JP3671393B2 - 感熱式流量センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱体を備え、発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体への伝熱現象に基づいて流体の流速あるいは流量を計測する感熱式流量センサに関するものであり、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来の感熱式流量センサに用いられる検出素子を示す平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
図９および図１０において、平板状基板１は厚さ約０．４ｍｍのシリコン基板よりなり、その表面に厚さ１μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜２がスパッタ、ＣＶＤ等の方法で形成され、さらに白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体４が支持膜２上に形成されている。この発熱体４は、厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜を蒸着やスパッタ等の方法で支持膜２上に着膜し、写真製版、ウエットあるいはドライエッチング等の方法を用いて該感熱抵抗膜をパターニングすることにより、電流路を形成するように構成されている。また、同様に白金等の感熱抵抗膜よりなる流体温度検出体５が発熱体４から離れて支持膜２上に形成されている。この流体温度検出体５は、厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜を蒸着やスパッタ等の方法で支持膜２上に着膜し、写真製版、ウエットあるいはドライエッチング等の方法を用いて該感熱抵抗膜をパターニングすることにより、電流路を形成するように構成されている。さらに、発熱体４および流体温度検出体５の上には厚さ１μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の保護膜３がスパッタ、ＣＶＤ等の方法で形成されている。
【０００３】
発熱体４は、接続パターン９ａ、９ｂ、リードパターン７ａ、７ｄを経て検出素子の外部との電気的接続を行うための電極８ａ、８ｄとつながっている。また、流体温度検出体５はリードパターン７ｂ、７ｃを経て検出素子の外部との電気的接続を行うための電極８ｂ、８ｃとつながっている。電極８ａ〜８ｄの部分はワイヤボンド等の方法で外部と電気的に接続するために保護膜３が除去されている。
さらに、キャビティ１３が発熱体４の形成領域下部に形成されて、流量検出用ダイアフラム１２が構成されている。つまり、裏面保護膜１０が平板状基板１の裏面（支持膜２が形成されている面とは逆の面）に形成され、ついで発熱体４の形成領域の裏側の位置において、写真製版等の方法で裏面保護膜１０を部分的に除去してエッチングホール１１を形成する。その後、エッチングホール１１から露出する平板状基板１に例えばアルカリエッチング等を施し、平板状基板１の一部を除去してキャビティ１３を形成することによって流量検出用ダイアフラム１２が構成されている。
このように構成された検出素子１４は、流量検出用ダイアフラム１２が計測流体の流れにさらされるように配置される。なお、図中、矢印６は計測流体の流れの方向を示している。
【０００４】
ところで、検出素子１４は上述のように平板状の形状をしているが、ダイアフラム１２が計測流体の流れの方向に直交するように配置された場合には、ダイアフラム１２に風圧が加わり、計測流体の高速流時にダイアフラム１２の破損が発生したり、あるいは、計測流体内のダストがダイアフラム部に堆積して、発熱体４から計測流体への伝熱量が変化して検出流量のドリフトが発生する。そのような場合には、平板状の検出素子１４は計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置される。
また、平板状の検出素子１４を計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置する場合には、キャビティ１３近傍における計測流体の流れに乱れが発生したり、またチッピングなどに起因する検出素子１４の前縁部の形状バラツキによって発熱体４近傍における計測流体の流れにバラツキが発生してしまう。この発熱体４近傍における計測流体の流れのバラツキは流量検出特性の精度を低下させることにつながる。
【０００５】
そこで、平板状の検出素子１４を計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置する場合における上述の不具合を解決するために、検出素子を平板状の支持体に設けられた凹部内に配置することが、例えば特開平１１−３２６０００号公報などに提案されている。
図１１は特開平１１−３２６０００号公報に記載された従来の検出素子の支持構造を示す要部斜視図である。
図１１において、支持体１６は、平板状に形成され、ベース部材２０に取り付けられている。そして、検出素子１４よりも少し大きい外形形状を有する凹部１８が支持体１６の表面に設けられている。検出素子１４は、その表面が支持体１６の表面とほぼ同じ面位置となるように凹部１８内に配設されている。そして、検出素子１４の電極８ａ〜８ｄがベース部材２０に配設されたリード線１７にワイヤ１９により電気的に接続されている。さらに、カバー２１がベース部材２０に取り付けられ、電極８ａ〜８ｄやワイヤ１９がカバー２１によって保護されている。
これにより、キャビティ１３近傍に発生する計測流体の流れの乱れが抑えられ、また支持体１６の上流側端部の円弧形状により計測流体の流れが整流され、検出素子１４の前縁部の形状バラツキによって発生する発熱体４近傍における計測流体の流れのバラツキが低減される。
【０００６】
ついで、検出素子１４を用いた計測流体の流量検出方法について説明する。
流体温度検出体５は、ダイアフラム部１２から離間してしているので、発熱体４で発生した熱は流体温度検出体５まで伝導しない。また、流体温度検出体５は発熱体４の下流側に位置していないので、流体温度検出体５は発熱体４からの伝熱により暖められた計測流体に曝されない。そこで、流体温度検出体５で検出される温度は計測流体の温度とほぼ等しくなっている。
そして、発熱体４は、図１２に示される検出回路によって、流体温度検出体５で検出された計測流体の温度に対して所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い平均温度となるような抵抗値に制御されている。検出回路は流体温度検出体５と発熱体４を含むブリッジ回路で構成されている。図中、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は固定抵抗、ＯＰ１、ＯＰ２は演算増幅器、ＴＲ１、ＴＲ２はトランジスタ、ＢＡＴＴは電源である。そして、流体温度検出体５と発熱体４とを除く検出回路は、検出回路基板（図示せず）に構成されている。
この検出回路は、図中のａ点とｂ点の電位を略等しくするように働き、発熱体４への通電電流Ｉｈを制御する。計測流体の流速が速くなると、発熱体４から計測流体への熱伝達量が多くなるため、発熱体４の温度が低下する。そこで、発熱体４の平均温度を計測流体の温度より所定温度だけ高い値に保つ時の通電電流Ｉｈは増加する。この通電電流を抵抗Ｒ３の両端で電圧Ｖｏｕｔとして検出すると、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量信号が得られる。
【０００７】
ここで、発熱部４の温度をＴｈ、計測流体の温度をＴａ、発熱体４の抵抗値をＲｈ、発熱体４への通電電流をＩｈ、検出素子１４が配置された通路を流れる計測流体の流量をＱｍとすると、式（１）が成り立つ。
Ｉｈ2・Ｒｈ＝（ａ＋ｂ・Ｑｍn）・（Ｔｈ−Ｔａ） ・・・（１）
但し、ａ、ｂおよびｎは検出素子の形態や配置によって決まる定数である。
そこで、（Ｔｈ−Ｔａ）／ＲｈをＴａに拘わらず一定とすることにより、ＩｈはＱｍの関数となる。そして、Ｉｈに相当する出力が感熱式流量センサの検出流量出力となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示される従来の検出素子の支持構造においては、以下の課題がある。
計測流体の温度が変化する場合、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の真の温度に速やかに追従して、発熱体４の温度を計測流体の温度変化に応じて変化させないと、感熱式流量センサの流量検出値に誤差が発生することになる。例えば、計測流体の温度が上昇した場合、流体温度検出体５の検出温度に遅れが発生すると、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の真の温度より低くなり、発熱体の温度は本来制御されるべき所定温度より低くなってしまう。つまり、発熱体４への通電電流が本来制御されるべき電流値より小さくなってしまう。そこで、発熱体４への通電電流に基づく流量検出値は、実際の計測流体の流量よりも低い値を示すことになる。
しかし、流体温度検出体５の検出温度は、支持体１６がもつ熱容量により、計測流体の真の温度に即座に追従できないので、この支持構造では、感熱式流量センサの流量検出値の誤差を抑えることはできない。
【０００９】
そこで、流体温度検出体５の温度検出の追従性に対する支持体１６がもつ熱容量の影響を抑えるために、流体温度検出体が形成された検出素子の一端側を支持体から延出させて検出素子を支持体に支持させる検出素子の支持構造が、例えば特開平１０−２７７３号公報に提案されている。しかし、この検出素子の支持構造においては、支持体が発熱体近傍でなくなっているので、計測流体の流れが支持体先端部や検出素子先端部で乱れることになる。そして、発熱体がこの計測流体の流れの乱れの影響を受け、流量検出値が乱れるという課題が生じてしまう。
【００１０】
特に自動車用内燃機関の吸気流量を計測する感熱式流量センサにおいては、トンネルの出入り口などで吸気温度が急変する場合があり、この吸気温度の変化に速やかに追従できることが必要となる。
また、自動車用内燃機関の吸気流量を計測する感熱式流量センサは、エアクリーナケースとスロットル弁とを連結する配管に配設される。一般には、このような配管は、感熱式流量センサの上下流において、理想的な直管ではないため、流速分布や流れの方向が不均一なものとなる。このような自動車用内燃機関の吸気流量を計測する用途においては、発熱体（流量検出部）近傍で計測流体の流れの剥離や渦が発生しやすい検出素子の支持構造では、安定な流量計測が困難となる。
【００１１】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、計測流体を流体温度検出体の形成領域下部に導いて強制対流熱伝達により流体温度検出体の形成領域を計測流体温度に速やかになじませるようし、流量検出信号に悪影響を与えることなく、計測流体の温度が変化しても正確な流量を計測できる感熱式流量センサを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る感熱式流量センサは、感熱抵抗膜よりなる発熱体および流体温度検出体が平板状基板の表面に互いに離間して形成され、流量検出用ダイアフラムが該発熱体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されている検出素子と、上記検出素子を収納する凹部が表面に形成され、該表面が計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなして配置される支持体とを備え、上記検出素子がその表面を上記支持体の表面とほぼ同じ面位置となるように、かつ、上記発熱体と上記流体温度検出体との配列方向を上記計測流体の流れ方向に対して直交するように上記凹部内に収納されて上記支持体に支持されている感熱式流量センサであって、溝方向を上記計測流体の流れ方向とする溝が、上記支持体の上記計測流体の流れ方向の上流側端部から、上記検出素子の上記流体温度検出体の形成領域下部を通り、下流側端部に至るように上記支持体に設けられているものである。
【００１３】
また、上記流体温度検出体が上記平板状基板の一端側に形成され、上記検出素子が上記流体温度検出体の形成領域を含む上記検出素子の一端部を上記溝内に延出するように上記支持体に片持ちの形態に支持されているものである。
【００１６】
また、流体温度検出用ダイアフラムが上記流体温度検出体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されているものである。
【００１７】
また、上記計測流体を流通させる筒状の検出通路を備え、上記支持体が上記計測流体の流れ方向と直交する上記検出通路の通路断面を２分するように上記検出通路内に配設されているものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１および図２はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す正面図および縦断面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。なお、各図において図９〜図１１に示した従来装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１９】
図１乃至図４において、感熱式流量センサ１００は、図１２に示される検出回路が構成された回路基板３０と、この回路基板３０が収納される回路ケース３１と、感熱式流量センサ１００に電力を供給したり、感熱式流量センサ１００の流量検出信号を外部に取り出すためのコネクタ３２と、計測流体が流通する検出通路３３が形成され、この回路ケース３１から一側に延設された挿入部材３４と、挿入部材３４の内部に配設され、リード線１７が形成されたベース部材３５と、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられた支持部材３６と、支持部材３６に取り付けられた検出素子４０とから構成されている。
【００２０】
回路ケース３１、コネクタ３２および挿入部材３４は、例えばポリブチレンテレフタレートなどの樹脂を用いて一体に成形されている。そして、挿入部材３４には、ベース部材３５を収納するための溝３４ａが検出通路３３と回路ケース３１とを連通するように形成されている。
【００２１】
支持体３６は、ポリブチレンテレフタレートなどの樹脂で平板状に形成されており、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられている。この支持体３６は、検出通路３３の軸心（図１中紙面と垂直な方向で、計測流体の流れ方向６に一致する）を通り、該軸心と直交する検出通路３３の通路断面を２分するように配置されている。そして、支持体３６の主面は、図３および図４に示されるように検出通路３３の軸心に対して角度θを有している。この実施の形態１では、角度θが７度となっている。また、検出素子４０よりも少し大きい外形形状を有する凹部３７が支持体３６の主面に根元側（ベース部材３５への取付側）から先端側に延びるように設けられている。さらに、検出素子４０の流体温度検出体５の裏面側を通り、溝方向を検出通路３３の軸心と平行とする溝３８が支持体３６の根元側の主面に支持体３６の上流側端部から下流側端部に至るように延設されている。
【００２２】
検出素子４０は、図５に示されるように、キャビティ４１が流体温度検出体５の形成領域下部に形成されて、流体温度検出用ダイアフラム４２が構成されている。なお、この検出素子４０は、流体温度検出用ダイアフラム４２が形成されている点を除いて、検出素子１４と同様に構成されている。
【００２３】
この検出素子４０は、その表面を支持体３６の主面とほぼ同じ面位置となるように凹部３７内に配設されている。この時、溝３８が流体温度検出用ダイアフラム４２の下部に位置している。そして、検出素子４０の電極８ａ〜８ｄがベース部材３５に配設されたリード線１７にワイヤ１９により電気的に接続され、さらにカバー（図示せず）が挿入部材３４に取り付けられ、電極８ａ〜８ｄやワイヤ１９がカバーによって保護されている。また、リード線１７が回路基板３０に接続されて、図１２に示される検出回路が構成されている。
【００２４】
このように構成された感熱式流量センサ１００は、検出通路３３の軸心が計測流体の通路となる円筒状の主通路３９の軸心と一致するように、挿入部材３４を主通路３９内に延出させ、ねじ２９により主通路３９に締着固定されて取り付けられる。そして、支持体３６に支持された検出素子４０の表面が計測流体の流れ方向６と所定の角度θをなしている。また、Ｏリング２８が感熱式流量センサ１００と主通路３９との間に介装され、計測流体の漏れが防止されている。
【００２５】
この感熱式流量センサ１００においては、主通路３９内を流れる計測流体は検出通路３３内に導かれる。そして、検出通路３３内の軸心近傍を流れる計測流体は、支持体３６の主面に沿って流れて発熱体４上に導かれ、そこで発熱体４で発生する熱が伝熱されて暖められ、下流側に流れる。また、図１中、検出通路３３内の上部側を流れる計測流体は、流体温度検出体５の上部側を流れるとともに、溝３８内に導かれて流体温度検出体５の下部側を流れる。
そして、先に説明したように、発熱体４が、流体温度検出体５で検出された計測流体の温度に対して所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い平均温度となるように、発熱体４への通電電流が検出回路によって制御される。この通電電流を流量検出信号として取り出され、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量が検出される。
【００２６】
この実施の形態１によれば、溝３８が流体温度検出体５の下部側を通るように支持体３６に形成されているので、計測流体が検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域の表面側および裏面側を流れる。そして、流体温度検出体５の形成領域は、溝３８を通って流体温度検出体５の形成領域の裏面側に導かれた計測流体との強制対流熱伝達によって計測流体の温度に速やかになじむことになる。また、検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域が支持体３６から離れているので、支持体３６の熱容量の影響が低減される。そこで、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の温度変化に速やかに追従されるようになり、計測流体の温度が変化しても、発熱体４の温度を計測流体の温度に対して所定温度だけ高い平均温度に制御することができる。これにより、計測流体の正確な流速および流量を検出できる感熱式流量センサが得られる。
【００２７】
また、流体温度検出体５の形成領域が流体温度検出用ダイアフラム４２を構成しているので、流体温度検出体５の形成領域の熱容量が小さくなるとともに、流体温度検出体５が周囲の平板状基板１から熱絶縁される。これにより、流体温度検出体５による計測流体の温度検出が速やかに、かつ、正確に行われるようになる。
また、溝３８が上流側端から下流側端に至るように支持体３６に形成されているので、計測流体が支持体３６の上流側端から溝３８内にスムーズに導かれ、支持体３６の下流側端の溝３８からスムーズに流出される。そこで、計測流体が流体温度検出体５の裏面側に淀みなく、かつ、多量に供給できるので、計測流体の温度が変化しても、計測流体の真の温度を流体温度検出体５により速やかに検出できるようになる。
【００２８】
ここで、計測流体が検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域の表面側と裏面側とに分かれて流れることにより計測流体の流れに乱れを生じる。しかし、流体温度検出体５は計測流体の温度を検出する機能のみを有していることから、この計測流体の流れの乱れが流体温度検出体５による温度検出に影響することはない。一方、検出素子４０の発熱体４の形成領域は流体温度検出体５の形成領域から計測流体の流れ方向６と直交する方向に離反しているので、発熱体４の近傍を流れる計測流体の流れは、溝３８を形成することに起因する計測流体の流れの乱れの影響を受けず、安定したものとなる。従って、溝３８を形成しても、流量検出信号の乱れを発生することはなく、安定した流量検出信号が得られる。
【００２９】
また、支持体３６が検出通路３３の流路断面を２分するように配設されているので、検出通路３３は検出通路３３の軸心を中心として図１の上下方向に関して対称な形状をなしている。そこで、計測流体に流れに偏流があっても、流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。
また、支持体３６の先端面（図１中下方向の端面）が検出通路３３内に露出していないので、計測流体が流れの乱れを生じることなく発熱体５に導かれるようになり、乱れの少ない安定した流量検出信号が得られる。なお、支持体３６の先端面が検出通路３３内に露出していると、計測流体が支持体３６の先端面で剥離し、計測流体の流れの乱れを発生することになる。
【００３０】
実施の形態２．
図６および図７はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す正面図および縦断面図、図８はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【００３１】
この実施の形態２による感熱式流量センサ１０１に適用される検出素子４０Ａは、図８に示されるように、発熱体４が平板状基板１の中央部に形成された流量検出用ダイアフラム１２に配設され、流体温度検出体５が平板状基板１の先端部に形成された流体温度検出用ダイアフラム４２に配設されている。また、溝方向を検出通路３３の軸心と平行とする溝３８が支持体３６Ａの先端側に下流側端から上流側端に至るように延設され、凹部３７が支持体３６Ａの根元側から溝３８に至るように形成されている。
なお、検出素子４０Ａは、発熱体４と流体温度検出体５との形成位置が異なる点を除いて、実施の形態１による検出素子４０と同様に構成されている。また、支持体３６Ａは、凹部３７および溝３８の形成位置が異なる点を除いて、実施の形態１による支持体３６と同様に構成されている。
【００３２】
この支持体３６Ａは、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられ、検出通路３３の軸心（図６中紙面と垂直な方向で、計測流体の流れ方向６に一致する）を通り、該軸心と直交する検出通路３３の通路断面を２分するように配置されている。そして、検出素子４０Ａが、その表面を支持体３６Ａの主面とほぼ同じ面位置となるように凹部３７内に配設されている。この時、検出素子４０Ａの先端部は溝３８上に位置している。即ち、検出素子４０Ａの先端部は支持体３６ａに支持されず、片持ちの形態をなしている。そして、流体温度検出用ダイアフラム４２が溝３８上に位置している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３３】
この実施の形態２においても、溝３８が流体温度検出体５の下部側を通るように支持体３６Ａに形成されているので、上記実施の形態１と同様に、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の温度変化に速やかに追従されるようになり、計測流体の温度が変化しても、発熱体４の温度を計測流体の温度に対して所定温度だけ高い平均温度に制御することができる。
また、流体温度検出体５の形成領域が流体温度検出用ダイアフラム４２を構成しているので、流体温度検出体５の形成領域の熱容量が小さくなるとともに、流体温度検出体５が周囲の平板状基板１と熱絶縁される。
また、溝３８が上流側端から下流側端に至るように支持体３６に形成されているので、計測流体を流体温度検出体５の裏面側に淀みなく、多量に供給でき、計測流体の温度が変化しても、計測流体の真の温度を流体温度検出体５により検出できるようになる。
【００３４】
また、支持体３６Ａが検出通路３３の流路断面を２分するように配設されているので、計測流体に流れに偏流があっても、流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。
また、支持体３６Ａの先端面（図６中下方向の端面）が検出通路３３内に露出していないので、計測流体が流れの乱れを生じることなく発熱体５に導かれるようになり、乱れの少ない安定した流量検出信号が得られる。
【００３５】
さらに、検出素子４０Ａが流体温度検出体５の形成領域を含む先端側を溝３８上に位置して、片持ちの形態をなして支持体３６Ａに支持されているので、流体温度検出体５近傍と支持体３６Ａとの間に空間が形成され、流体温度検出体５による温度検出に対する支持体３６Ａの熱容量の影響を著しく低減される。そこで、計測流体の温度が変化しても、速やかに、かつ、正確な流量検出信号を得ることができる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態では、溝３８が支持体３６（３６Ａ）の上流側端から下流側端に至るように形成されているものとしているが、溝３８は必ずしも支持体３６（３６Ａ）の計測流体の流れ方向の全域にわたって形成される必要はなく、例えば流体温度検出用ダイアフラム４２の下部を通り、流体温度検出用ダイアフラム４２の計測流体の流れ方向の上流側および下流側に開口するように溝を設けてもよい。この場合、計測流体は、流体温度検出用ダイアフラム４２の上流側の溝開口から流入し、流体温度検出用ダイアフラム４２の下部に導かれて強制対流熱伝達によって流体温度検出用ダイアフラム４２を計測流体の温度になじませ、その後流体温度検出用ダイアフラム４２の下流側の溝開口から流出することになる。
【００３７】
また、溝３８の計測流体の流れ方向の下流側が支持体３６（３６Ａ）の下流側端に至るように形成されていなくても、溝３８の計測流体の流れ方向の上流側が支持体３６（３６Ａ）の上流側端に至るように形成されていれば、計測流体がスムーズに溝内に導かれるので、流体温度検出用ダイアフラム４２の下流側の溝開口から計測流体の流出が促進され、溝内の計測流体のよどみが防止される。これにより、主通路２９内を流通する計測流体の温度が変化しても、溝内を流通する計測流体の温度が時間差なく変化するようになる。
【００３８】
また、溝３８の計測流体の流れ方向の上流側が支持体３６（３６Ａ）の上流側端に至るように形成されていなくても、溝３８の計測流体の流れ方向の下流側が支持体３６（３６Ａ）の下流側端に至るように形成されていれば、計測流体がスムーズに溝から流出されるので、流体温度検出用ダイアフラム４２の上流側の溝開口から計測流体の溝内への流れ込みが促進され、溝内の計測流体のよどみが防止される。これにより、主通路２９内を流通する計測流体の温度が変化しても、溝内を流通する計測流体の温度が時間差なく変化するようになる。
【００３９】
本発明は、溝３８を用いて計測流体を流体温度検出体５の形成領域下部に導き、強制対流熱伝達によって流体温度検出体５の形成領域を計測流体の温度に速やかになじませるものである。従って、上記各実施の形態では、支持体３６（３６Ａ）の主面と検出通路３３の軸心との間の角度θが７度となるように支持体３６（３６Ａ）を配設するものとしているが、計測流体が溝３８内を流通すればよく、角度θは７度に限定されるものではない。例えば、角度θを４５度とすれば、角度θが９０度の場合（支持体の主面を計測流体の流れに直交させた場合）に比べ、計測流体の風圧に起因するダイアフラムの損傷、および、発熱体形成領域でのダスト堆積に起因する検出流量のドリフトを著しく抑えることができる。なお、ダイアフラムの長寿命化と検出精度の高精度化とが望まれる流量センサにおいては、０度≦θ≦３０度とすることが望ましい。
【００４０】
また、上記各実施の形態では、流体温度検出体５が流体温度検出用ダイアフラム４２に形成されているものとしているが、感熱式流量センサの用途によっては、溝３８により流体温度検出体５の形成領域の裏面側にも計測流体が流通できるように構成されていれば、流体温度検出用ダイアフラム４２を形成しなくともよい。即ち、流体温度検出用ダイアフラム４２がない場合には、平板状基板１の熱容量が影響して、計測流体の温度変化に対する流体温度検出体５による温度検出の追従性を低下させることになるが、計測流体が溝３８を通って流体温度検出体５の形成領域の裏面側に流されることで、温度検出の追従性の低下が抑えられることになる。
【００４１】
さらに、上記各実施の形態では、流量検出用ダイアフラム１２に１つの発熱体４を形成し、発熱体４への通電電流によって計測流体の流量を検出する感熱式流量センサについて説明したが、計測流体への伝熱現象によって流量や流速を計測するダイアフラム形式の感熱式流量センサであれば、他の形式のものでも良い。例えば、発熱体の上流や下流に測温抵抗体を配置し、測温抵抗体の温度差を検出する形式でも良いし、上下流に複数の発熱体を配置し、各発熱体への通電電流の差を検出する形式のものであっても良い。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４３】
この発明によれば、感熱抵抗膜よりなる発熱体および流体温度検出体が平板状基板の表面に互いに離間して形成され、流量検出用ダイアフラムが該発熱体形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されている検出素子と、上記検出素子を収納する凹部が表面に形成され、該表面が計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなして配置される支持体とを備え、上記検出素子がその表面を上記支持体の表面とほぼ同じ面位置となるように、かつ、上記発熱体と上記流体温度検出体との配列方向を上記計測流体の流れ方向に対して直交するように上記凹部内に収納されて上記支持体に支持されている感熱式流量センサであって、溝方向を上記計測流体の流れ方向とする溝が、上記支持体の上記計測流体の流れ方向の上流側端部から、上記検出素子の上記流体温度検出体の形成領域下部を通り、下流側端部に至るように上記支持体に設けられている。これにより、計測流体が流体温度検出体の形成領域下部に導かれ、強制対流熱伝達により流体温度検出体の形成領域が計測流体温度に速やかになじむので、流量検出信号に悪影響を与えることなく、計測流体の温度が変化しても正確な流量を計測できる感熱式流量センサが得られる。
【００４４】
また、上記流体温度検出体が上記平板状基板の一端側に形成され、上記検出素子が上記流体温度検出体の形成領域を含む上記検出素子の一端部を上記溝内に延出するように上記支持体に片持ちの形態に支持されているので、流体温度検出体による計測流体温度検出が支持体の熱容量の影響を受けにくくなり、計測流体の温度変化に対する計測流体温度検出の追従性が向上される。
【００４７】
また、流体温度検出用ダイアフラムが上記流体温度検出体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されているので、流体温度検出体の形成領域の熱容量が小さくなり、かつ、流体温度検出体が周囲の平板状基板から熱絶縁され、計測流体の温度変化に対する計測流体温度検出の追従性が向上される。
【００４８】
また、上記計測流体を流通させる筒状の検出通路を備え、上記支持体が上記計測流体の流れ方向と直交する上記検出通路の通路断面を２分するように上記検出通路内に配設されているので、検出通路内を流通する計測流体の流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。さらに、計測流体の流れ方向と直交する方向の支持体の端面が露出していないので、計測流体を乱すことなく発熱体に導くことができ、安定した流量検出信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す正面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す縦断面図である。
【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】 図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【図６】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す正面図である。
【図７】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す縦断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【図９】 従来の感熱式流量センサに用いられる検出素子を示す平面図である。
【図１０】 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】 従来の検出素子の支持構造を示す要部斜視図である。
【図１２】 感熱式流量センサに用いられる検出素子の制御回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 平板状基板、４ 発熱体、５ 流体温度検出体、６ 計測流体の流れ方向、１２ 流量検出用ダイアフラム、３３ 検出通路、３６、３６Ａ 支持体、３７ 凹部、３８ 溝、４０、４０Ａ 検出素子、４２ 流体温度検出用ダイアフラム、１００、１０１ 感熱式流量センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱体を備え、発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体への伝熱現象に基づいて流体の流速あるいは流量を計測する感熱式流量センサに関するものであり、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来の感熱式流量センサに用いられる検出素子を示す平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
図９および図１０において、平板状基板１は厚さ約０．４ｍｍのシリコン基板よりなり、その表面に厚さ１μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜２がスパッタ、ＣＶＤ等の方法で形成され、さらに白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体４が支持膜２上に形成されている。この発熱体４は、厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜を蒸着やスパッタ等の方法で支持膜２上に着膜し、写真製版、ウエットあるいはドライエッチング等の方法を用いて該感熱抵抗膜をパターニングすることにより、電流路を形成するように構成されている。また、同様に白金等の感熱抵抗膜よりなる流体温度検出体５が発熱体４から離れて支持膜２上に形成されている。この流体温度検出体５は、厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜を蒸着やスパッタ等の方法で支持膜２上に着膜し、写真製版、ウエットあるいはドライエッチング等の方法を用いて該感熱抵抗膜をパターニングすることにより、電流路を形成するように構成されている。さらに、発熱体４および流体温度検出体５の上には厚さ１μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の保護膜３がスパッタ、ＣＶＤ等の方法で形成されている。
【０００３】
発熱体４は、接続パターン９ａ、９ｂ、リードパターン７ａ、７ｄを経て検出素子の外部との電気的接続を行うための電極８ａ、８ｄとつながっている。また、流体温度検出体５はリードパターン７ｂ、７ｃを経て検出素子の外部との電気的接続を行うための電極８ｂ、８ｃとつながっている。電極８ａ〜８ｄの部分はワイヤボンド等の方法で外部と電気的に接続するために保護膜３が除去されている。
さらに、キャビティ１３が発熱体４の形成領域下部に形成されて、流量検出用ダイアフラム１２が構成されている。つまり、裏面保護膜１０が平板状基板１の裏面（支持膜２が形成されている面とは逆の面）に形成され、ついで発熱体４の形成領域の裏側の位置において、写真製版等の方法で裏面保護膜１０を部分的に除去してエッチングホール１１を形成する。その後、エッチングホール１１から露出する平板状基板１に例えばアルカリエッチング等を施し、平板状基板１の一部を除去してキャビティ１３を形成することによって流量検出用ダイアフラム１２が構成されている。
このように構成された検出素子１４は、流量検出用ダイアフラム１２が計測流体の流れにさらされるように配置される。なお、図中、矢印６は計測流体の流れの方向を示している。
【０００４】
ところで、検出素子１４は上述のように平板状の形状をしているが、ダイアフラム１２が計測流体の流れの方向に直交するように配置された場合には、ダイアフラム１２に風圧が加わり、計測流体の高速流時にダイアフラム１２の破損が発生したり、あるいは、計測流体内のダストがダイアフラム部に堆積して、発熱体４から計測流体への伝熱量が変化して検出流量のドリフトが発生する。そのような場合には、平板状の検出素子１４は計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置される。
また、平板状の検出素子１４を計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置する場合には、キャビティ１３近傍における計測流体の流れに乱れが発生したり、またチッピングなどに起因する検出素子１４の前縁部の形状バラツキによって発熱体４近傍における計測流体の流れにバラツキが発生してしまう。この発熱体４近傍における計測流体の流れのバラツキは流量検出特性の精度を低下させることにつながる。
【０００５】
そこで、平板状の検出素子１４を計測流体の流れ方向と略平行に、あるいは、計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなすように配置する場合における上述の不具合を解決するために、検出素子を平板状の支持体に設けられた凹部内に配置することが、例えば特開平１１−３２６０００号公報などに提案されている。
図１１は特開平１１−３２６０００号公報に記載された従来の検出素子の支持構造を示す要部斜視図である。
図１１において、支持体１６は、平板状に形成され、ベース部材２０に取り付けられている。そして、検出素子１４よりも少し大きい外形形状を有する凹部１８が支持体１６の表面に設けられている。検出素子１４は、その表面が支持体１６の表面とほぼ同じ面位置となるように凹部１８内に配設されている。そして、検出素子１４の電極８ａ〜８ｄがベース部材２０に配設されたリード線１７にワイヤ１９により電気的に接続されている。さらに、カバー２１がベース部材２０に取り付けられ、電極８ａ〜８ｄやワイヤ１９がカバー２１によって保護されている。
これにより、キャビティ１３近傍に発生する計測流体の流れの乱れが抑えられ、また支持体１６の上流側端部の円弧形状により計測流体の流れが整流され、検出素子１４の前縁部の形状バラツキによって発生する発熱体４近傍における計測流体の流れのバラツキが低減される。
【０００６】
ついで、検出素子１４を用いた計測流体の流量検出方法について説明する。
流体温度検出体５は、ダイアフラム部１２から離間してしているので、発熱体４で発生した熱は流体温度検出体５まで伝導しない。また、流体温度検出体５は発熱体４の下流側に位置していないので、流体温度検出体５は発熱体４からの伝熱により暖められた計測流体に曝されない。そこで、流体温度検出体５で検出される温度は計測流体の温度とほぼ等しくなっている。
そして、発熱体４は、図１２に示される検出回路によって、流体温度検出体５で検出された計測流体の温度に対して所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い平均温度となるような抵抗値に制御されている。検出回路は流体温度検出体５と発熱体４を含むブリッジ回路で構成されている。図中、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は固定抵抗、ＯＰ１、ＯＰ２は演算増幅器、ＴＲ１、ＴＲ２はトランジスタ、ＢＡＴＴは電源である。そして、流体温度検出体５と発熱体４とを除く検出回路は、検出回路基板（図示せず）に構成されている。
この検出回路は、図中のａ点とｂ点の電位を略等しくするように働き、発熱体４への通電電流Ｉｈを制御する。計測流体の流速が速くなると、発熱体４から計測流体への熱伝達量が多くなるため、発熱体４の温度が低下する。そこで、発熱体４の平均温度を計測流体の温度より所定温度だけ高い値に保つ時の通電電流Ｉｈは増加する。この通電電流を抵抗Ｒ３の両端で電圧Ｖｏｕｔとして検出すると、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量信号が得られる。
【０００７】
ここで、発熱部４の温度をＴｈ、計測流体の温度をＴａ、発熱体４の抵抗値をＲｈ、発熱体４への通電電流をＩｈ、検出素子１４が配置された通路を流れる計測流体の流量をＱｍとすると、式（１）が成り立つ。
Ｉｈ2・Ｒｈ＝（ａ＋ｂ・Ｑｍn）・（Ｔｈ−Ｔａ） ・・・（１）
但し、ａ、ｂおよびｎは検出素子の形態や配置によって決まる定数である。
そこで、（Ｔｈ−Ｔａ）／ＲｈをＴａに拘わらず一定とすることにより、ＩｈはＱｍの関数となる。そして、Ｉｈに相当する出力が感熱式流量センサの検出流量出力となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示される従来の検出素子の支持構造においては、以下の課題がある。
計測流体の温度が変化する場合、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の真の温度に速やかに追従して、発熱体４の温度を計測流体の温度変化に応じて変化させないと、感熱式流量センサの流量検出値に誤差が発生することになる。例えば、計測流体の温度が上昇した場合、流体温度検出体５の検出温度に遅れが発生すると、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の真の温度より低くなり、発熱体の温度は本来制御されるべき所定温度より低くなってしまう。つまり、発熱体４への通電電流が本来制御されるべき電流値より小さくなってしまう。そこで、発熱体４への通電電流に基づく流量検出値は、実際の計測流体の流量よりも低い値を示すことになる。
しかし、流体温度検出体５の検出温度は、支持体１６がもつ熱容量により、計測流体の真の温度に即座に追従できないので、この支持構造では、感熱式流量センサの流量検出値の誤差を抑えることはできない。
【０００９】
そこで、流体温度検出体５の温度検出の追従性に対する支持体１６がもつ熱容量の影響を抑えるために、流体温度検出体が形成された検出素子の一端側を支持体から延出させて検出素子を支持体に支持させる検出素子の支持構造が、例えば特開平１０−２７７３号公報に提案されている。しかし、この検出素子の支持構造においては、支持体が発熱体近傍でなくなっているので、計測流体の流れが支持体先端部や検出素子先端部で乱れることになる。そして、発熱体がこの計測流体の流れの乱れの影響を受け、流量検出値が乱れるという課題が生じてしまう。
【００１０】
特に自動車用内燃機関の吸気流量を計測する感熱式流量センサにおいては、トンネルの出入り口などで吸気温度が急変する場合があり、この吸気温度の変化に速やかに追従できることが必要となる。
また、自動車用内燃機関の吸気流量を計測する感熱式流量センサは、エアクリーナケースとスロットル弁とを連結する配管に配設される。一般には、このような配管は、感熱式流量センサの上下流において、理想的な直管ではないため、流速分布や流れの方向が不均一なものとなる。このような自動車用内燃機関の吸気流量を計測する用途においては、発熱体（流量検出部）近傍で計測流体の流れの剥離や渦が発生しやすい検出素子の支持構造では、安定な流量計測が困難となる。
【００１１】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、計測流体を流体温度検出体の形成領域下部に導いて強制対流熱伝達により流体温度検出体の形成領域を計測流体温度に速やかになじませるようし、流量検出信号に悪影響を与えることなく、計測流体の温度が変化しても正確な流量を計測できる感熱式流量センサを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る感熱式流量センサは、感熱抵抗膜よりなる発熱体および流体温度検出体が平板状基板の表面に互いに離間して形成され、流量検出用ダイアフラムが該発熱体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されている検出素子と、上記検出素子を収納する凹部が表面に形成され、該表面が計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなして配置される支持体とを備え、上記検出素子がその表面を上記支持体の表面とほぼ同じ面位置となるように、かつ、上記発熱体と上記流体温度検出体との配列方向を上記計測流体の流れ方向に対して直交するように上記凹部内に収納されて上記支持体に支持されている感熱式流量センサであって、溝方向を上記計測流体の流れ方向とする溝が、上記支持体の上記計測流体の流れ方向の上流側端部から、上記検出素子の上記流体温度検出体の形成領域下部を通り、下流側端部に至るように上記支持体に設けられているものである。
【００１３】
また、上記流体温度検出体が上記平板状基板の一端側に形成され、上記検出素子が上記流体温度検出体の形成領域を含む上記検出素子の一端部を上記溝内に延出するように上記支持体に片持ちの形態に支持されているものである。
【００１６】
また、流体温度検出用ダイアフラムが上記流体温度検出体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されているものである。
【００１７】
また、上記計測流体を流通させる筒状の検出通路を備え、上記支持体が上記計測流体の流れ方向と直交する上記検出通路の通路断面を２分するように上記検出通路内に配設されているものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１および図２はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す正面図および縦断面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。なお、各図において図９〜図１１に示した従来装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１９】
図１乃至図４において、感熱式流量センサ１００は、図１２に示される検出回路が構成された回路基板３０と、この回路基板３０が収納される回路ケース３１と、感熱式流量センサ１００に電力を供給したり、感熱式流量センサ１００の流量検出信号を外部に取り出すためのコネクタ３２と、計測流体が流通する検出通路３３が形成され、この回路ケース３１から一側に延設された挿入部材３４と、挿入部材３４の内部に配設され、リード線１７が形成されたベース部材３５と、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられた支持部材３６と、支持部材３６に取り付けられた検出素子４０とから構成されている。
【００２０】
回路ケース３１、コネクタ３２および挿入部材３４は、例えばポリブチレンテレフタレートなどの樹脂を用いて一体に成形されている。そして、挿入部材３４には、ベース部材３５を収納するための溝３４ａが検出通路３３と回路ケース３１とを連通するように形成されている。
【００２１】
支持体３６は、ポリブチレンテレフタレートなどの樹脂で平板状に形成されており、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられている。この支持体３６は、検出通路３３の軸心（図１中紙面と垂直な方向で、計測流体の流れ方向６に一致する）を通り、該軸心と直交する検出通路３３の通路断面を２分するように配置されている。そして、支持体３６の主面は、図３および図４に示されるように検出通路３３の軸心に対して角度θを有している。この実施の形態１では、角度θが７度となっている。また、検出素子４０よりも少し大きい外形形状を有する凹部３７が支持体３６の主面に根元側（ベース部材３５への取付側）から先端側に延びるように設けられている。さらに、検出素子４０の流体温度検出体５の裏面側を通り、溝方向を検出通路３３の軸心と平行とする溝３８が支持体３６の根元側の主面に支持体３６の上流側端部から下流側端部に至るように延設されている。
【００２２】
検出素子４０は、図５に示されるように、キャビティ４１が流体温度検出体５の形成領域下部に形成されて、流体温度検出用ダイアフラム４２が構成されている。なお、この検出素子４０は、流体温度検出用ダイアフラム４２が形成されている点を除いて、検出素子１４と同様に構成されている。
【００２３】
この検出素子４０は、その表面を支持体３６の主面とほぼ同じ面位置となるように凹部３７内に配設されている。この時、溝３８が流体温度検出用ダイアフラム４２の下部に位置している。そして、検出素子４０の電極８ａ〜８ｄがベース部材３５に配設されたリード線１７にワイヤ１９により電気的に接続され、さらにカバー（図示せず）が挿入部材３４に取り付けられ、電極８ａ〜８ｄやワイヤ１９がカバーによって保護されている。また、リード線１７が回路基板３０に接続されて、図１２に示される検出回路が構成されている。
【００２４】
このように構成された感熱式流量センサ１００は、検出通路３３の軸心が計測流体の通路となる円筒状の主通路３９の軸心と一致するように、挿入部材３４を主通路３９内に延出させ、ねじ２９により主通路３９に締着固定されて取り付けられる。そして、支持体３６に支持された検出素子４０の表面が計測流体の流れ方向６と所定の角度θをなしている。また、Ｏリング２８が感熱式流量センサ１００と主通路３９との間に介装され、計測流体の漏れが防止されている。
【００２５】
この感熱式流量センサ１００においては、主通路３９内を流れる計測流体は検出通路３３内に導かれる。そして、検出通路３３内の軸心近傍を流れる計測流体は、支持体３６の主面に沿って流れて発熱体４上に導かれ、そこで発熱体４で発生する熱が伝熱されて暖められ、下流側に流れる。また、図１中、検出通路３３内の上部側を流れる計測流体は、流体温度検出体５の上部側を流れるとともに、溝３８内に導かれて流体温度検出体５の下部側を流れる。
そして、先に説明したように、発熱体４が、流体温度検出体５で検出された計測流体の温度に対して所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い平均温度となるように、発熱体４への通電電流が検出回路によって制御される。この通電電流を流量検出信号として取り出され、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量が検出される。
【００２６】
この実施の形態１によれば、溝３８が流体温度検出体５の下部側を通るように支持体３６に形成されているので、計測流体が検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域の表面側および裏面側を流れる。そして、流体温度検出体５の形成領域は、溝３８を通って流体温度検出体５の形成領域の裏面側に導かれた計測流体との強制対流熱伝達によって計測流体の温度に速やかになじむことになる。また、検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域が支持体３６から離れているので、支持体３６の熱容量の影響が低減される。そこで、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の温度変化に速やかに追従されるようになり、計測流体の温度が変化しても、発熱体４の温度を計測流体の温度に対して所定温度だけ高い平均温度に制御することができる。これにより、計測流体の正確な流速および流量を検出できる感熱式流量センサが得られる。
【００２７】
また、流体温度検出体５の形成領域が流体温度検出用ダイアフラム４２を構成しているので、流体温度検出体５の形成領域の熱容量が小さくなるとともに、流体温度検出体５が周囲の平板状基板１から熱絶縁される。これにより、流体温度検出体５による計測流体の温度検出が速やかに、かつ、正確に行われるようになる。
また、溝３８が上流側端から下流側端に至るように支持体３６に形成されているので、計測流体が支持体３６の上流側端から溝３８内にスムーズに導かれ、支持体３６の下流側端の溝３８からスムーズに流出される。そこで、計測流体が流体温度検出体５の裏面側に淀みなく、かつ、多量に供給できるので、計測流体の温度が変化しても、計測流体の真の温度を流体温度検出体５により速やかに検出できるようになる。
【００２８】
ここで、計測流体が検出素子４０の流体温度検出体５の形成領域の表面側と裏面側とに分かれて流れることにより計測流体の流れに乱れを生じる。しかし、流体温度検出体５は計測流体の温度を検出する機能のみを有していることから、この計測流体の流れの乱れが流体温度検出体５による温度検出に影響することはない。一方、検出素子４０の発熱体４の形成領域は流体温度検出体５の形成領域から計測流体の流れ方向６と直交する方向に離反しているので、発熱体４の近傍を流れる計測流体の流れは、溝３８を形成することに起因する計測流体の流れの乱れの影響を受けず、安定したものとなる。従って、溝３８を形成しても、流量検出信号の乱れを発生することはなく、安定した流量検出信号が得られる。
【００２９】
また、支持体３６が検出通路３３の流路断面を２分するように配設されているので、検出通路３３は検出通路３３の軸心を中心として図１の上下方向に関して対称な形状をなしている。そこで、計測流体に流れに偏流があっても、流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。
また、支持体３６の先端面（図１中下方向の端面）が検出通路３３内に露出していないので、計測流体が流れの乱れを生じることなく発熱体５に導かれるようになり、乱れの少ない安定した流量検出信号が得られる。なお、支持体３６の先端面が検出通路３３内に露出していると、計測流体が支持体３６の先端面で剥離し、計測流体の流れの乱れを発生することになる。
【００３０】
実施の形態２．
図６および図７はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す正面図および縦断面図、図８はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【００３１】
この実施の形態２による感熱式流量センサ１０１に適用される検出素子４０Ａは、図８に示されるように、発熱体４が平板状基板１の中央部に形成された流量検出用ダイアフラム１２に配設され、流体温度検出体５が平板状基板１の先端部に形成された流体温度検出用ダイアフラム４２に配設されている。また、溝方向を検出通路３３の軸心と平行とする溝３８が支持体３６Ａの先端側に下流側端から上流側端に至るように延設され、凹部３７が支持体３６Ａの根元側から溝３８に至るように形成されている。
なお、検出素子４０Ａは、発熱体４と流体温度検出体５との形成位置が異なる点を除いて、実施の形態１による検出素子４０と同様に構成されている。また、支持体３６Ａは、凹部３７および溝３８の形成位置が異なる点を除いて、実施の形態１による支持体３６と同様に構成されている。
【００３２】
この支持体３６Ａは、検出通路３３内に延出するようにベース部材３５に取り付けられ、検出通路３３の軸心（図６中紙面と垂直な方向で、計測流体の流れ方向６に一致する）を通り、該軸心と直交する検出通路３３の通路断面を２分するように配置されている。そして、検出素子４０Ａが、その表面を支持体３６Ａの主面とほぼ同じ面位置となるように凹部３７内に配設されている。この時、検出素子４０Ａの先端部は溝３８上に位置している。即ち、検出素子４０Ａの先端部は支持体３６ａに支持されず、片持ちの形態をなしている。そして、流体温度検出用ダイアフラム４２が溝３８上に位置している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３３】
この実施の形態２においても、溝３８が流体温度検出体５の下部側を通るように支持体３６Ａに形成されているので、上記実施の形態１と同様に、流体温度検出体５の検出温度が計測流体の温度変化に速やかに追従されるようになり、計測流体の温度が変化しても、発熱体４の温度を計測流体の温度に対して所定温度だけ高い平均温度に制御することができる。
また、流体温度検出体５の形成領域が流体温度検出用ダイアフラム４２を構成しているので、流体温度検出体５の形成領域の熱容量が小さくなるとともに、流体温度検出体５が周囲の平板状基板１と熱絶縁される。
また、溝３８が上流側端から下流側端に至るように支持体３６に形成されているので、計測流体を流体温度検出体５の裏面側に淀みなく、多量に供給でき、計測流体の温度が変化しても、計測流体の真の温度を流体温度検出体５により検出できるようになる。
【００３４】
また、支持体３６Ａが検出通路３３の流路断面を２分するように配設されているので、計測流体に流れに偏流があっても、流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。
また、支持体３６Ａの先端面（図６中下方向の端面）が検出通路３３内に露出していないので、計測流体が流れの乱れを生じることなく発熱体５に導かれるようになり、乱れの少ない安定した流量検出信号が得られる。
【００３５】
さらに、検出素子４０Ａが流体温度検出体５の形成領域を含む先端側を溝３８上に位置して、片持ちの形態をなして支持体３６Ａに支持されているので、流体温度検出体５近傍と支持体３６Ａとの間に空間が形成され、流体温度検出体５による温度検出に対する支持体３６Ａの熱容量の影響を著しく低減される。そこで、計測流体の温度が変化しても、速やかに、かつ、正確な流量検出信号を得ることができる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態では、溝３８が支持体３６（３６Ａ）の上流側端から下流側端に至るように形成されているものとしているが、溝３８は必ずしも支持体３６（３６Ａ）の計測流体の流れ方向の全域にわたって形成される必要はなく、例えば流体温度検出用ダイアフラム４２の下部を通り、流体温度検出用ダイアフラム４２の計測流体の流れ方向の上流側および下流側に開口するように溝を設けてもよい。この場合、計測流体は、流体温度検出用ダイアフラム４２の上流側の溝開口から流入し、流体温度検出用ダイアフラム４２の下部に導かれて強制対流熱伝達によって流体温度検出用ダイアフラム４２を計測流体の温度になじませ、その後流体温度検出用ダイアフラム４２の下流側の溝開口から流出することになる。
【００３７】
また、溝３８の計測流体の流れ方向の下流側が支持体３６（３６Ａ）の下流側端に至るように形成されていなくても、溝３８の計測流体の流れ方向の上流側が支持体３６（３６Ａ）の上流側端に至るように形成されていれば、計測流体がスムーズに溝内に導かれるので、流体温度検出用ダイアフラム４２の下流側の溝開口から計測流体の流出が促進され、溝内の計測流体のよどみが防止される。これにより、主通路２９内を流通する計測流体の温度が変化しても、溝内を流通する計測流体の温度が時間差なく変化するようになる。
【００３８】
また、溝３８の計測流体の流れ方向の上流側が支持体３６（３６Ａ）の上流側端に至るように形成されていなくても、溝３８の計測流体の流れ方向の下流側が支持体３６（３６Ａ）の下流側端に至るように形成されていれば、計測流体がスムーズに溝から流出されるので、流体温度検出用ダイアフラム４２の上流側の溝開口から計測流体の溝内への流れ込みが促進され、溝内の計測流体のよどみが防止される。これにより、主通路２９内を流通する計測流体の温度が変化しても、溝内を流通する計測流体の温度が時間差なく変化するようになる。
【００３９】
本発明は、溝３８を用いて計測流体を流体温度検出体５の形成領域下部に導き、強制対流熱伝達によって流体温度検出体５の形成領域を計測流体の温度に速やかになじませるものである。従って、上記各実施の形態では、支持体３６（３６Ａ）の主面と検出通路３３の軸心との間の角度θが７度となるように支持体３６（３６Ａ）を配設するものとしているが、計測流体が溝３８内を流通すればよく、角度θは７度に限定されるものではない。例えば、角度θを４５度とすれば、角度θが９０度の場合（支持体の主面を計測流体の流れに直交させた場合）に比べ、計測流体の風圧に起因するダイアフラムの損傷、および、発熱体形成領域でのダスト堆積に起因する検出流量のドリフトを著しく抑えることができる。なお、ダイアフラムの長寿命化と検出精度の高精度化とが望まれる流量センサにおいては、０度≦θ≦３０度とすることが望ましい。
【００４０】
また、上記各実施の形態では、流体温度検出体５が流体温度検出用ダイアフラム４２に形成されているものとしているが、感熱式流量センサの用途によっては、溝３８により流体温度検出体５の形成領域の裏面側にも計測流体が流通できるように構成されていれば、流体温度検出用ダイアフラム４２を形成しなくともよい。即ち、流体温度検出用ダイアフラム４２がない場合には、平板状基板１の熱容量が影響して、計測流体の温度変化に対する流体温度検出体５による温度検出の追従性を低下させることになるが、計測流体が溝３８を通って流体温度検出体５の形成領域の裏面側に流されることで、温度検出の追従性の低下が抑えられることになる。
【００４１】
さらに、上記各実施の形態では、流量検出用ダイアフラム１２に１つの発熱体４を形成し、発熱体４への通電電流によって計測流体の流量を検出する感熱式流量センサについて説明したが、計測流体への伝熱現象によって流量や流速を計測するダイアフラム形式の感熱式流量センサであれば、他の形式のものでも良い。例えば、発熱体の上流や下流に測温抵抗体を配置し、測温抵抗体の温度差を検出する形式でも良いし、上下流に複数の発熱体を配置し、各発熱体への通電電流の差を検出する形式のものであっても良い。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４３】
この発明によれば、感熱抵抗膜よりなる発熱体および流体温度検出体が平板状基板の表面に互いに離間して形成され、流量検出用ダイアフラムが該発熱体形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されている検出素子と、上記検出素子を収納する凹部が表面に形成され、該表面が計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなして配置される支持体とを備え、上記検出素子がその表面を上記支持体の表面とほぼ同じ面位置となるように、かつ、上記発熱体と上記流体温度検出体との配列方向を上記計測流体の流れ方向に対して直交するように上記凹部内に収納されて上記支持体に支持されている感熱式流量センサであって、溝方向を上記計測流体の流れ方向とする溝が、上記支持体の上記計測流体の流れ方向の上流側端部から、上記検出素子の上記流体温度検出体の形成領域下部を通り、下流側端部に至るように上記支持体に設けられている。これにより、計測流体が流体温度検出体の形成領域下部に導かれ、強制対流熱伝達により流体温度検出体の形成領域が計測流体温度に速やかになじむので、流量検出信号に悪影響を与えることなく、計測流体の温度が変化しても正確な流量を計測できる感熱式流量センサが得られる。
【００４４】
また、上記流体温度検出体が上記平板状基板の一端側に形成され、上記検出素子が上記流体温度検出体の形成領域を含む上記検出素子の一端部を上記溝内に延出するように上記支持体に片持ちの形態に支持されているので、流体温度検出体による計測流体温度検出が支持体の熱容量の影響を受けにくくなり、計測流体の温度変化に対する計測流体温度検出の追従性が向上される。
【００４７】
また、流体温度検出用ダイアフラムが上記流体温度検出体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されているので、流体温度検出体の形成領域の熱容量が小さくなり、かつ、流体温度検出体が周囲の平板状基板から熱絶縁され、計測流体の温度変化に対する計測流体温度検出の追従性が向上される。
【００４８】
また、上記計測流体を流通させる筒状の検出通路を備え、上記支持体が上記計測流体の流れ方向と直交する上記検出通路の通路断面を２分するように上記検出通路内に配設されているので、検出通路内を流通する計測流体の流速分布が均一化され、流量検出精度が向上される。さらに、計測流体の流れ方向と直交する方向の支持体の端面が露出していないので、計測流体を乱すことなく発熱体に導くことができ、安定した流量検出信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す正面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサを示す縦断面図である。
【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】 図２のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【図６】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す正面図である。
【図７】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサを示す縦断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量センサに適用される検出素子を示す正面図である。
【図９】 従来の感熱式流量センサに用いられる検出素子を示す平面図である。
【図１０】 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】 従来の検出素子の支持構造を示す要部斜視図である。
【図１２】 感熱式流量センサに用いられる検出素子の制御回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 平板状基板、４ 発熱体、５ 流体温度検出体、６ 計測流体の流れ方向、１２ 流量検出用ダイアフラム、３３ 検出通路、３６、３６Ａ 支持体、３７ 凹部、３８ 溝、４０、４０Ａ 検出素子、４２ 流体温度検出用ダイアフラム、１００、１０１ 感熱式流量センサ。
Claims (4)
- 感熱抵抗膜よりなる発熱体および流体温度検出体が平板状基板の表面に互いに離間して形成され、流量検出用ダイアフラムが該発熱体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されている検出素子と、
上記検出素子を収納する凹部が表面に形成され、該表面が計測流体の流れ方向に対して所定の角度をなして配置される支持体とを備え、
上記検出素子がその表面を上記支持体の表面とほぼ同じ面位置となるように、かつ、上記発熱体と上記流体温度検出体との配列方向を上記計測流体の流れ方向に対して直交するように上記凹部内に収納されて上記支持体に支持されている感熱式流量センサであって、
溝方向を上記計測流体の流れ方向とする溝が、上記支持体の上記計測流体の流れ方向の上流側端部から、上記検出素子の上記流体温度検出体の形成領域下部を通り、下流側端部に至るように上記支持体に設けられていることを特徴とする感熱式流量センサ。 - 上記流体温度検出体が上記平板状基板の一端側に形成され、上記検出素子が上記流体温度検出体の形成領域を含む上記検出素子の一端部を上記溝内に延出するように上記支持体に片持ちの形態に支持されていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量センサ。
- 流体温度検出用ダイアフラムが上記流体温度検出体の形成領域下部にある該平板状基板を裏面側から部分的に除去して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の感熱式流量センサ。
- 上記計測流体を流通させる筒状の検出通路を備え、上記支持体が上記計測流体の流れ方向と直交する上記検出通路の通路断面を２分するように上記検出通路内に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の感熱式流量センサ。
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