JP3709339B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する装置に係り、特には発熱抵抗体を用いて流量を計測する熱式流量計測装置に係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するのに好適な熱式空気流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設置され、吸入空気流量を計測する流量計測装置としては、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。このような熱式流量計測装置において、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細加工技術を用いて、薄膜状のセンサ領域を有する熱式流量計測装置が比較的容易に、しかも大量生産方式で生産できることから経済性があり、また、低電力で駆動できることから注目されてきている。
【０００３】
このような薄膜状の流量検出領域を有する流量計測装置として、例えば特開平９−２６３４３号公報，特開２０００−２５７３号公報に記載のものが公知である。これらの流量計測装置は主に流量計測素子、該流量計測素子を設置するための窪みを有し、表面が吸入空気流に対してほぼ平行に延びる支持体、該流量計測素子を駆動する回路部、及びこれらの部品を実装し、吸入空気が流通する管路に取付けられたケーシングから構成される。
【０００４】
流量計測素子はシリコン基板上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に発熱抵抗体、該発熱抵抗体の両脇に測温抵抗体を形成、さらに前記の各抵抗体上に保護層を形成し、前記の発熱抵抗体裏面のシリコン基板を除去して薄膜部を形成した構造となっている。ここで、吸入空気が流量計測素子表面を流れる時の前記測温抵抗体の抵抗値変化を利用して流量を検出するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平９−２６３４３号公報，特開２０００−２５７３号公報に記載の従来技術による流量計測装置では流量計測素子表面と支持体表面が同一面となるように、または、流量計測素子表面が支持体表面よりも低い高さ位置になるように接着剤により取付けられている。このように流量計測素子表面と支持体表面をほぼ同一面とすることにより流量計測素子表面を流れる空気の乱れが少なく、高精度に流量計測を行うことができる。
【０００６】
しかし、これらの従来技術では長時間使用する場合の耐汚損性について不十分である。以下にその理由を説明する。前述のように流量計測素子は支持体に設けられた窪みの中に設置されるが、大量生産の上では、支持体の窪みの大きさは必ず流量計測素子の大きさよりもある程度大きく設計される。その結果、流量計測素子と支持体窪みの間に図２に示すように隙間２３が生じる。また、流量計測素子表面と支持体表面が一致するように設計しても、大量生産においては、▲１▼流量計測素子の厚さばらつき、▲２▼支持体の加工ばらつき、▲３▼接着剤の厚みばらつき等により図３，図４に示すように流量計測素子と支持体の表面位置が不一致となることは避けられない。
【０００７】
ここで、図３のように流量計測素子表面が支持体表面よりも低くなる場合には流量計測素子の下流側隙間、図４のように流量計測素子表面が支持体表面よりも高くなる場合には流量計測素子の上流側隙間に汚損物質が堆積する。
【０００８】
特に、特開２０００−２５７３号公報に示された一例では図３に示す構造となっており、流量計測素子表面に汚損物質が堆積するため、流量特性変化が生じ易い構造である。
【０００９】
流量計測素子部分は吸気管内に晒される構造であるため、以上の構造より長時間の使用によりこの隙間部分に汚損物質が堆積する。この汚損物質堆積により▲１▼流量計測素子表面の空気の流れ方が変化するため、初期特性に対して特性変化が生じる、▲２▼汚損物質が流量計測素子表面に付着して流量特性変化が生じる、▲３▼汚損物質は水・油分を含んでいるため、隙間を介して流量計測素子と駆動回路の接続部を腐食させ易いなどの問題が発生する。
【００１０】
耐汚損物質に関する従来技術としては特開昭５７−２０８４１２号公報に記載の技術がある。この技術は、プリント基板構造の検知素子を流体の流れ方向に対して傾斜させることにより流体中の汚損物質付着を抑制するものであるが、この特開昭５７−２０８４１２号公報の構造では、特開平９−２６３４３号公報，特開２０００−２５７３号公報に記載の構造に観られるような流量計測素子と支持体間に生じる隙間が存在しないため、特開平９−２６３４３号公報，特開2000−２５７３号公報に記載の構造において傾斜させると、流量計測素子と支持体の隙間に流体が直接当たりやすくなるため、かえって汚損物質が堆積し易い構造となる。
【００１１】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、長時間の使用においても特性変化が少なく信頼性の高い流量計測装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高く、下流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも低くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装されたことにより達成される。
【００１３】
また、上記目的は、少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装され、前記支持体が被測定流体の流れ方向に対して、傾斜してハウジングケースに取付けられ、前記流量計測素子表面と前記支持体表面間の段差ｙと、被測定流体と前記支持体のなす傾斜角度ｘと、前記流量計測素子と前記支持体間に発生する隙間ｚの間には、ｙ≧ｚ× sin( ｘ ) の関係が成り立つことにより達成される。
【００１４】
また、上記目的は、少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高く、下流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも低くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装され、前記支持体が被測定流体の流れ方向に対して、傾斜してハウジングケースに取付けられ、前記流量計測素子表面と前記支持体表面間の段差ｙと、被測定流体と前記支持体のなす傾斜角度ｘと、前記流量計測素子と前記支持体間に発生する隙間ｚの間には、ｙ≧ｚ× sin （ｘ）の関係が成り立つことによって達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図５は流量計測装置１の断面図を示す。
【００１６】
流量計測素子１０はガラスセラミック製の支持体１１にエポキシまたはシリコーン系接着剤１２で接着される。支持体１１の流量計測素子１０が接着される部分には窪み１３が設けられており、流量計測素子１０はこの窪み１３の中に接着される。図６は流量計測素子１０を接着した支持体の平面図、図１は図６のＡ−Ａ断面を示す。
【００１７】
ここで、この窪み１３は図１または図１３の断面図に示すように、流量計測素子を実装した場合に
(支持体上流側表面１４高さ)＞(流量計測素子表面１６高さ)＞ (支持体下流側表面１５高さ)
の関係が成り立つような構成となっている。ここでは図示しないが、流量計測素子表面１６と支持体下流側表面１５が一致する構成、支持体１１に支持体下流側表面１５がない構成でもよい。以下に図５の各部品について説明する。
【００１８】
流量計測素子１０は半導体製造技術により作製される。以下にその説明をする。単結晶シリコン基板上に電気絶縁層として二酸化シリコン層を熱酸化あるいはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition）等の方法で形成，窒化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。次に多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成し、所望の抵抗値とするために不純物としてリン（Ｐ）を熱拡散またはイオン注入によりドーピングする。その後、多結晶シリコン層をパターニングすることにより発熱抵抗体，空気温度測温抵抗体，測温抵抗体等を形成する。次に、保護層として窒化シリコン層，二酸化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。その後、保護層をパターニングして、電極を形成する部分の保護層を取り除く。次に、アルミニウム層を形成し、エッチングによりパターンニングを行う。最後に、空洞部２６を形成するために、単結晶シリコン基板の発熱抵抗体２２を形成していない面にＣＶＤ等の方法によりマスクとなる窒化シリコン層を形成してパターニングを行う。その後、異方性エッチングにより空洞部を形成する。このように空洞部を形成することにより発熱抵抗体，測温抵抗体を熱的に絶縁することによって、省電力により抵抗を発熱させることが可能となり熱伝達を利用した流量計測が可能となる。最後にダイシングによりチップに分割する。分割された流量計測素子１０は、例えば長辺が５mm、短辺が２.５mm程度である。
【００１９】
次に流量計測素子１０を実装する支持体１１について説明する。本発明の支持体１１はガラスセラミック製積層基板１７により形成される。以下にその製造方法を説明する。まず、厚さ０.１〜０.３mm程度の流量計測素子表面１６状態のガラスセラミック製基板に同様の流量計測素子表面１６状態のガラスセラミック製基板を所望の枚数だけ密着して重ね、加圧して積層させる。このとき流量計測素子１０を配置するための窪み１３はこの流量計測素子表面１６状態で打抜き型等により所望の形状に打抜いておくことにより形成する。また、この支持体１１には流量計測素子１０への電力供給および、流量計測素子１０からの信号処理を行うための回路が実装されている。積層基板の表面又は裏面には印刷などにより支持体上流側表面１４を形成することが可能である。また、積層基板１７の表・裏面及び内層には印刷等により内層導体１８を形成することが可能である。表・裏面と内層導体１８はビアホール１９により接続される。このように、積層基板１７の内層導体１８を使用して流量計測素子１０を制御するための回路を構成することにより回路の小型化をすることができ、従って流量計測装置１の小型化を図ることができる。流量計測素子１０と回路は金線等の接続線２０により電気的に接続されている。
【００２０】
ここで、実施流量計測素子１０実装部の段差２１は最表層の流量計測素子表面１６を図７に示す形状として積層する。ここで、焼成後の流量計測素子表面１６厚さを１００μｍ、接着剤１２厚さを２０μｍ程度、流量計測素子１０厚さを３３０μｍ、支持体１１上流側から流量計測素子１０を実装する窪み１３深さを４００μｍとすると、支持体１１上流側高さ位置と流量計測素子１０表面の段差２１は５０μｍ程度、流量計測素子１０表面と支持体１１下流側高さ位置の段差２１は５０μｍ程度となる。
【００２１】
流量計測素子表面の厚さ，層数を選択することにより、この段差２１の高さは変更することが可能である。このように積層基板を利用することによって、精度良く段差を形成することができ、大量生産においても流量特性ばらつきの少ない流量計測装置を提供することができる。
【００２２】
段差２１により空気流２は図１のように流れるため、流量計測素子１０と支持体１１の隙間には汚損物質が堆積しないため、長時間の使用においても初期特性に対して特性変化しない流量計測装置を提供することができる。ここで、
(支持体上流側表面１４高さ)＞(流量計測素子表面１６高さ)≧（支持体下流側表面１５高さ)
の関係を維持するためには、少なくとも前述した▲１▼流量計測素子の厚さばらつき、▲２▼支持体の加工ばらつき、▲３▼接着剤の厚みばらつきにより生じる支持体上流側表面と流量計測素子表面のばらつき以上の段差が必要である。本発明の実施例においては、流量計測素子の厚さばらつきはシリコン基板の厚さばらつきに依存する。また支持体の加工ばらつきは積層基板に形成する窪み深さのばらつきに依存する。製造時の精度が良好な場合には上記のばらつきの総和は１０〜２０μｍ程度に押さえ込むことができるため、この場合段差は２０μｍ程度あれば十分である。
【００２３】
一方、段差をあまり大きくし過ぎると流量計測素子１０表面を流れる流体の乱れが大きくなる。従って、最大値は１５０μｍ程度ある。
【００２４】
以上、段差２１を形成する手段として積層基板１７を利用する手法を述べたが、他の手法としては、ここでは図示しないが、金属製の支持体１１に機械加工等を行う、図８に示すように支持体１１の上流側に発熱抵抗体２２を設ける等により段差２１を形成することも可能である。
【００２５】
また、支持体１１表面に段差２１を設けない場合にも、図９に示すように流量計測素子１０を傾斜させて取付けることによっても、本発明の効果を得ることが可能である。
【００２６】
一方、段差２１を大きくすると空気流２が流量計測素子１０表面に当たり難くなり、流量計測装置１の感度が低下することが懸念される。また、自動車の運転状態によっては空気の脈動が発生し、図１に示す流れとは逆方向から空気が流れる場合があり、その場合には汚損物質が付着し易くなる。特に、近年の排気ガス規制に対応した排気ガスの一部を吸気管に戻す手段を備えたエンジンや、運転状態に応じてバルブタイミングを変化させるエンジン等においてはこの脈動が発生しやすい傾向にある。
【００２７】
これを解決する手段を備えた流量計測装置の実施例を図１０に示す。図１０に示すように傾斜させることによって、順流３の場合には空気流が流量計測素子１０に当たり易くなるため計測感度の低下を防止することが可能となる。また、逆流４の場合には空気流２が直接当たり難いため、脈動の発生し易いエンジンにおいても汚損物質が付着し難く、信頼性の高い流量計測装置を提供するいことが可能となる。
【００２８】
ここで、流量計測素子１０を実装する支持体１１を副通路４１中に配置する場合、傾斜角度を大きくし過ぎると空気が流れ難くなり、流量計測素子表面１６での流速が低下する。従って、傾斜させる場合には図１２に示すように、支持体１１の空気の流れ方向の長さをｗ、傾斜角度をｘ、副通路の最広部幅をＬとした場合に
Ｌ≧２×ｗ×sin（ｘ）
が成り立つ程度の副通路４１幅であれば、流速低下により流量計測装置１の計測性能が悪化することを防止することができる。ここで、図１２は図３のＢ−Ｂ断面を表している。
【００２９】
また、支持体１１を傾斜させる場合には図１１に示すように、傾斜角度をｘ、支持体１１の支持体上流側表面１４位置と流量計測素子表面１６位置の段差２１をｙ、支持体１１と流量計測素子１０の隙間２３をｚとした場合に、
ｙ≧ｚ×sin（ｘ）
が成り立つように段差２１を設計することが有効である。これにより隙間２３に空気流が直接当たらないため、隙間２３への汚損物質３０堆積を防止することが可能となる。例えば、隙間２３が２００μｍ程度、傾斜角度が１０度であれば約３５μｍ以上の段差２１があれば隙間２３には直接空気流２が当たらない構成となる。
【００３０】
また、図示はしないが流量計測素子表面１６と支持体下流側表面１５間の段差２１にも上記の式が成り立つようにすることで、更に信頼性を向上することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、長時間の使用に際しても特性変化が少ない流量計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流量計測装置の部分断面図。
【図２】従来技術による流量計測装置示す部分平面図。
【図３】従来技術による流量計測装置示す部分平面図。
【図４】従来技術による流量計測装置示す部分平面図
【図５】本発明による流量計測装置を示す断面図。
【図６】本発明による流量計測素子を実装した支持体を示す部分平面図。
【図７】本発明による流量計測装置の支持体１１を示す鳥瞰図。
【図８】本発明による流量計測装置を示す部分断面図。
【図９】本発明による流量計測装置を示す部分断面図。
【図１０】本発明による流量計測装置を示す部分断面図。
【図１１】本発明による流量計測装置を示す部分断面図。
【図１２】本発明による流量計測装置を示す部分断面図。
【符号の説明】
１…流量計測装置、２…空気流、３…順流、４…逆流、１０…流量計測素子、１１…支持体、１２…接着剤、１３…窪み、１４…支持体上流側表面、１５…支持体下流側表面、１６…流量計測素子表面、１７…積層基板、１８…内層導体、１９…ビアホール、２０…接続線、２１…段差、２２…発熱抵抗体、２３…隙間、３０…汚損物質、４１…副通路、４２…カバー、４３…ハウジングケース、４４…ダクト。

Claims (7)

1. 少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、
   被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高く、下流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも低くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装されたことを特徴とする流量計測装置。
2. 請求項１において、
   上流側の前記支持体表面と前記流量計測素子表面間および／または下流側の前記支持体表面と前記流量計測素子表面間の段差が２０μｍから１５０μｍであることを特徴とする熱式流量計測装置。
3. 請求項１または２において、
   前記支持体が被測定流体の流れ方向に対して、傾斜してハウジングケースに取付けられていることを特徴とする流量計測装置。
4. 請求項３において、
   前記支持体が挿入されている副通路最広部幅をＬ、前記支持体の傾斜角度をｘ、前記支持体の空気の流れ方向の幅をｗとした場合に
   Ｌ≧２×ｗ×sin（ｘ）
   の関係が成り立つことを特徴とする流量計測装置。
5. 少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、
   被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装され、
   前記支持体が被測定流体の流れ方向に対して、傾斜してハウジングケースに取付けられ、
   前記流量計測素子表面と前記支持体表面間の段差ｙと、被測定流体と前記支持体のなす傾斜角度ｘと、前記流量計測素子と前記支持体間に発生する隙間ｚの間には、
   ｙ≧ｚ×sin（ｘ）
   の関係が成り立つことを特徴とする流量計測装置。
6. 少なくとも発熱抵抗体を有する流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体とを含んで構成される流量計測装置において、
   被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも高く、下流側の前記支持体表面位置が前記流量計測素子表面位置よりも低くなるように前記流量計測素子が前記支持体に実装され、
   前記支持体が被測定流体の流れ方向に対して、傾斜してハウジングケースに取付けられ、
   前記流量計測素子表面と前記支持体表面間の段差ｙと、被測定流体と前記支持体のなす傾斜角度ｘと、前記流量計測素子と前記支持体間に発生する隙間ｚの間には、
   ｙ≧ｚ×sin（ｘ）
   の関係が成り立つことを特徴とする流量計測装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記流量計測素子を実装する支持体は２層以上の部材を積層して形成し、被測定流体の流れ方向に対して上流側の前記支持体表面は、前記積層した部材の最表面層により構成され、被測定流体の流れ方向に対して下流側の前記支持体表面は内層部材表面により構成されることを特徴とする流量計測装置。

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