JP3013518B2 - 熱式流量センサ - Google Patents
熱式流量センサInfo
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- JP3013518B2 JP3013518B2 JP3176806A JP17680691A JP3013518B2 JP 3013518 B2 JP3013518 B2 JP 3013518B2 JP 3176806 A JP3176806 A JP 3176806A JP 17680691 A JP17680691 A JP 17680691A JP 3013518 B2 JP3013518 B2 JP 3013518B2
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- Japan
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- resistor
- temperature
- substrate
- flow sensor
- sensor chip
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱式抵抗を有する熱式流
量センサ、例えば内燃機関の吸入空気を検出するための
空気流量センサ（エアフローセンサ）に関するものであ
る。
量センサ、例えば内燃機関の吸入空気を検出するための
空気流量センサ（エアフローセンサ）に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、電子制御式内燃機関において
は、基本燃料量、基本点火時期等の制御のために機関の
吸入空気量は重要な運転状態パラメータの一つである。
従来、このような吸入空気量を検出するためのエアフロ
ーセンサとして温度依存抵抗を用いた熱式のものが実用
化されている。
は、基本燃料量、基本点火時期等の制御のために機関の
吸入空気量は重要な運転状態パラメータの一つである。
従来、このような吸入空気量を検出するためのエアフロ
ーセンサとして温度依存抵抗を用いた熱式のものが実用
化されている。
【０００３】従来の熱式流量センサは、吸気通路内に吸
気の一部を分流して流すバイパス路を形成し、そのバイ
パス路の中に発熱抵抗と温度補償抵抗とを支持してい
る。そして、発熱抵抗と温度補償抵抗とを含む平行ブリ
ッジ回路を構成し、発熱抵抗の温度が、温度補償抵抗の
温度より所定温度高くなるようにブリッジ回路への通電
量を帰還制御している。このため、吸気流量に応じた熱
が発熱抵抗から奪われても、その発熱抵抗の温度が維持
されるように電流量が調節され、この電流量を検出する
ことで吸気流量が検出される。
気の一部を分流して流すバイパス路を形成し、そのバイ
パス路の中に発熱抵抗と温度補償抵抗とを支持してい
る。そして、発熱抵抗と温度補償抵抗とを含む平行ブリ
ッジ回路を構成し、発熱抵抗の温度が、温度補償抵抗の
温度より所定温度高くなるようにブリッジ回路への通電
量を帰還制御している。このため、吸気流量に応じた熱
が発熱抵抗から奪われても、その発熱抵抗の温度が維持
されるように電流量が調節され、この電流量を検出する
ことで吸気流量が検出される。
【０００４】また、熱流量センサに用いられる抵抗体と
しては、白金線をそのまま用いるもの、白金線を円筒状
ボビンに巻いた巻線型のもの、あるいは絶縁基板上に白
金膜を形成したものなどが知られている。特に、絶縁基
板上に白金膜を形成するものとして、特開昭 61-188901
号公報に開示されたものが知られている。
しては、白金線をそのまま用いるもの、白金線を円筒状
ボビンに巻いた巻線型のもの、あるいは絶縁基板上に白
金膜を形成したものなどが知られている。特に、絶縁基
板上に白金膜を形成するものとして、特開昭 61-188901
号公報に開示されたものが知られている。
【０００５】このような従来技術に開示されているもの
として、図３に示されるようなセンサチップが知られて
いる。この図３はセンサチップの平面図を示し、この図
３では、白金膜がセンサチップの短方向の両端部でター
ンしながら蛇行して形成されている。そしてこのような
センサチップの表面温度分布は図４のグラフのようにな
り、センサチップ中央部で最も温度が高く、センサチッ
プ長方向の両端部に向かうに従って温度が低下してい
る。なお、図４のグラフは、縦軸をΔＴ×Δβとして示
しており、ΔＴは白金膜のターン部温度と検出対象の空
気温度との差（ΔＴ＝ターン部温度−空気温度）を示
し、Δβは抵抗体である白金膜の熱膨張率と基板の熱膨
張率との差（Δβ＝｜抵抗体熱膨張率−基板熱膨張率
｜）を示している。
として、図３に示されるようなセンサチップが知られて
いる。この図３はセンサチップの平面図を示し、この図
３では、白金膜がセンサチップの短方向の両端部でター
ンしながら蛇行して形成されている。そしてこのような
センサチップの表面温度分布は図４のグラフのようにな
り、センサチップ中央部で最も温度が高く、センサチッ
プ長方向の両端部に向かうに従って温度が低下してい
る。なお、図４のグラフは、縦軸をΔＴ×Δβとして示
しており、ΔＴは白金膜のターン部温度と検出対象の空
気温度との差（ΔＴ＝ターン部温度−空気温度）を示
し、Δβは抵抗体である白金膜の熱膨張率と基板の熱膨
張率との差（Δβ＝｜抵抗体熱膨張率−基板熱膨張率
｜）を示している。
【０００６】しかしながら、図３のようなセンサチップ
では経時抵抗値変化が大きいという問題点があった。こ
の経時抵抗値変化の原因として本発明者達は白金膜のク
ラックと結晶構造の変化とに着目した。本発明者達の実
験によると、センサチップ上の白金膜に生じるクラック
は、センサチップ中央部の高温部に多く、しかもターン
部の内側に多いことが確認された。このクラックの原因
としては、センサチップ高温部での白金膜と基板との熱
膨張の差が考えられ、特にターン部では電流が内側に集
中し、ターン部内側での発熱が多いためと考えられる。
また、従来のターン部が角形で電流経路が角状に曲がる
ことも電流の集中を助長していると考えられる。
では経時抵抗値変化が大きいという問題点があった。こ
の経時抵抗値変化の原因として本発明者達は白金膜のク
ラックと結晶構造の変化とに着目した。本発明者達の実
験によると、センサチップ上の白金膜に生じるクラック
は、センサチップ中央部の高温部に多く、しかもターン
部の内側に多いことが確認された。このクラックの原因
としては、センサチップ高温部での白金膜と基板との熱
膨張の差が考えられ、特にターン部では電流が内側に集
中し、ターン部内側での発熱が多いためと考えられる。
また、従来のターン部が角形で電流経路が角状に曲がる
ことも電流の集中を助長していると考えられる。
【０００７】図５は本発明者達の実験結果を示すグラフ
である。この実験では、センサチップ中央部の温度を空
気温度＋約２００°Ｋ（約２２５°Ｃ）に加熱する通電
を５万回繰り返し、実験後のターン部内側のクラック長
を測定した。なお、センサチップは基板材質に結晶化ガ
ラスを用い、抵抗材質には長さ６．２、幅０．５、厚さ
0.2(mm) の白金を用いた。図５のグラフは、抵抗パター
ンの温度及び形状を示す数値ΔＴ×Δβと、クラック長
との関係を示すが、このグラフからΔＴ×Δβ＝１．８
×１０-3付近を境にクラックの成長の度合いが急激に増
加していることがわかる。この実験の結果からもクラッ
ク長と温度との間に密接な関連があることがわかる。
である。この実験では、センサチップ中央部の温度を空
気温度＋約２００°Ｋ（約２２５°Ｃ）に加熱する通電
を５万回繰り返し、実験後のターン部内側のクラック長
を測定した。なお、センサチップは基板材質に結晶化ガ
ラスを用い、抵抗材質には長さ６．２、幅０．５、厚さ
0.2(mm) の白金を用いた。図５のグラフは、抵抗パター
ンの温度及び形状を示す数値ΔＴ×Δβと、クラック長
との関係を示すが、このグラフからΔＴ×Δβ＝１．８
×１０-3付近を境にクラックの成長の度合いが急激に増
加していることがわかる。この実験の結果からもクラッ
ク長と温度との間に密接な関連があることがわかる。
【０００８】本発明は上記のような従来技術の問題点に
鑑み、熱式流量センサを改良することを目的とし、特
に、本発明は、センサチップの経時抵抗値変化を抑制す
ることを目的とする。さらに本発明は、白金膜のクラッ
クの発生を抑制し、経時抵抗値変化を抑制して、薄膜白
金ヒータの信頼性をより一層向上させることを目的とし
てなされたものである。
鑑み、熱式流量センサを改良することを目的とし、特
に、本発明は、センサチップの経時抵抗値変化を抑制す
ることを目的とする。さらに本発明は、白金膜のクラッ
クの発生を抑制し、経時抵抗値変化を抑制して、薄膜白
金ヒータの信頼性をより一層向上させることを目的とし
てなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明によれば、矩形平板状基板の表面に抵抗体をパ
ターン形成しヒータ部兼温度検出部としてなる熱式流量
センサにおいて、該抵抗体は複数の直線状部と隣接する
該各直線状部の端部を交互に結ぶ円形状ターン部から構
成され、前記基板の長辺とほぼ平行に該直線状部の各抵
抗体を配置し、該円形状ターン部を該基板の短辺側に配
置した熱式流量センサが、さらには該センサにおいて、
該直線状部の各抵抗体を一本おきに互いに少し傾け、該
直線状部の間隔の広い方に該円形状ターン部を形成した
熱式流量センサが提供される。
に本発明によれば、矩形平板状基板の表面に抵抗体をパ
ターン形成しヒータ部兼温度検出部としてなる熱式流量
センサにおいて、該抵抗体は複数の直線状部と隣接する
該各直線状部の端部を交互に結ぶ円形状ターン部から構
成され、前記基板の長辺とほぼ平行に該直線状部の各抵
抗体を配置し、該円形状ターン部を該基板の短辺側に配
置した熱式流量センサが、さらには該センサにおいて、
該直線状部の各抵抗体を一本おきに互いに少し傾け、該
直線状部の間隔の広い方に該円形状ターン部を形成した
熱式流量センサが提供される。
【００１０】
【作用】本発明によれば抵抗体をセンサチップの長辺方
向にほぼ平行に配置することによって、電流が集中する
抵抗ターン部の内側は表面温度の低い短辺側（ΔＴ×Δ
βの値が１．８×１０-3以下）に配置され、また低温部
に配置されるターン部を円形状とすることによりターン
部内側の局所的な電流集中による発熱や熱応力によるパ
ターン伸縮等の影響を低減する。さらにはヒータ直線部
を一本おきに少し傾けることによって限られた面積内で
円形状抵抗ターン部の半径をより大きくとることが可能
となりより一層、電流集中や熱応力の影響が低減され
る。
向にほぼ平行に配置することによって、電流が集中する
抵抗ターン部の内側は表面温度の低い短辺側（ΔＴ×Δ
βの値が１．８×１０-3以下）に配置され、また低温部
に配置されるターン部を円形状とすることによりターン
部内側の局所的な電流集中による発熱や熱応力によるパ
ターン伸縮等の影響を低減する。さらにはヒータ直線部
を一本おきに少し傾けることによって限られた面積内で
円形状抵抗ターン部の半径をより大きくとることが可能
となりより一層、電流集中や熱応力の影響が低減され
る。
【００１１】
【実施例】以下に添付図面を参照して、本発明の一実施
例について詳細に説明する。図１は本発明による薄膜抵
抗１（センサチップ）の拡大図である。薄膜ヒータ１０
１は、基板１０２の表面に真空蒸着法、スパッタ法等に
より形成された導体薄膜でフォトリソグラフィ法により
所定のパターンを形成しヒータ部１０４、配線部を構成
する。代表的な材質と寸法はプラチナで厚さ０．５μｍ
である。基板１０２は薄膜ヒータ１０１を支持する基板
で、応答性向上のため低熱伝導率材料を使用し、代表的
な材質と寸法はガラス、セラミックで長さ６ｍｍ×幅
０．５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍである。薄膜ヒータ１０１
の表面にさらにスパッタ法等により保護膜（ＳｉＯ
2 等）が形成されている。コンタクトホール１０３はフ
ォトリソグラフィ法＋エッチングによりこの保護膜を除
去した部分であり、通電用端子である。ヒータ部１０４
の領域は長さ３ｍｍ×幅０．５ｍｍ程度である。断熱部
１０５は応答性向上のために、センサチップ中央部での
温度を高温に維持し、周囲への熱伝達を減少させて、こ
こで表面温度を大きく下げるべく設けられた領域であ
る。電極部１０６はセンサチップに通電を行う部分であ
る。
例について詳細に説明する。図１は本発明による薄膜抵
抗１（センサチップ）の拡大図である。薄膜ヒータ１０
１は、基板１０２の表面に真空蒸着法、スパッタ法等に
より形成された導体薄膜でフォトリソグラフィ法により
所定のパターンを形成しヒータ部１０４、配線部を構成
する。代表的な材質と寸法はプラチナで厚さ０．５μｍ
である。基板１０２は薄膜ヒータ１０１を支持する基板
で、応答性向上のため低熱伝導率材料を使用し、代表的
な材質と寸法はガラス、セラミックで長さ６ｍｍ×幅
０．５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍである。薄膜ヒータ１０１
の表面にさらにスパッタ法等により保護膜（ＳｉＯ
2 等）が形成されている。コンタクトホール１０３はフ
ォトリソグラフィ法＋エッチングによりこの保護膜を除
去した部分であり、通電用端子である。ヒータ部１０４
の領域は長さ３ｍｍ×幅０．５ｍｍ程度である。断熱部
１０５は応答性向上のために、センサチップ中央部での
温度を高温に維持し、周囲への熱伝達を減少させて、こ
こで表面温度を大きく下げるべく設けられた領域であ
る。電極部１０６はセンサチップに通電を行う部分であ
る。
【００１２】センサチップ１は両端に図示せぬリード線
が電極部１０６と導通して設けられる。そして、リード
線を介して吸気通路の中に支持される。例えば、内燃機
関の吸気通路内に小径のバイパス通路を設置し、そのバ
イパス通路内に２本の支持ピンを設置し、この２本の支
持ピンの間にリード線を介してセンサチップを支持する
ことができる。
が電極部１０６と導通して設けられる。そして、リード
線を介して吸気通路の中に支持される。例えば、内燃機
関の吸気通路内に小径のバイパス通路を設置し、そのバ
イパス通路内に２本の支持ピンを設置し、この２本の支
持ピンの間にリード線を介してセンサチップを支持する
ことができる。
【００１３】本発明を特徴づける長方形状のヒータ部１
０４は、その長手方向に程平行な直線部と、ヒータ部１
０４の短辺側に配置され、その各々の直線部を結ぶ円形
状のターン部からなる抵抗体パターンから構成される。
これから明らかなように、図２のセンサチップの表面温
度分布に関しては、電流集中の発生しやすいターン部が
センサチップ表面の温度の低い端部に配置され、よって
前記条件ΔＴ×Δβ＜１．８×１０-3を満足することが
可能となる。又、直線部の線幅が同じ場合には直線部の
方向をヒータ部１０４の長手方向に一致させた方が抵抗
値変動を起こしやすいターン部の数が減らせ、さらには
円形状ターン部は角形状ターン部と比較して局所的な電
流集中が発生しにくい等、クラック発生原因を十分に低
減することが可能となる。
０４は、その長手方向に程平行な直線部と、ヒータ部１
０４の短辺側に配置され、その各々の直線部を結ぶ円形
状のターン部からなる抵抗体パターンから構成される。
これから明らかなように、図２のセンサチップの表面温
度分布に関しては、電流集中の発生しやすいターン部が
センサチップ表面の温度の低い端部に配置され、よって
前記条件ΔＴ×Δβ＜１．８×１０-3を満足することが
可能となる。又、直線部の線幅が同じ場合には直線部の
方向をヒータ部１０４の長手方向に一致させた方が抵抗
値変動を起こしやすいターン部の数が減らせ、さらには
円形状ターン部は角形状ターン部と比較して局所的な電
流集中が発生しにくい等、クラック発生原因を十分に低
減することが可能となる。
【００１４】又、図１に示されるように、ヒータ直線部
の長手方向の向きを一本おきに少し傾けることによっ
て、限られたセンサチップ面積内で円形状ターン部の半
径をより大きく取ることができ、さらに局所的な電流集
中の発生を抑えることができる。なお、基板１０２には
ガラスの他にアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3)やムライト（３Ａｌ
2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ3)等を使用してもよく、またガラス基
板１０２の両面に対して前記薄膜抵抗パターンを形成す
ることも可能である。
の長手方向の向きを一本おきに少し傾けることによっ
て、限られたセンサチップ面積内で円形状ターン部の半
径をより大きく取ることができ、さらに局所的な電流集
中の発生を抑えることができる。なお、基板１０２には
ガラスの他にアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3)やムライト（３Ａｌ
2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ3)等を使用してもよく、またガラス基
板１０２の両面に対して前記薄膜抵抗パターンを形成す
ることも可能である。
【００１５】
【発明の効果】以上、述べたように本発明によれば、薄
膜白金ヒータの経時抵抗変化の原因たる高温部の配置的
要因及び電流集中の起きやすい抵抗パターンのターン部
内側という形状的要因の双方が考慮され、膜のクラック
発生を可能な限り低減することが可能となる。これによ
って過酷な条件で動作するエアフローセンサの信頼性が
一層向上し、長期にわたって安定に使用することができ
る。
膜白金ヒータの経時抵抗変化の原因たる高温部の配置的
要因及び電流集中の起きやすい抵抗パターンのターン部
内側という形状的要因の双方が考慮され、膜のクラック
発生を可能な限り低減することが可能となる。これによ
って過酷な条件で動作するエアフローセンサの信頼性が
一層向上し、長期にわたって安定に使用することができ
る。
【図１】本発明によるセンサチップ表面のヒートパター
ンを示す薄膜抵抗の拡大図である。
ンを示す薄膜抵抗の拡大図である。
【図２】図１のセンサチップの動作時における表面温度
分布図である。
分布図である。
【図３】従来のセンサチップ表面のヒートパターンを示
す薄膜抵抗の拡大図である。
す薄膜抵抗の拡大図である。
【図４】図３のセンサチップの動作時における表面温度
分布図である。
分布図である。
【図５】抵抗パターン温度及び形状とクラック長の関係
を示す特性図である。
を示す特性図である。
１…薄膜抵抗 １０１…薄膜ヒータ １０２…基板 １０３…コンタクトホール １０４…ヒータ部 １０５…断熱部 １０６…電極部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/68 G01P 5/12
Claims (2)
- 【請求項１】 矩形平板状基板表面に抵抗体をパターン
形成しヒータ部兼温度検出部としてなる熱式流量センサ
において、該抵抗体は複数の直線状部と、隣接する各該
直線状部の端部を交互に結ぶ円形状ターン部から構成さ
れ、該直線状部の各抵抗体を前記基板の長辺とほぼ平行
に配置し、該円形状ターン部を該基板の短辺側に配置
し、該直線状部の抵抗体を一本おきに互いに少し傾け該
直線状部の間隔の広い方に該円形状ターン部を形成した
ことを特徴とする熱式流量センサ。 - 【請求項２】 前記ターン部の動作温度及び前記抵抗体
と基板の材質が（ターン部温度−空気温度） ×｜抵抗体熱膨張率−基板
熱膨張率｜＜１．８×１０-3 の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の熱式流
量センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3176806A JP3013518B2 (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 熱式流量センサ |
| US07/910,844 US5321382A (en) | 1991-07-08 | 1992-07-07 | Thermal type flow rate sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3176806A JP3013518B2 (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 熱式流量センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0526707A JPH0526707A (ja) | 1993-02-02 |
| JP3013518B2 true JP3013518B2 (ja) | 2000-02-28 |
Family
ID=16020168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3176806A Expired - Lifetime JP3013518B2 (ja) | 1991-07-08 | 1991-07-17 | 熱式流量センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3013518B2 (ja) |
-
1991
- 1991-07-17 JP JP3176806A patent/JP3013518B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0526707A (ja) | 1993-02-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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|
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|
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| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
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