JP2022170129A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】回路室を封止した封止部にクラックが発生することを抑えることができる熱式空気流量計を提供する。【解決手段】熱式空気流量計３０のハウジング本体４５には、副通路４１の一部を構成する副通路溝４１ａと、副通路溝４１ａの深さ方向ｄの両側において開口部４２ａ、４２ｂを有した回路室４２とが形成されている。ハウジング４０は、カバー４６で、一方側から副通路溝４１ａを覆うことにより、副通路４１を形成するとともに、回路室４２の一方の開口部４２ａを覆う。封止部５０は、回路室４２の他方の開口部４２ｂから、ハウジング本体４５と異なる材料からなる封止樹脂を導入することにより形成されたものである。他方の開口部４２ａから一方の開口部４２ｂに向かって形成された回路室４２の側壁４７には、回路室４２の内側に向かって突出した突出部４８が形成されている。【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、熱式空気流量計に関する。

従来から、自動車用エンジンなどの内燃機関の吸気通路には、吸入空気量を測定する熱式空気流量計が設けられている。たとえば、特許文献１には、カバーを取付けて副通路が形成されるハウジングと、ハウジングに取付けられ、流量検出素子を有したチップパッケージと、チップパッケージに接続された回路基板と、を備えた熱式空気流量計が提案されている。流量検出素子は、ハウジングの副通路に配置され、回路基板は、ハウジングに設けられた回路室に収容されている。回路室は、ハウジングの両側にカバーを取付けることにより、密閉されている。

特開２０１７－０８３３２０号公報

ここで、特許文献１に記載の熱式空気流量計に対して、部品点数の削減の観点から、ハウジングに形成された回路室の一方側をカバーで覆い、回路室の他方側を封止樹脂で封止した封止部を設けた構造が考えられる。しかしながら、ハウジングの材料と封止樹脂とは、異なる材料であるため、線膨張係数が異なる。したがって、封止部とハウジングとに、熱膨張および熱収縮時に、封止部とハウジングとの間に課題な応力は発生し、封止部にクラックが発生することが想定される。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、回路室を封止した封止部にクラックが発生することを抑えることができる熱式空気流量計を提供することにある。

本発明に係る熱式空気流量計は、流量検出素子が搭載されたパッケージと、前記パッケージに接続された回路基板と、前記流量検出素子が配置された副通路と、前記回路基板を収容する回路室と、が形成されたハウジングと、前記回路室を封止する封止部と、を備え、前記ハウジングは、ハウジング本体と、該ハウジング本体に一方側から取付けられるカバーと、を備えており、前記ハウジング本体には、前記副通路の一部を構成する副通路溝と、該副通路溝の深さ方向の両側において開口部を有した前記回路室とが形成されており、前記ハウジングは、前記カバーで、前記一方側から前記副通路溝を覆うことにより、前記副通路を形成するとともに、前記回路室の一方の開口部を覆い、前記封止部は、前記回路室の他方の開口部から、前記ハウジング本体と異なる材料からなる封止樹脂を導入することにより形成されたものであり、前記他方の開口部から前記一方の開口部に向かって形成された前記回路室の側壁には、前記回路室の内側に向かって突出した突出部が形成されている。

本発明によれば、回路室を封止した封止部にクラックが発生することを抑えることができる。

内燃機関制御システムに本発明に係る熱式空気流量計を使用した一実施例を示すシステム図。 図１に示す熱式空気流量計の背面図。 図２におけるＡ-Ａ断面図。 図２に示す熱式空気流量計においてカバーを外した状態の正面図。 図３に示す熱式空気流量計において、封止部を設ける前の背面図。 図３のＢ部の拡大図。 図６Ａに示す熱式空気流量計の変形例１に係る要部拡大図。 図６Ａに示す熱式空気流量計の変形例２に係る要部拡大図。 図６Ａに示す熱式空気流量計の変形例３に係る要部拡大図。 本実施形態の比較となる図６Ａに相当する部分の拡大図。 図７Ａに示す封止部のクラック発生のイメージ図。

以下に説明する、発明を実施するための形態（以下、実施例）は、実際の製品として要望されている種々の課題を解決しており、特に車両の吸入空気を検出する熱式空気流量計として使用するために望ましい色々な課題を解決し、種々の効果を奏している。下記実施例が解決している色々な課題の内の一つが、上述した発明が解決しようとする課題の欄に記載した内容であり、また下記実施形態およびその変形例が奏する種々の効果のうちの１つが、発明の効果の欄に記載された効果である。下記実施例が解決している色々な課題について、さらに下記実施例により奏される種々の効果について、下記実施例の説明の中で述べる。従って、下記実施例の中で述べる、実施例が解決している課題や効果は、発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄の内容以外の内容についても記載されている。

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。

図１は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム１に、本実施形態に係る熱式空気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、主通路である例えば吸気ボディと、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、熱式空気流量計３０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、本実施例では、燃料噴射弁１４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被計測気体２と共に混合気を成形し、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から取り込まれ主通路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熱式空気流量計３０により検出され、熱式空気流量計３０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１０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、熱式空気流量計３０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、実際にはさらに熱式空気流量計３０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熱式空気流量計３０の出力を主パラメータとして演算される。従って、熱式空気流量計３０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、熱式空気流量計３０により検出され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、熱式空気流量計３０が高い信頼性を維持していることも大切である。

熱式空気流量計３０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。熱式空気流量計３０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、熱式空気流量計３０は、内燃機関１０からの発熱の影響を受ける吸気管２２に装着される。このため、内燃機関１０の発熱が吸気管２２を介して熱式空気流量計３０に伝わる。熱式空気流量計３０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。

車に搭載される熱式空気流量計３０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。熱式空気流量計３０が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施例の記載の中で説明する。

まず、図２～図５を参照しながら、本実施形態による熱式空気流量計（発熱抵抗式流量測定装置）２０の全体構成について説明する。図２に示すように、熱式空気流量計３０は、ハウジング４０を有しており、ハウジング４０に形成されたフランジ３７を介して吸気管２２に取付けられている。熱式空気流量計３０には、コネクタ３９が設けられており、吸気管２２の外部において、外部機器と電気接続させている。

図４に示すように、ハウジング４０には、吸気管２２に形成された主通路から流れる被計測気体２の流量を計測するための副通路４１が形成されいる。熱式空気流量計３０は、流量検出素子３１が搭載されたパッケージ（チップパッケージ）３２と、パッケージ３２に接続された回路基板３３を備えている。

パッケージ３２は、リードフレーム（図示せず）を有しており、流量検出素子３１およびＬＳＩ（図示せず）等がリードフレームに搭載された状態で、流量検出部分（ダイアフラム）およびリードフレームの端子等が露出するように、リードフレームおよび流量検出素子３１が樹脂で封止されたものである。図４に示すように、回路基板３３は、上述したパッケージ３２のリードフレームの端子に接続部３８を介して電気的に接続されいる。

ハウジング４０には、上述した副通路４１と、回路基板３３を収容する回路室４２と、が形成されている。パッケージ３２は、副通路４１に突出するように、ハウジング４０に実装されている。具体的には、パッケージ３２は、副通路４１に流量検出素子３１が配置され、回路室４２に回路基板３３が収容さるように、ハウジング４０に取付けられている。

図３に示すように、回路基板３３はコネクタ端子３５にアルミワイヤ（図示せず）等を介して電気的に接続されており、流量検出素子３１により検出した流量の信号を、回路基板３３を介して出力する。本実施形態では、後述するように、回路室４２は、封止部５０で封止されている。

本実施形態では、ハウジング４０は、ハウジング本体４５と、ハウジング本体４５に一方側から取付けられるカバー４６と、を備えている。図４に示すように、ハウジング本体４５には、副通路４１の一部を構成する副通路溝４１ａが形成されている。

さらに、図４および図５に示すように、ハウジング本体４５には、副通路溝４１ａの深さ方向ｄの両側において開口部４２ａ、４２ｂを有した回路室４２が形成されている。回路室４２は、開口部４２ａ、４２ｂを貫通した貫通部により形成されており、回路室４２の内部空間に、回路基板３３の主要部が配置されている。

本実施形態では、図３および図４に示すように、ハウジング４０は、カバー４６で、一方側から副通路溝４１ａを覆うことにより、副通路４１を形成するとともに、回路室４２の一方の開口部４２ａを覆っている。これにより、回路室４２には、副通路溝４１ａが形成された側（一方側とは反対の他方側）に、図５に示すように他方の開口部４２ｂ側に開放した空間が形成される。

本実施形態では、回路室４２に回路基板３３を封止するように、封止部５０が形成されている。封止部５０は、図５に示す回路室４２の他方の開口部４２ｂから、ハウジング本体４５と異なる材料からなる封止樹脂を、回路室４２に導入することにより形成されたものである。封止部５０の構成する封止樹脂は、エポキシ樹脂などの硬化性樹脂であり、ハウジング４０を構成する材料（樹脂）よりも、線膨張係数が大きい樹脂が用いられている。

ところで、図７Ａに示すように、回路室４２の深さ方向Ｄに沿って側壁４７を形成する場合を想定する。このような場合、封止部５０の厚さは、ハウジング本体４５に隣接した近傍においても、ハウジング本体４５の他方の開口部４２ｂから一方側に開口部４２ａに向かう方向（回路室４２の深さ方向Ｄ）に沿って、封止部５０の厚くなる。なお、回路室４２の深さ方向Ｄは、上述した副通路溝４１ａの深さ方向ｄとは反対方向である。

ここで、ハウジング本体４５を構成する材料と封止部５０を構成する材料が異なると、これらの線膨張係数が異なる。このような場合、回路室４２の長さ方向Ｌなど、回路室４２の深さ方向Ｄと直交する面内方向における熱膨張・熱収縮により、ハウジング本体４５と、封止部５０との界面に熱膨張係数差に起因した過大な熱応力が作用することがある。

特に、回路室４２の深さ方向Ｄの内部で、このような熱応力が発生し易く、これにより、封止部５０にクラックＣが発生する場合が想定される。たとえば、図５に示すような、平面視において、回路室４２が矩形状である場合には、封止部５０は、長辺方向に沿って封止部５０の熱膨張量および熱収縮量が大きく、フランジ３７側の封止部５０は、ハウジング本体４５との熱膨張差および熱収縮差も大きくなり、図７Ｂに示すような位置にクラックＣが伸展し易い。

封止部５０で伸展したクラックＣが、表面から回路基板３３にまで到達すると、外気から吸気管２２内に侵入した水等により電飾し導通不良を起こす可能性がある。そこで、導通不良を起こさないために、先行技術に示すように、回路室４２を気密するべく回路室４２の両側からカバーを挟み込み、カバーをハウジング本体に溶着もしくは接着することで、回路室内を密封することも考えられる。しかしながら、この場合には、新たなカバーを設けるため、部品点数が多くなり、熱式空気流量計の製造コストが増加してしまうおそれがある。

このような点を鑑みて、本実施形態に係る熱式空気流量計では、図６Ａ～図６Ｄに示す構造を採用している。具体的には、図６Ａに示すように、ハウジング本体４５と封止部５０の界面において、他方の開口部４２ｂから一方の開口部４２ａに向かって形成された回路室４２の側壁４７には、回路室４２の内側に向かって突出した突出部４８が形成されている。突出部４８は、回路室４２を周回するように側壁４７の周方向に沿って形成されている。本実施形態では、突出部４８には、一方の開口部４２ａから他方の開口部４２ｂに進むに従って、回路室４２の内側に突出するように傾斜した傾斜面４８ａが形成されている。ここで、傾斜面４８ａの傾斜角度θは、たとえば、ｃｏｓθ≦０．６８であるとよい。

このように、本実施形態では、回路室４２の内側に向かって突出した突出部４８が形成されているので、回路室４２の長辺方向Ｌを含む面内方向の封止部５０の長さを短くすることができるため、熱収縮および熱収縮時において、発生する封止部５０への過大な熱応力を低減でき、クラックの発生を抑制することができる。

さらに、図６Ａでは、突出部４８には、一方の開口部４２ａから他方の開口部４２ｂに進むに従って、傾斜した傾斜面４８ａが形成されているため、回路室４２の深さ方向Ｄに沿って側壁４７が、緩やかに深くなる形状となる。これにより、ハウジング本体４５と封止部５０との界面に応力集中することを回避することができる。

さらに、図６Ｂに示す変形例１のように、側壁４７は、突出部４８により段差形状となっていてもよい。これにより、回路室４２の内側に向かって突出した突出部４８が形成されているので、回路室４２の長辺方向Ｌを含む面内方向の封止部５０の長さを短くすることができるため、熱収縮および熱収縮時において、発生する封止部５０への過大な熱応力を低減でき、クラックの発生を抑制することができる。

さらに、図６Ｃに示す変形例２に示すように、突出部４８には、一方の開口部４２ａから他方の開口部４２ｂに進むに従って、回路室４２の内側に突出するように傾斜した傾斜面４８ａが形成され、傾斜面４８ａは、前記回路室４２の内側に向かって膨らむように形成された曲面であってもよい。さらに、図６Ｄに示す変形例３に示すよう、側壁４７は、深さ方向に沿って曲線状の傾斜面４８ａを有しており、突出部４８の先端部分において、回路室４２に向かって膨らむような曲面を有してもよい。

変形例２および３の場合も同様に、回路室４２の内側に向かって突出した突出部４８が形成されているので、回路室４２の長辺方向Ｌを含む面内方向の封止部５０の長さを短くすることができるため、熱収縮および熱収縮時において、発生する封止部５０への過大な熱応力を低減でき、クラックの発生を抑制することができる。

さらに、傾斜面４８ａは膨らむように形成されているため、回路室４２の深さ方向Ｄに沿って側壁４７が、緩やかに深くなる形状となる。これにより、ハウジング本体４５と封止部５０との界面に応力集中することを回避することができる。特に、変形例３に示すように、突出部４８の先端部分を膨らむような曲面としたことにより、先端部分における応力集中をより一層回避することができる。

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。

３０：熱式空気流量計、３１：流量検出素子、３２：パッケージ、３３：回路基板、４０：ハウジング、４１：副通路、４１ａ：副通路溝、４２：回路室、４２ａ，４２ｂ：開口部、４５：ハウジング本体、４６：カバー、４７：側壁、４８：突出部、４８ａ：傾斜面、５０：封止部

Claims (4)

1. 流量検出素子が搭載されたパッケージと、
   前記パッケージに接続された回路基板と、
   前記流量検出素子が配置された副通路と、前記回路基板を収容する回路室と、が形成されたハウジングと、
   前記回路室を封止する封止部と、を備え、
   前記ハウジングは、ハウジング本体と、該ハウジング本体に一方側から取付けられるカバーと、を備えており、
   前記ハウジング本体には、前記副通路の一部を構成する副通路溝と、該副通路溝の深さ方向の両側において開口部を有した前記回路室とが形成されており、
   前記ハウジングは、前記カバーで、前記一方側から前記副通路溝を覆うことにより、前記副通路を形成するとともに、前記回路室の一方の開口部を覆い、
   前記封止部は、前記回路室の他方の開口部から、前記ハウジング本体と異なる材料からなる封止樹脂を導入することにより形成されたものであり、
   前記他方の開口部から前記一方の開口部に向かって形成された前記回路室の側壁には、前記回路室の内側に向かって突出した突出部が形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 前記突出部には、前記一方の開口部から前記他方の開口部に進むに従って、傾斜した傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式空気流量計。
3. 前記傾斜面は、前記回路室の内側に向かって膨らむように形成された曲面を含むこと特徴とする請求項２に記載の熱式空気流量計。
4. 前記側壁は、前記突出部により段差形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の熱式空気流量計。
   

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