。そして、計測部213の先端部213aの下流端面224には、計測部213内の副通路に取り込んだ被計測気体2を主通路22に戻すための第1出口232および第2出口233が開口して設けられている。
つまり、計測部213は、主通路22における被計測気体2の流れ方向の上流側に向けて配置される第1壁部としての上流端面223を有する。また、計測部213は、第1壁部としての上流端面223よりも主通路22における被計測気体2の流れ方向の下流側の位置において被計測気体2の流れ方向の上流側に向けて配置される第2壁部として先端部213aの段差面228を有する。この先端部213aの段差面228に、副通路の入口231が開口している。
物理量検出装置20は、副通路の入口231が、フランジ211から主通路22の中心方向に向かって延びる計測部213の先端部213aに設けられているので、主通路22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、物理量検出装置20は、主通路22の内壁面から離れた部分の気体の流量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22の内壁面近傍では、主通路22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2の温度が異なる状態となり、主通路22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22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22の内壁面近傍の気体は、主通路22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。また、主通路22の内壁面近傍では流体抵抗が大きく、主通路22の平均的な流速に比べ、流速が低くなる。このため、主通路22の内壁面近傍の気体を被計測気体2として副通路に取り込むと、主通路22の平均的な流速に対する流速の低下が計測誤差につながるおそれがある。
物理量検出装置20は、フランジ211から主通路22の中央に向かって延びる薄くて長い計測部213の先端部213aに入口231が設けられているので、主通路22の内壁面近傍の流速低下に関係する計測誤差を低減できる。また、物理量検出装置20は、フランジ211から主通路22の中央に向かって延びる計測部213の先端部213aに入口231が設けられているだけでなく、副通路の第1出口232および第2出口233も計測部213の先端部213aに設けられているので、さらに計測誤差を低減することができる。
物理量検出装置20は、計測部213が主通路22の外壁から中央に向かう軸に沿って長く伸びる形状を成しているが、上流端面223および下流端面224の幅は、正面221の幅よりも狭く、計測部213が板状の形状を成している。これにより、物理量検出装置20は、被計測気体2に対しては流体抵抗を小さい値に抑えることができる。
図3は、図2に示す物理量検出装置20のカバー202を取り外した状態を示す正面図である。なお、図3では、回路基板207を封止する封止材の図示を省略している。
計測部213には、副通路234を形成するための副通路溝250と、回路基板207を収容するための回路室235が設けられている。回路室235と副通路溝250は、計測部213の正面に凹設されており、計測部213の短手方向一方側と他方側に分かれて配置されている。回路室235は、主通路22における被計測気体2の流れ方向の上流側の位置に配置され、副通路234は、回路室235よりも主通路22における被計測気体2の流れ方向の下流側の位置に配置される。なお、主通路22における被計測気体2の流れ方向において、回路室235の上流側の壁部の上流側の面を、計測部213の上流端面223とすることで省スペース化が可能となる。
副通路溝250は、カバー202との協働により副通路234を形成する。副通路234は、計測部213の突出方向である計測部213の長手方向に沿って延在して設けられている。副通路234を形成する副通路溝250は、第1副通路溝251と、第1副通路溝251の途中で分岐する第2副通路溝252とを有している。
第1副通路溝251は、計測部213の先端部213aの段差面228に開口する入口231と、計測部213の先端部213aの下流端面224に開口する第1出口232との間に亘って、計測部213の短手方向に沿って延在するように形成されている。入口231は、主通路22における被計測気体2の流れ方向の上流側を向くように開口されている。第1副通路溝251は、カバー202との間に、入口231から主通路22の中心軸22aに沿って延びて第1出口232に至る第1副通路234aを形成する。
第1副通路234aは、主通路22内を流れる被計測気体2を入口231から取り込み、その取り込んだ被計測気体2を第1出口232から主通路22に戻す。第1副通路234aは、入口231から主通路22内における被計測気体2の流れ方向に沿って延在し、第1出口232に接続されている。第1副通路234aは、入口231と第1出口232との間に分岐部236を有している。
分岐部236は、主通路22の中心軸22aに沿って延びる第1副通路234aにおいて、順流時の被計測気体2の上流側で入口231の近傍に設けられている。ここで、被計測気体2は、順流時に、図1に示すように、エアクリーナ21から内燃機関10へ向けて主通路22の中心軸22aに沿って流れる。主通路22を流れる被計測気体2は、順流時に、入口231から第1副通路234aに取り込まれ、第1副通路234a内を第1出口232へ向けて流れるととともに、分岐部236から第2副通路234bへ流入する。
第2副通路溝252は、第1副通路溝251の途中位置で計測部213の基端部すなわちフランジ211へ向けて分岐して、計測部213の長手方向すなわち主通路22の中心軸22aに交差する方向、たとえば中心軸22aにおおむね直交する方向に延びている。さらに、第2副通路溝252は、計測部213のフランジ211の近傍で先端部213aへ向けて、たとえばU字状または円弧状に湾曲して折り返し、計測部213の長手方向すなわち主通路22の中心軸22aに交差する方向、たとえば中心軸22aにおおむね直交する方向に延びている。
第2副通路溝252は、最終的に、計測部213の下流端面224へ向けて、たとえば円弧状に湾曲するように曲折し、第2出口233に接続されている。第2出口233は、主通路22における被計測気体2の流れ方向の下流側を向くように開口されている。第2出口233は、第1出口232とほぼ同等または若干大きい開口面積を有しており、第1出口232よりも計測部213の長手方向の基端部側に隣接した位置に形成されている。第2副通路溝252は、カバー202との間に、第1副通路234aからフランジ211へ向けて分岐して第2出口233に至る第2副通路234bを形成する。
第2副通路234bは、第1副通路234aから分岐されて流れ込んだ被計測気体2を通過させて第2出口233から主通路22に戻す。第2副通路234bは、計測部213の長手方向に沿って往復する経路を有する。より詳細には、第2副通路234bは、たとえば、直線状の上流部237と、円弧状またはU字状の湾曲部238と、直線状の下流部239とを有している。
上流部237は、たとえば、第1副通路234aの分岐部236から分岐され、主通路22の中心軸22aに交差する方向におおむね直線状にまっすぐ延びている。上流部237は、たとえば、主通路22の中心軸22aにおおむね直交する方向、すなわち第1副通路234aの分岐部236からフランジ211へ向かう方向へ延びている。
湾曲部238は、たとえば、フランジ211の近傍で上流部237の下流側の端部に接続され、主通路22の中心軸22aに向けて折り返すように湾曲している。湾曲部238は、たとえば、円弧状またはU字状の形状を有し、第2副通路234bを180度、逆方向に折り返すように湾曲している。
下流部239は、たとえば、フランジ211の近傍で湾曲部238の下流側の端部に接続され、主通路22の中心軸22aに向けておおむね直線状にまっすぐに延びている。下流部239は、たとえば、上流部237とおおむね平行に計測部213の先端部213aへ向けて延び、第1副通路234aにおける分岐部236よりも下流側へ向けて延びている。下流部239は、先端部213aの第2出口233の近傍で主通路22の中心軸22aに沿う方向に湾曲して、第2出口233に接続されている。
第2副通路234bは、湾曲形状を有している。より具体的には、第2副通路234bの上流部237は、第1副通路234aの分岐部236から分岐され、主通路22の中心軸22aに交差する方向に延びている。第2副通路234bの湾曲部238は、上流部237から主通路22の中心軸22aに向けて折り返すように湾曲している。第2副通路234bの下流部239は、湾曲部238から主通路22の中心軸22aに向けて延びている。これら上流部237と湾曲部238と下流部239とによって、第2副通路234bの湾曲形状が形成されている。
なお、図示は省略するが、たとえば、第2出口233を省略し、第1副通路234aの分岐部236よりも下流側に第2副通路234bの下流部239を接続させ、第2副通路234bを第1副通路234aに合流させてもよい。
第2副通路234bは、たとえば上流部237に流量センサ205が配置されている。より詳細には、第2副通路234bの上流部237において、流量センサ205は、第1副通路234aと湾曲部238の中間部に配置されている。第2副通路234bは、上記のような湾曲形状を有することで、通路長さをより長く確保することができ、主通路22内の被計測気体2に脈動が生じた場合に、流量センサ205への影響を小さくすることができる。
上記構成によれば、計測部213の突出方向である長手方向に沿って副通路234を形成することができ、副通路234の長さを十分に長く確保できる。これにより、物理量検出装置20は、十分な長さの副通路234を備えることができる。したがって、物理量検出装置20は、流体抵抗を小さい値に抑えられるとともに高い精度で被計測気体2の物理量を計測することが可能である。
第1副通路234aは、入口231から計測部213の短手方向すなわち主通路22の中心軸22aに沿って延びて第1出口232に至るので、入口231から第1副通路234a内に侵入した塵埃などの異物をそのまま第1出口232から排出させることができる。これにより、異物が第2副通路234bに侵入するのを抑制し、第2副通路内234bに配置された流量センサ205に影響を与えるのを抑制することができる。
第1副通路234aの入口231と第1出口232は、入口231の方が第1出口232よりも大きな開口面積を有している。入口231の開口面積を第1出口232よりも大きくすることによって、第1副通路234aに流入した被計測気体2を、第1副通路234aの途中で分岐している第2副通路234bにも確実に導くことができる。
第1副通路溝251の入口231の近傍には、計測部213の長手方向における入口231の中央位置に突起部253が設けられている。突起部253は、入口231の大きさを計測部213の長手方向に二等分し、二等分された入口231のそれぞれの開口面積を第1出口232および第2出口233の開口面積よりも小さくしている。突起部253は、入口231から第1副通路234aに侵入可能な異物の大きさを第1出口232および第2出口233よりも小さいものだけに規制し、異物によって第1出口232や第2出口233が塞がれるのを防ぐことができる。
回路基板207は、計測部213の短手方向一方側に設けられた回路室235に収容されている。回路基板207は、計測部213の長手方向に沿って延在する長方形の形状を有しており、その表面には、チップパッケージ208と、圧力センサ204と、温湿度センサ206と、吸気温度センサ203とが実装されている。回路基板207は、すべてのセンサに共通する搭載部を有しており、様々なセンサの実装パターンに対して共通して利用可能である。回路基板207の表面は、たとえば、主通路22を流れる被計測気体2にほぼ平行に配置される。これにより、計測部213の薄型化が可能になり、主通路22を流れる被計測気体2の圧力損失を低減することができる。
チップパッケージ208は、回路基板207に実装されている。チップパッケージ208には、流量センサ205と、流量センサ205を駆動する電子部品であるLSIとが実装され、トランスファーモールドにより封止されている。チップパッケージ208は、第2副通路234b内に流量センサ205が配置されるように、回路基板207の長手方向の中央位置で回路基板207から第2副通路234b内にチップパッケージ208の一部が突出した状態で実装されている。
チップパッケージ208は、副通路234と回路室235との間に亘って配置されている。これにより、回路室235と副通路234が分離され、チップパッケージ208に配置された流量センサ205への流れが副通路234の形状によって律速される。そのため、副通路234内に被計測気体2の流れを阻害する障壁物がない構成となり、被計測気体2の安定的な流れを流量センサ205へ供給することができる。したがって、流量センサの流速感度、ノイズ性能や脈動特性を維持しつつ、計測部213を小型化することが可能である。
なお、流量センサ205は、必ずしもチップパッケージ208に設けられている必要はない。たとえば、回路基板207の一部を突出させて流量センサ205を副通路234に配置してもよく、回路基板207に実装された流量センサ205を板状の支持体によって副通路234に配置してもよい。
流量センサ205とLSIは同一半導体素子に一体に形成されていても、別の半導体素子として形成されていてもよい。流量センサ205は、表面の流量計測部が少なくとも露出するように樹脂によって封止されている。チップパッケージ208にLSIを設ける構造について説明したが、回路基板207にLSIを搭載する構造としてもよい。チップパッケージ208にLSIを設ける利点としては、回路基板207にLSIを搭載しなくてもよいことから、回路基板207の小型化に寄与する点である。
チップパッケージ208は、第2副通路234bの上流部237における被計測気体2の流れ方向に沿って延びる凹溝を有し、この凹溝の底部に流量センサ205を備えている。チップパッケージ208の凹溝は、第2副通路234bの上流部237を流れる被計測気体2の流れ方向における両端部から中央部へ向けて徐々に幅が狭まる絞り形状を有し、最も幅が狭い中央部に流量センサ205が配置されている。この絞り形状により、副通路234を流れる被計測気体2が整流され、ノイズの影響を低減することができる。
圧力センサ204は、チップパッケージ208よりも回路基板207の長手方向基端部側に実装されており、温湿度センサ206は、チップパッケージ208よりも回路基板207の長手方向先端側に実装されている。そして、回路基板207の表面には、吸気温度センサ203のリードが接続されている。吸気温度センサ203は、温湿度センサ206よりも回路基板207の長手方向先端側の位置にリードが接続され、センサ本体203bが回路基板207から長手方向にはみ出して計測部213の外部に露出した位置に配置されるように実装されている。
吸気温度センサ203は、計測部213のフランジ211側の上流端面223と、先端部213aの段差面228との間に配置されている。吸気温度センサ203は、回路基板207に実装され、計測部213の外に露出して設けられている。吸気温度センサ203は、円柱状のセンサ本体と、センサ本体の軸方向両端部から互いに離間する方向に向かって突出する一対のリードとを有するアキシャルリード部品によって構成されている。計測部213には、吸気温度センサ203を保護するためのプロテクタ202aが設けられている。
計測部213には、その長手方向に沿って基端部側から先端部側に向かって(計測部213の突出方向に向かって)、(1)圧力センサ204、(2)流量センサ205、(3)温湿度センサ206、(4)吸気温度センサ203が順番に配置されている。圧力センサ204は、被計測気体2の圧力を検出し、流量センサ205は、被計測気体2の流量を検出する。温湿度センサ206は、被計測気体2の湿度を検出し、吸気温度センサは、被計測気体2の温度を検出する。
図4は、図2に示す物理量検出装置20のIV−IV線に沿う模式的な拡大断面図である。詳細については後述するが、本実施形態の物理量検出装置20は、次の構成に最大の特徴を有している。
物理量検出装置20において、第1副通路234aは、主通路22の中心軸22aに沿って延び、被計測気体2の一部を取り込む。第2副通路234bは、第1副通路234aの分岐部236から分岐され、第1副通路234aから被計測気体2の一部を取り込む。流量センサ205は、第2副通路234bに配置されている。第2副通路234bは、湾曲部238と抵抗部240とを有し、分岐部236から主通路22の中心軸22aに交差する方向に延び、湾曲部238において中心軸22aへ向けて折り返す湾曲形状を有している。抵抗部240は、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる気体の圧力損失が、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる気体の圧力損失よりも高くなるように構成されている。以下、この特徴部分についてより詳細に説明する。
本実施形態の物理量検出装置20において、流量センサ205は、第1副通路234aの分岐部236と第2副通路234bの湾曲部238との間に配置されている。また、流量センサ205は、第2副通路234bの幅方向Dwに対向する内周壁234biと外周壁234boとの中間かつ第2副通路234bの高さ方向Dhに対向する底壁234bbと上壁234btとの中間に配置され、上壁234btに検出面205aが対向している。
また、本実施形態の物理量検出装置20において、抵抗部240は、第2副通路234bの幅方向Dwにせり出した内周壁234biと第2副通路234bの高さ方向234Dhにせり出した底壁234bbとによって構成されている。抵抗部240は、第2副通路234bの横断面において、内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSの流路面積を第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の表面側FSの流路面積よりも減少させている。
また、本実施形態の物理量検出装置20において、抵抗部240は、たとえば、第2副通路234bの横断面において凹曲線状の表面形状を有している。より具体的には、抵抗部240は、たとえば、第2副通路234bの横断面において凹型の円弧状の表面形状を有している。これにより、第2副通路234bの外周側OSから内周側ISに向けて底壁234bbと流量センサ205の検出面205aとの間の高さ方向Dhの間隔が漸次狭くなっている。また、第2副通路234bの表面側FSから背面側BSに向けて内周壁234biと外周壁234boとの間の幅方向Dwの間隔が漸次狭くなっている。
また、本実施形態の物理量検出装置20の第2副通路234bにおいて、抵抗部240は、流量センサ205の上流側と下流側に設けられている。より具体的には、抵抗部240は、たとえば、第2副通路234bの分岐部236から第2出口233まで、すなわち、上流部237、湾曲部238および下流部239において、連続的に設けられている。
以下、本実施形態の物理量検出装置20の動作について説明する。
図1に示すように、物理量検出装置20は、たとえば、主通路22の通路壁に設けられた取り付け孔から主通路22の内部に挿入され、図2および図3に示すフランジ211が主通路22の通路壁に固定される。内燃機関10の動作に基づき、吸入空気が被計測気体2としてエアクリーナ21から吸入され、被計測気体2が主通路22を流れる。主通路22を流れる被計測気体2は、おおむね中心軸22aに沿って流れ、物理量検出装置20の計測部213に設けられた入口231から、第1副通路234aに取り込まれる。
物理量検出装置20の入口231から計測部213内に取り込まれた被計測気体2の一部は、主通路22の中心軸22aに沿って延びる第1副通路234aを流れ、第1出口232から排出されて主通路22に戻る。また、第1副通路234aを流れる被計測気体2の一部は、第1副通路234aの分岐部236からフランジ211へ向けて分岐する第2副通路234bに流入する。
第2副通路234bに流入した被計測気体2は、図4に示すチップパッケージ208に設けられた流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSとその反対の背面側BSを流れる。このとき、流量センサ205の検出面205aによって、チップパッケージ208の表面側の凹溝を流れる被計測気体2の流量が検出される。また、図3に示す吸気温度センサ203によって、計測部213の入口231に取り込まれる前の被計測気体2の温度が検出され、圧力センサ204と温湿度センサ206によって、計測部213の回路室235内の被計測気体2の圧力と湿度が検出される。
第2副通路234bの上流部237に流入し、チップパッケージ208を通過した被計測気体2は、円弧状またはU字状の湾曲部238で計測部213の先端部213aへ向けて折り返され、第2副通路234bの下流部239を通過して第2出口233から排出されて主通路22へ戻る。このような構成の物理量検出装置20において、仮に第2副通路234bが抵抗部240を有しない場合、次のような問題が生じるおそれがある。
主通路22の中心軸22aに沿って流れる被計測気体2は、物理量検出装置20の入口231から計測部213内に取り込まれ、主通路22の中心軸22aに沿って延びる第1副通路234aを流れる。第1副通路234aを流れる被計測気体2は、分岐部236において、主通路22の中心軸22aにおおむね直交する方向に延びる第2副通路234bに流入する。このとき、被計測気体2に対して方向転換による遠心力が作用し、被計測気体2が湾曲形状を有する第2副通路234bの内周側ISに偏る。そのため、流量センサ205が配置された第2副通路234bの上流部237を通過する被計測気体2が、第2副通路234bの内周側ISに偏り、流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差が増加するおそれがある。
これに対し、本実施形態の物理量検出装置20は、前述のように、主通路22を流れる被計測気体2の物理量を検出する装置であって、以下の構成を特徴としている。物理量検出装置20は、主通路22の中心軸22aに沿って延び、被計測気体2の一部を取り込む第1副通路234aと、この第1副通路234aの分岐部236から分岐された第2副通路234bと、この第2副通路234bに配置された流量センサ205とを備える。第2副通路234bは、湾曲部238と抵抗部240とを有し、分岐部236から主通路22の中心軸22aに交差する方向に延びて湾曲部238において中心軸22aへ向けて折り返す湾曲形状を有している。抵抗部240は、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる気体の圧力損失が、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる気体の圧力損失よりも高くなるように構成されている。
この構成により、第1副通路234aの分岐部236から第2副通路234bへ流入する被計測気体2に遠心力が作用しても、第2副通路234bを流れる被計測気体2が第2副通路234bの内周側ISに偏るのを抑制することができる。すなわち、被計測気体2は、第1副通路234aの分岐部236において遠心力で第2副通路234bの内周側ISに偏っても、第2副通路234bへ流入して第2副通路234bを流れる過程で、抵抗部240によって偏りが緩和される。
図5は、図4に示す第2副通路234bの横断面において、高さ方向Dhの中央を通り幅方向Dwに延びる中心線C1上の被計測気体2の流速Vの分布を示すグラフである。図5の左側のグラフは、図4に示す第2副通路234bの上流部237の外周壁234boと内周壁234biとの間の幅方向Dwにおける被計測気体2の流速Vの分布を示している。図5の右側のグラフは、図4に示す第2副通路234bの下流部239の内周壁234biと外周壁234boとの間の幅方向Dwにおける被計測気体2の流速Vの分布を示している。なお、図5において、実線は、本実施形態の物理量検出装置20における被計測気体2の流速Vの分布を示し、二点鎖線は、抵抗部240を有しない比較形態の物理量検出装置における被計測気体2の流速Vの分布を示している。
前述のように、図4に示す抵抗部240は、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる気体の圧力損失が、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる気体の圧力損失よりも高くなるように構成されている。そのため、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2の圧力損失が、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる被計測気体2の圧力損失よりも高くなる。
その結果、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2の流動抵抗が、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる被計測気体2の流動抵抗よりも高くなる。これにより、図5に示すように、抵抗部240を有しない場合に第2副通路234bの内周側ISに大きく偏っていた被計測気体2の流れが、第2副通路234bの外周側OSにシフトし、被計測気体2の偏りが緩和される。同様に、第2副通路234bの高さ方向Dhにおいても、抵抗部240によって、被計測気体2の流れが、第2副通路234bの背面側BSから表面側FSにシフトする。
したがって、本実施形態によれば、第1副通路234aから分岐した第2副通路234bを流れる被計測気体2の偏りを従来よりも低減し、第2副通路234bに配置された流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置20を提供することができる。
さらに、本実施形態の物理量検出装置20において、流量センサ205は、第1副通路234aの分岐部236と第2副通路234bの湾曲部238との間に配置されている。また、流量センサ205は、第2副通路234bの幅方向Dwに対向する内周壁234biと外周壁234boとの中間かつ第2副通路234bの高さ方向Dhに対向する底壁234bbと上壁234btとの中間に配置され、上壁234btに検出面205aが対向している。
この構成により、抵抗部240によって、第1副通路234aから分岐した湾曲形状を有する第2副通路234bにおける被計測気体2の偏りを緩和し、流量センサ205の検出面205aに従来よりも偏りの少ない被計測気体2の流れを生じさせることができる。したがって、流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差をより効果的に低減することができる。
また、本実施形態の物理量検出装置20において、抵抗部240は、第2副通路234bの幅方向Dwにせり出した内周壁234biと第2副通路234bの高さ方向234Dhにせり出した底壁234bbとによって構成されている。抵抗部240は、第2副通路234bの横断面において、内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSの流路面積を第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の表面側FSの流路面積よりも減少させている。
この構成により、第2副通路234bの横断面において、抵抗部240によって、第2副通路234bの内周側ISかつ背面側BSの流路面積が、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSの流路面積よりも狭くなる。そのため、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2が、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSを流れる被計測気体2よりも、壁面摩擦を受けやすくなる。これにより、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2の圧力損失を、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる被計測気体2の圧力損失よりも高くすることができる。
また、本実施形態の物理量検出装置20において、抵抗部240は、たとえば、第2副通路234bの横断面において凹曲線状の表面形状を有している。そして、第2副通路234bの外周側OSから内周側ISに向けて底壁234bbと流量センサ205の検出面205aとの間の高さ方向Dhの間隔が漸次狭くなっている。また、第2副通路234bの表面側FSから背面側BSに向けて内周壁234biと外周壁234boとの間の幅方向Dwの間隔が漸次狭くなっている。
この構成により、抵抗部240における流路断面積を確保するとともに、乱流の発生を抑制することができる。また、第2副通路234bの横断面において、抵抗部240によって、第2副通路234bの内周側ISかつ背面側BSの流路面積を、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSの流路面積よりも狭くすることができる。これにより、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2の圧力損失を、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSを流れる被計測気体2の圧力損失よりも高くすることができる。
また、主通路22を流れる被計測気体2が、たとえば内燃機関10の吸気の脈動によって順流時と逆方向に流れる逆流が発生する場合がある。この逆流時には、物理量検出装置20の第2出口233から第2副通路234bの下流部239へ被計測気体2が流入する。このとき、被計測気体2の流れは、主通路22の中心軸22aに沿う方向から中心軸22aに交差する方向へ、流れの方向が変化して遠心力が作用し、第2副通路234bの下流部239の内周側ISへ偏る。
しかし、本実施形態の物理量検出装置20の第2副通路234bにおいて、抵抗部240は、流量センサ205の上流側と下流側に設けられている。これにより、被計測気体2の逆流時にも、順流時と同様に、被計測気体2の流れを第2副通路234bの外周側OSにシフトさせ、流量センサ205において被計測気体2の流れの偏りが緩和される。同様に、第2副通路234bの高さ方向Dhにおいても、逆流時の被計測気体2の流れが、第2副通路234bの背面側BSから表面側FSにシフトする。
したがって、本実施形態によれば、順流または逆流を問わず、第1副通路234aから分岐した第2副通路234bを流れる被計測気体2の偏りを従来よりも低減し、第2副通路234bに配置された流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置20を提供することができる。
なお、本開示の物理量検出装置は、本実施形態の物理量検出装置20の構成に限定されない。以下、本実施形態の物理量検出装置20のいくつかの変形例について説明する。
図6は、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の変形例1に係る物理量検出装置の拡大図である。なお、図6は、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の図3に相当するカバー202を取り外した物理量検出装置の正面図の拡大図である。図7は、変形例1に係る物理量検出装置の図4に相当する模式的な断面図である。図8は、図7に示す第2副通路234bにおける被計測気体2の流速の分布を示すグラフである。本変形例において、前述の実施形態に係る物理量検出装置20と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
本変形例に係る物理量検出装置において、抵抗部240は、第2副通路234bの内周側ISに配置され、第2副通路234bの底壁234bbから高さ方向Dhに突出し、内周壁234biに沿って第2副通路234bの上流側から下流側へ延びる隔壁241によって構成されている。
この構成により、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2は、隔壁241よりも内周壁234bi側の流れと、隔壁241よりも外周壁234bo側の流れに分流される。ここで、隔壁241は、第2副通路234bの内周側ISに配置されているので、隔壁241と内周壁234biとの間の内周側ISの流路の幅WIは、隔壁241と外周壁234boとの間の外周側OSの流路の幅WOよりも狭くなる。
そのため、内周側ISの流路を流れる被計測気体2は、隔壁241によって区画された背面側BSにおいて、外周側OSの流路を流れる被計測気体2よりも、隔壁241および内周壁234biから壁面摩擦を受けやすくなる。その結果、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2の圧力損失が、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSを流れる被計測気体2の圧力損失よりも高くなる。
これにより、図8に示すように、抵抗部240を有しない場合に第2副通路234bの内周側ISに大きく偏っていた被計測気体2の流れが、第2副通路234bの外周側OSにシフトし、被計測気体2の偏りが緩和される。同様に、第2副通路234bの高さ方向Dhにおいても、抵抗部240によって、被計測気体2の流れが、第2副通路234bの背面側BSから表面側FSにシフトする。
したがって、本変形例によれば、前述の実施形態と同様に、第1副通路234aから分岐した第2副通路234bを流れる被計測気体2の偏りを従来よりも低減し、第2副通路234bに配置された流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置を提供することができる。
図9および図10は、それぞれ、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の変形例2および変形例3に係る物理量検出装置の拡大図である。図9および図10は、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の図3に相当するカバー202を取り外した物理量検出装置の正面図の拡大図である。
図9に示す変形例2に係る物理量検出装置において、抵抗部240は、第2副通路234bの内周壁234biと背面側BSの底壁234bbとの間の角部に設けられ、内周壁234biおよび底壁234bbからそれぞれ幅方向および高さ方向に突出した突起242によって構成されている。
この構成により、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2は、第2副通路234bの内周壁234biと底壁234bbとの間の角部に設けられた突起242にぶつかって衝突損失を生じ、流動抵抗が増加する。これにより、被計測気体2の流れは、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSに向けて方向を変化させる。その結果、抵抗部240を有しない場合に第2副通路234bの内周側ISに大きく偏っていた被計測気体2の流れが、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSへシフトし、被計測気体2の偏りが緩和される。
図10に示す変形例3に係る物理量検出装置において、抵抗部240は、第2副通路234bの内周壁234biと背面側BSの底壁234bbとの間の角部に設けられ、第2副通路234bの高さ方向Dhおよび幅方向Dwに延びる溝部243によって構成されている。
この構成により、第2副通路234bの内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSを流れる被計測気体2は、第2副通路234bの内周壁234biと底壁234bbとの間の角部に設けられた溝部243へ流入して流動抵抗が増加する。これにより、被計測気体2の流れは、第2副通路234bの外周側OSかつ流量センサ205の検出面205aに臨む表面側FSに向けて方向を変化させる。その結果、抵抗部240を有しない場合に第2副通路234bの内周側ISに大きく偏っていた被計測気体2の流れが、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSへシフトし、被計測気体2の偏りが緩和される。
また、抵抗部240を構成する突起242および溝部243を流量センサ205の上流側と下流側に設けることで、被計測気体2の逆流時に、順流時と同様に、被計測気体2の流れを、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSにシフトし、被計測気体2の偏りが緩和される。
したがって、変形例2および変形例3によれば、前述の実施形態と同様に、第1副通路234aから分岐した第2副通路234bを流れる被計測気体2の偏りを従来よりも低減し、第2副通路234bに配置された流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置を提供することができる。
図11は、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の変形例4に係る物理量検出装置の図4に相当する断面図である。図12は、図11に示す第2副通路234bにおける被計測気体2の流速の分布を示すグラフである。
本変形例に係る物理量検出装置において、第2副通路234bは、流量センサ205の上流側の抵抗部240における横断面の流路面積よりも、流量センサ205の下流側の抵抗部240における横断面の流路面積が小さくなっている。この構成により、前述の実施形態に係る物理量検出装置と同様の効果を奏することができるだけでなく、被計測気体2の順流時における流量センサ205の上流側よりも下流側において、被計測気体2の流速が高くなる。被計測気体2が第2副通路234bから受ける壁面抵抗は、被計測気体2の流速の2乗に比例して増加する。
そのため、被計測気体2の逆流時において、第2出口233から第2副通路234bへ流入した被計測気体2の流れを、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSにシフトさせる効果が高くなる。したがって、本変形例によれば、被計測気体2の順流時または逆流時に関わらず、流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置を提供することができる。
図13は、前述の実施形態に係る物理量検出装置20の変形例5に係る物理量検出装置の図4に相当する断面図である。
本変形例に係る物理量検出装置において、第2副通路234bは、流量センサ205の上流側の抵抗部240よりも、流量センサ205の下流側の抵抗部240において、横断面における内周側ISかつ流量センサ205の背面側BSの流路面積が小さくなっている。より具体的には、被計測気体2の順流時の上流側および下流側の抵抗部240は、前述のように、第2副通路230bの横断面において、凹曲線状の表面形状を有している。そして、上流側の抵抗部240の円弧状の表面形状の曲率は、下流側の抵抗部240の円弧状の表面形状の曲率よりも、大きくなっている。
この構成により、前述の実施形態に係る物理量検出装置と同様の効果を奏することができるだけでなく、被計測気体2の順流時における流量センサ205の上流側よりも下流側において、被計測気体2が抵抗部240から受ける壁面抵抗が増加する。そのため、被計測気体2の逆流時において、第2出口233から第2副通路234bへ流入した被計測気体2の流れを、第2副通路234bの外周側OSかつ表面側FSにシフトさせる効果が高くなる。したがって、本変形例によれば、被計測気体2の逆流時の流速が順流時の流速と異なる場合でも、流量センサ205による被計測気体2の流量の検出誤差を低減することが可能な物理量検出装置を提供することができる。
以上、図面を用いて本開示に係る物理量検出装置の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。