JP2020187062A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量検出素子の他に一つ以上の物理量検出素子が実装される場合でも、流量測定精度の低下を抑制することが可能は流量測定装置を実現する。【解決手段】流量測定装置20は、被計測気体2が流れる通気流路30と、通気流路30に流れる被計測気体2の流量を検出する流量検出素子9を有するチップパッケージ18と、少なくとも一つの物理量検出素子8、31、32を有し、チップパッケージ18と接続される回路基板19と、チップパッケージ18及び回路基板19が配置され、通気流路30を形成するためのハウジング7と、を備える。チップパッケージ18は、ハウジング7がモールド成形されるときに、流量検出素子9が通気流路30に位置するように位置決めされ、ハウジング7に二段モールドされる。【選択図】図４

Description

本発明は、流量測定装置に関する。

自動車用エンジンにおいては、燃料噴射量を制御するために吸入空気流量を測定する必要がある。吸入空気流量を測定する装置の一種に、発熱抵抗体を用いた熱式流量測定装置がある。

この熱式流量測定装置は、流量検出素子が形成される流量検出部と計測対象である吸入空気流量との間で熱伝達を行うことにより、吸入空気流量を計測するように構成されており、熱影響を正しく補正することで、高精度で吸入空気流量を計測できる。

この熱式流量測定装置は、エンジンに吸入空気を取り込むための吸気管に取り付けられている。この吸気管内は、エンジンオイルや未燃焼ガス、ＥＧＲガスなどの汚損物質が含まれている環境である。

このような環境下でも、高精度に流量を検出するために、副通路が設けられている。副通路を設け、副通路内に流量検出素子を配置することによって、空気に含まれた汚損物質全てが、直接流量検出素子に到達せずに、副通路の形状によって遠心分離あるいは慣性分離効果によって、分離される。これによって、汚損物質以外の空気を検出できるようになるため、高精度に流量を検出できる構成になっている。

吸気管内の空気流が複雑な流れであっても正しく流量を計測できるようにシリコンチップ式高速応答の流量検出素子が用いられている。この高速応答の流量検出素子は、副通路内の流れに対して敏感であり、副通路と流量検出素子の取り付け精度によって、計測精度に影響してしまう。

特許文献１には、流量検出素子がモールドされた部品が副通路を構成する部品に圧入することで副通路と流量検出素子との組付け誤差を低減する構成が開示されている。

さらに、特許文献２には、流量検出素子が基板上に配置され、その基板の流量検出素子が搭載されている一部を副通路に配置させる構成で、位置決めピンを用いることで組付け誤差を低減する構成が開示されている。

特許第５９４９４６１号公報

特許第５７５９９４３号公報

熱式流量測定装置では、さらなる測定精度の向上が要求されるとともに、空気流量の計測だけでなく、圧力、湿度、温度といった複数の物理量の計測が要求されている。

これらの複数の物理量検出素子を熱式流量測定装置内に実装する場合には、実装構造が複雑となるため、実装ばらつきを低減する構成が必要になる。

上述したように、特許文献１には、流量検出素子をモールドし、副通路が設けられたハウジングに圧入する構成が記載されている。

しかしながら、複数の物理量検出素子が熱式流量測定装置内に実装する構造とする場合、すべてのセンサをモールドして圧入すると、応力影響による特性ずれなどが生じ、測定精度が低下することが考えられる。

また、特許文献２に記載の技術のように、複数種類の検出素子に対して位置決めピンを用いる場合は、個々の検出素子に対して位置決めしなければならず、それぞれの位置誤差が重畳する可能性があり、位置誤差が大となって、測定精度が低下することが考えられる。

本発明の目的は、流量検出素子の他に一つ以上の物理量検出素子が実装される場合でも、流量測定精度の低下を抑制することが可能は流量測定装置を実現することである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下のように構成される。

流量測定装置において、被計測気体が流れる通気流路と、前記通気流路に流れる前記被計測気体の流量を検出する流量検出素子を有するチップパッケージと、少なくとも一つの物理量検出素子を有し、前記チップパッケージと接続される回路基板と、前記チップパッケージ及び前記回路基板が配置され、前記通気流路を形成するためのハウジングと、を備え、前記チップパッケージは、前記ハウジングがモールド成形されるときに、前記流量検出素子が前記通気流路に位置するように位置決めされ、前記ハウジングに二段モールドされる。

本発明によれば、流量検出素子の他に一つ以上の物理量検出素子が実装される場合でも、流量測定精度の低下を抑制することが可能は流量測定装置を実現することができる。

本発明の実施例１が適用される内燃機関制御システムの概略構成図である。 物理量測定装置を側面から見た図である。 物理量測定装置を図２とは反対側の側面を見た図である。 物理量測定装置の断面図である。 チップパッケージが回路基板に実装された状態を示す図である。 図５に示したチップパッケージが実装された回路基板をＡ方向から見た図である。 実施例２におけるチップパッケージが回路基板に実装された状態を示す図である。 図７に示したチップパッケージが実装された回路基板をＡ方向から見た図である。 実施例３におけるチップパッケージが実装された回路基板を図８と同様な方向から見た図である。 図９Ａに示したチップパッケージと回路基板との接合部の拡大図である。 実施例４におけるチップパッケージを回路基板に搭載する前の状態を示す図である。 チップパッケージを回路基板に搭載した後の状態を示す図である。 チップパッケージが回路基板に実装された状態を示す図である。 図１２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 実施例５における位置決め溝に位置決めピンが挿入されることによって回路基板の位置決めする構成を示す図である。

以下、本発明による流量測定装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１について、図１から図６を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１が適用される内燃機関制御システム１の概略構成図である。

図１において、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から吸入される。

吸入空気である被計測気体２は、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、物理量測定装置（熱式流量測定装置）２０で測定される。

さらに、物理量測定装置２０で測定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、吸入空気と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。

なお、図１に示した例においては、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吸入空気に混合される。そして、燃料と吸入空気との混合気が、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。

燃焼室に導かれた混合気は、燃料と空気とが混合された状態であり、点火プラグ１３の火花着火によって爆発的に燃焼して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。

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（図示せず）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。

また、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る。スロットルバルブ２５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１０が発生する機械エネルギを制御することができる。

物理量測定装置２０は、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、圧力などの物理量を測定する。

物理量測定装置２０は、吸入空気の物理量に応じた電気信号を出力する。物理量測定装置２０の出力信号は制御装置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に入力される。また、内燃機関１０のエンジンピストン１２、吸気弁１５及び排気弁１６の位置や状態、さらに内燃機関１０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、物理量測定装置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１０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、さらに物理量測定装置２０で測定される温度や、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１０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１０の回転速度を制御する。

内燃機関１０の主要な制御量である燃料供給量や点火時期は、いずれも物理量測定装置２０の出力を主パラメータとして演算される。したがって、物理量測定装置２０の測定精度の向上や、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い。また、排気ガス浄化に関する要望も非常に高い。

これらの要望に応えるためには、物理量測定装置２０により測定される被計測気体２である吸入空気の物理量の測定精度の向上が極めて重要である。

また、物理量測定装置２０が高い信頼性を維持していることも大切である。

物理量測定装置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。物理量測定装置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、物理量測定装置２０は、内燃機関１０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１０の発熱が主通路２２である吸気管を介して物理量測定装置２０に伝わる。物理量測定装置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測定するので、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測定装置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だけではない。

以下で説明するように、物理量測定装置２０は、上述した様々な課題を十分に考慮し、製品として求められている様々な課題を解決し、種々の効果を奏している。

物理量測定装置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、物理量測定装置２０を側面から見た図であり、図３は物理量測定装置２０を図２とは反対側の側面を見た図である。さらに、図４は図３の物理量測定装置２０の断面図である。

図２、図３及び図４において、物理量計測装置２０には、被計測気体が流れる副通路３０（通気流路）が設けられており、副通路入り口５で取り込まれた被計測気体２は、被計測気体２の流量を検出する流量検出素子９を通り、副通路出口６から排出される。物理量測定装置２０が検出する流量は流量検出素子９によって検出されるため、副通路３０と流量検出素子９との実装関係によって、流量測定精度に大きく影響する。

一般的な実装ばらつきは、カバー２９上に回路基板１９を接着剤で実装するときに発生する。

つまり、カバー２９上に回路基板１９を接着剤で実装するとき、回路基板１９をカバー２９上に位置決めするために回路基板１９に位置決め穴３５を設けて、位置決めをする。この位置決めのときに、回路基板１９とカバー２９との実装ばらつきが存在する。

さらに、流量検出素子９が実装されているチップパッケージ１８を回路基板１９に実装するが、チップパッケージ１８と回路基板１９との実装ばらつきが存在する。チップパッケージ１８は回路基板１９と電気的に接続され、チップパッケージ１８からリードフレーム３３（図５に示す）が露出しており、リードフレーム３３と回路基板１９とを電気的に接着する。

さらに、副通路３０が形成されるハウジング７をカバー２９と接着することで、チップパッケージ１８がカバー２９とハウジング７とで覆われ、副通路３０内にチップパッケージ１８に実装されている流量検出素子９が露出する構成となっている。ハウジング７により、チップパケージ１８と回路基板１９が支持される。また、ハウジング７とカバー２９とにより、副通路３０が形成される。

ここで、副通路３０を構成するために、ハウジング７とカバー２９とを接着することで、チップパッケージ１８とハウジング７との実装ばらつきが存在する。

以上の構成によって、カバー２９と回路基板１９との実装ばらつきと、回路基板１９とチップパッケージ１８との実装ばらつきと、チップパッケージ１８とハウジング７の実装ばらつきとが存在するため、流量計測精度への影響が大きくなる。

そこで、本実施例１では、以上の実装ばらつきのうち、チップパッケージ１８とハウジング７との実装ばらつきを低減するため、チップパッケージ１８がハウジング７にオーバーモールド（二段モールド）される構成とする。

つまり、ハウジング７のモールド成形するときに、チップパッケージ１８を一体としてモールド成形する。ハウジング７のモールド成形時に、ハウジング７とチップパッケージ１８との位置決めは、成形金型によって高精度に行うことができるため、チップパッケージ１８とハウジング７との実装ばらつきを低減することが可能となる。

つまり、チップパッケージ１８の流量検出素子９の復通路３０に対する位置決めを高精度に行うことができる。

カバー７にオーバーモールドされたチップパッケージ１８は、リードフレーム３３で回路基板１９に実装される。

図５は、チップパッケージ１８が回路基板１９に実装された状態を示す図であり、図６は、図５に示したチップパッケージ１８が実装された回路基板１９を図５に示したＡ方向から見た図である。

図５および図６に示すように、回路基板１９上には、圧力センサ３１、湿度センサ３２が搭載されており、さらにチップパッケージ１８を搭載し、回路基板１９と電気的に接続する。回路基板１９上には、図２に示す吸気温度センサ８が搭載されている。

ここで、吸気温度センサ８、圧力センサ３１、湿度センサ３２を、物理量検出素子と総称する。

電気的に接続する際には、回路基板１９上に穴４３が設けられており、そこにリードフレーム３３を挿入し、半田３４でと電気的に接着する。

上述のような構成とすることで、カバー２９と回路基板１９との実装ばらつきが存在したとしても、流量計測精度に影響を与える流量検出素子９と副通路３０との間の実装ばらつきには影響しない。

これは、最初にカバー２９に回路基板１９を接着してしまうと、すべてのばらつきを最終実装のチップパッケージ１８とハウジング７との実装において吸収しなくてはならない。

このため、流量計測精度に影響するチップパッケージ１８とハウジング７のばらつきが大きくなってしまう。

本実施例１のように構成にすることで、最初の実装がオーバーモールドによるチップパッケージ１８とハウジング７の実装であり、最終の実装が回路基板１８とカバー２９となる。

このため、回路基板１８とカバー２９との実装が、すべてのばらつきを吸収することになるが、回路基板１８とカバー２９の実装ばらつきが大きくなったとしても、チップパッケージ１８の流量検出素子９のハウジング７の副通路３０に対する位置には影響はなく、流量検出精度への影響はない。

そのため、本実施例１による構成であれば、すべてのセンサをモールドして圧入することなく、複数の部品を実装しても、実装ばらつきの流量検出精度への影響を最小限とし高精度の物理量計測装置（熱式流量測定装置）を実現することができる。

つまり、流量検出素子の他に一つ以上の物理量検出素子が実装される場合でも、流量測定精度の低下を抑制することが可能は流量測定装置を実現することができる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について図７、図８を参照して説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。図７は実施例２におけるチップパッケージ１８が回路基板１９に実装された状態を示す図であり、図８は、図７に示したチップパッケージ１８が実装された回路基板１９を図７のＡ方向から見た図である。

実施例１では、リードフレーム３３と回路基板１９とを半田３４で接合する例を示した。

実施例２では、回路基板１９上にはリードフレーム３３を回路基板１９に挿入する穴は設けられておらず、リードフレーム３３と電気的接続をするための電極４１が設けられており、リードフレーム３３と電極４１とがレーザー溶接によって溶接部３６が形成され電気的に接着される。

本実施例２によれば、実施例１と同様な効果を得ることができる他、半田３４による接着よりも、製造工程を短縮することができるため、実装ばらつきを低減しつつ、低コスト化も実現することができる。

（実施例３）
次に、実施例３について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。実施例１および実施例２と同様の構成については説明を省略する。図９Ａは、実施例３におけるチップパッケージ１８が実装された回路基板１９を図８と同様な方向から見た図であり、図９Ｂは、図９Ａに示したチップパッケージ１８と回路基板１９との接合部４２の拡大図である。

本実施例３では、リードフレーム３３と回路基板１９に設けられた電極４４を導電性接着剤３７で接着することで電気的に接続される。実施例３における回路基板１９に設けられた電極部は導電性接着剤３７を用いた接着シート状となっている。

本実施例３によれば、実施例１と同様な効果を得ることができる他、以下のような効果がある。

レーザー溶接など、溶接領域が小さい溶接方法では、流量計測精度への影響が小さい場合であっても、溶接強度の信頼性への影響が大きくなってしまうが、導電性接着剤３７による接着であれば、溶接に比べて接着面積を大きくすることができるので、接着強度の信頼性を向上できる。

さらに、製造上の搭載ばらつきによってリードフレーム３３と回路基板１９上の電極部の接着面が完全に一致しない場合(ずれが生じた場合)であっても、溶接よりも、搭載ばらつきを緩和することができるので、製造しやすいという利点がある。

（実施例４）
次に、実施例４について図１０から図１３を用いて説明する。実施例１から実施例３と同様の構成については説明を省略する。

図１０は、実施例４におけるチップパッケージ１８を回路基板１９に搭載する前の状態を示す図であり、図１１は、チップパッケージ１８を回路基板１９に搭載した後の状態を示す図である。

また、図１２は、チップパッケージ１８が回路基板１９に実装された状態を示す図であり、図１３は、図１２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本実施例４では、チップパッケージ１８がハウジング７にオーバーモールドされており、かつ、チップパッケージ１８にはオーバーモールドしたハウジング７を回路基板１９に実装するときに、回路基板１９に対して位置決めをするための位置決めピン３８が設けられている。

また、回路基板１９には、回路基板１９をカバー２９に実装するときに用いられる位置決め穴３５とは別に位置決めピン３８を挿入するための位置決め穴３９が１つ以上設けられており、チップパッケージ１８をオーバーモールドしたハウジング７の位置決めをする。

本実施例４によれば、実施例１と同様な効果が得られる他、以下のような効果を得ることができる。

測定精度に影響するチップパッケージ１８とハウジング７に設けられた副通路３０との位置関係はオーバーモールドによって決まっているが、位置決めピン３８を挿入するための位置決め穴３９により、電気的接続をするための、リードフレーム３３と回路基板１９上の電極との実装精度を向上させることができる。これにより、接続信頼性を向上することができる。

（実施例５）
次に、実施例５について図１４を用いて説明する。なお、実施例１から実施例４と同様の構成については、説明を省略する。

基本的な構成は、実施例４と同じあるが、回路基板１９に設けられた位置決め穴３９ではなく、図１４に示すように位置決め溝４０（凹部）に位置決めピン３８が挿入されることによって回路基板１９の位置決めする構成である。

実施例４の場合のように、位置決め穴３９を形成する場合は、穴３９には、配線パターンを形成することは困難であるため、穴３９を迂回して配線パターンを形成する必要がある。

実施例５のような位置決め溝４０であれば、溝部分にも、配線パターンを形成することができ、実施例４と比較して、回路基板１９の小型化が可能である。

本実施例５によれば、位置決め穴３９ではなく、位置決め溝４０となっているので、回路基板１９内の配線パターンを迂回させる必要がなく、位置決め溝４０に形成することができる。よって、回路基板１９のコンパクト化が可能となる。また、配線パターンを簡易化できるので、低コスト化を実現することもできる。

なお、二段モールドされたチップパッケージ１８及びハウジング７と回路基板１９との位置決めは、実施例４及び実施例５に示した位置決めピン３８と位置決め穴３９、位置決めピン３８と位置決め溝４０に限らず、チッパッケージ１８と回路基板１９との位置決めするためのその他の構成の位置決め機構とすることができる。

例えば、実施例５は、位置決めピン３８が位置決め溝４０に挿入される例であるが、ピン３８ではなく、位置決め溝４０に沿って、この位置決め溝４０に挿入される断面が半円状又は四角形状の細長い凸状部とすることも可能である。なお、ピン３８も凸状部と定義することが可能である。

また、流量測定装置に搭載される物理量検査素子は、吸気温度センサ８、圧力センサ３１、および湿度センサ３２のうちの少なくとも一つであってよい。

上述した例は、内燃機関の気体流量測定装置（熱式流量測定装置）に適用した場合の例であるが、本発明は、内燃機関のみならず、例えば、医療用の呼吸検出装置にも適用可能である。

また、本発明は、熱式流量測定装置以外の流量測定装置にも適用可能である。

１・・・内燃機関制御システム、２・・・被計測気体、３・・・排気ガス、４・・・制御装置、５・・・副通路入り口、６・・・副通路出口、７・・・ハウジング、８・・・吸気温度センサ、９・・・流量検出素子、１０・・・内燃機関、１１・・・エンジンシリンダ、１２・・・エンジンピストン、１３・・・点火プラグ、１４・・・燃料噴射弁、１５・・・吸気弁、１６・・・排気弁、１７・・・回転角度センサ、１８・・・チップパッケージ、１９・・・回路基板、２０・・・物理量測定装置、２１・・・エアクリーナ、２２・・・主通路、２３・・・スロットルボディ、２４・・・吸気マニホールド、２５・・・スロットルバルブ、２６・・・スロットル角度センサ、２７・・・アイドルエアコントロールバルブ、２８・・・酸素センサ、２９・・・カバー、３０・・・副通路、３１・・・圧力センサ、３２・・・湿度センサ、３３・・・リードフレーム、３４・・・半田、３５・・・回路基板用位置決め穴、３６・・・溶接部、３７・・・導電性接着剤、３８・・・位置決めピン、３９・・・ハウジング用位置決め穴、４０・・・位置決め溝、４１・・・電極、４２・・・接合部、４３・・・穴、４４・・・電極

Claims (8)

1. 被計測気体が流れる通気流路と、
   前記通気流路に流れる前記被計測気体の流量を検出する流量検出素子を有するチップパッケージと、
   少なくとも一つの物理量検出素子を有し、前記チップパッケージと接続される回路基板と、
   前記チップパッケージ及び前記回路基板が配置され、前記通気流路を形成するためのハウジングと、
   を備え、
   前記チップパッケージは、前記ハウジングがモールド成形されるときに、前記流量検出素子が前記通気流路に位置するように位置決めされ、前記ハウジングに二段モールドされることを特徴とする流量測定装置。
2. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記物理量検出素子は、圧力検出素子、湿度検出素子又は温度検出素子であることを特徴とする流量測定装置。
3. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記チップパッケージは、外部に露出するリードフレームを有し、前記回路基板には、前記リードフレームが挿入される穴が形成され、前記リードフレームと前記回路基板とが半田によって接続されることを特徴とする流量測定装置。
4. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記チップパッケージは、外部に露出するリードフレームを有し、前記回路基板には、前記リードフレームが接続される電極が形成され、前記リードフレームと前記電極とがレーザー溶接によって接続されることを特徴とする流量測定装置。
5. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記チップパッケージは、外部に露出するリードフレームを有し、前記回路基板には、前記リードフレームが接続される電極が形成され、前記リードフレームと前記電極と導電性接着剤によって接続されることを特徴とする流量測定装置。
6. 請求項１、２，３、４のうちのいずれか一項に記載の流量測定装置において、
   前記ハウジングに二段モールドされた前記チッパッケージ及び前記回路基板は、前記チッパッケージと前記回路基板との位置決めするための位置決め機構を有することを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項６に記載の流量測定装置において、
   前記位置決め機構は、前記チップパッケージに形成された凸状部と、前記回路基板に形成され、前記凸状部が挿入される穴であることを特徴とする気体流量測定装置。
8. 請求項６に記載の流量測定装置において、
   前記位置決め機構は、前記チップパッケージに形成された凸状部と、前記回路基板に形成され、前記凸状部が挿入される凹部であることを特徴とする気体流量測定装置。

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