JP3709373B2 - 流量計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱抵抗体を用いて流量を計測する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して燃料供給の制御を行うのに好適な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。このような熱式の流量計測装置において、シリコン(Si)などの半導体基板上に、半導体微細加工技術を用いて製造された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、小型で低電力で駆動できることから近年注目されてきた。
【0003】
このような流量計測装置としては、例えば、特開平6−50783号公報、特開2001−183204号公報、特表2001−505314号公報等に記載の流量計測装置が公知である。これらの公報に記載の流量計測装置においては、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形成し、その薄膜領域にセンシング抵抗体を形成することにより熱応答を高速化した流量計測素子が用いられている。このように、高速に応答する流量計測素子では、吸気管内に脈動が発生した場合でも応答することが可能であり、脈動時の計測誤差を低減できる。また、方向検知機能があれば、エンジンからエアクリーナの方向に向かう空気流(逆流)が発生する運転状態においても、計測誤差を低減できる。
【0004】
また、熱応答が流量計測素子においても、特開平9−304147号公報に記載の技術のように2つのフィードバック回路を使用して脈動、逆流発生時に計測精度を向上させる手段がある。
【0005】
これらの流量計測装置は、主に流量計測素子、前記流量計測素子を実装するための支持体、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、前記流量計測素子は副通路内に配置される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来は4気筒エンジンの低回転数において吸気脈動が大きくなり、スロットル全開付近において逆流を発生する場合が多かったが、近年の排出ガス規制、低燃費化等に対応した、連続可変バルブタイミング機構などの複雑な制御を行うエンジンでは、高い回転数において、脈動、逆流が発生し、逆流量も拡大する傾向にある。また、4気筒以上の多気筒エンジンにおいても逆流を含む脈動流が発生する。
【0007】
前記特開2001−183204号公報、特表2001−505314号公報に記載の技術においては、空気流は支持体により支持体表面と裏面の2つの流れに分かれ、支持体の下流で再度合流する構成となっている。しかも、流量計測素子は支持体の片面に配置されている。この構成において脈動が発生すると、前述の表面側と裏面側それぞれにおいて脈動するため、流量計測素子が実装されている面と、実装されていない面での脈動にずれが生じ始めると非常に複雑な脈動となり、十分な計測精度が得られない。
【0008】
また、支持体により表裏2つの流れに分かれるが、この時の分流比が定常時と脈動時で変化し易いため流量誤差を発生する。
【0009】
また、前記特開平6−50783号公報には流量計測素子表面にしか空気が流れない技術が記載されている。しかし、この構造においては流量計測素子の薄膜部に水分が付着し易く、水分が付着するとその間は正確な流量計測ができないという問題がある。空気流に水分が含まれている場合、また周囲環境の状態によっては大量の水分が吸気管内に入り込む場合には、副通路に入り込む水分は壁面に付着して比較的サイズの大きな水滴に成長し易い。前記特開平6−50783号公報の構造では、この成長した水滴が容易に流量計測素子に到達し易い。また、副通路内が結露した場合にも比較的大きなサイズの水滴が流量計測素子に付着し易い。自動車用の流量計測素子は一般的に、室温に対して100℃以上のある値(Th)に加熱するようにフィードバック制御されている。ここで、水滴が付着しているとその付着領域は水滴が無くなるまでは100℃以上にはならないが、フィードバック回路はThになるように制御しようとするため過電流が流れることになる。水滴内に沸騰現象が起こり気泡が発生した場合、この気泡が発生している領域(空気と触れている領域)は過電流によって非常に高温に加熱され、場合によっては破壊する可能性もある。
【0010】
また、何れの技術においても、流量計測装置上流のエアクリーナの集塵性能が十分であれば問題はない。しかし、エアクリーナのエアフィルタが外れた場合、エアフィルタを通過した粒子が吸気管内のオイル、水などの液架橋により成長した場合は、流量計測素子の薄膜部を破壊するほどの粒子が流量計測素子表面に到達する可能性がある。
【0011】
以上に述べたように、吸気脈動時の計測誤差を小さくすること、水滴付着による計測精度低下、吸気に含まれるダストが流量計測素子に衝突し難くすること、等を同時に十分に満足することは従来技術においては困難である。
【0012】
本発明の目的は、脈動時に流量計測素子が検知する脈動が支持体裏面の脈動の影響を受けず、脈動時および逆流発生時の計測精度の高い流量計測装置を提供することにある。
【0013】
本発明の他の目的は、水滴が発生する環境下においても正確な流量計測が可能であり、結露し難い流量計測装置を提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的は、脈動時の計測誤差低減と信頼性を両立する流量計測装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、板形状の片面に設けられた発熱抵抗体のパターンを有する流量計測素子と、該流量計測素子が配置される副通路を有する流量計測装置において、前記副通路は、共通の入口と、該入口から流入して前記流量計測素子表面を流れる流体が流出する第1の出口と、前記入口から流入して前記流量計測素子裏面を流れる流体が流出する第2の出口とを備え、前記第2の出口は前記第1の出口と異なる位置に形成されていることを特徴とする。
【0016】
本発明の他の特徴は、板形状の片面に設けられた発熱抵抗体のパターン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、前記支持体が配置される副通路を有する流量計測装置において、前記副通路は、共通の入口と、該入口から流入して前記流量計測素子表面を流れる流体が流出する第1の出口と、前記入口から流入して前記支持体の流量計測素子が実装されていない面を流れる流体が流出する第2の出口を備え、前記第2の出口は前記第1の出口と異なる位置に形成されていることにある。
【0017】
これらの構成により、脈動時には副通路内の順流は流量計測素子または支持体により表面側と裏面側の流れに分離されるが、その分離された流れはそれぞれの出口から流出するため、一度分離した流れが再度合流しない。また、逆流が発生した場合には、流量計測素子表面を流れる逆流と、流量計測素子裏面、または支持体裏面を流れる逆流がそれぞれに流入する。このように、本発明によれば、脈動時に流量計測素子が検知する脈動が支持体裏面の脈動の影響を受けないため、脈動時および逆流発生時の計測精度が高くなる。
【0018】
本発明の他の特徴は、前記支持体が、前記副通路の中央付近に位置し、該支持体により前記副通路を、流体が該支持体の流量計測素子が実装されていない面または流量計測素子の裏面を流れる第1の通路と、前記流量計測素子表面を流れる第2の通路とに2分していることにある。
【0019】
本発明の他の特徴は、前記流量計測素子が、前記支持体の片側の面に、その表面が前記支持体の平坦面よりも低い位置になるようにして、接着されていることにある。
【0020】
本発明のこれらの特徴によれば、副通路の壁面で成長した水滴が流量計測素子表面には到達しないため、水滴が発生する環境下においても正確な流量計測が可能である。また、副通路壁面に埋め込まれている構成に比較すると結露し難い。
【0021】
さらに、本発明の他の特徴は、前記副通路が、副通路内の順流の流れ方向に対して、半径が徐々に小さくなっており、前記流量計測素子は、前記副通路内の外壁面よりも半径方向内側の位置に配置されていることにある。
【0022】
本発明によれば、副通路が遠心力を発生する構造となっているため、信頼性を向上するためにダストや水分を慣性効果により流量計測素子表面に衝突させない。これに前述の技術を適用することによって、脈動時の計測誤差低減と信頼性を両立する流量計測装置を提供することができる。
【0023】
さらに、本発明の他の特徴は、前記流量計測素子、または前記支持体が、流量計測装置が装着される主通路の流れ方向に対して、流量計測装置の取付けられた側が、順流に対面するように傾斜して配置されていることにある。これにより、上記した効果に加えて、定常流において流量ノイズの小さい流量計測装置を提供することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず、本発明の第1の実施例について図1〜図4により説明する。図1は、本発明の第1の実施例になる流量計測装置を示すものであり、図1(B)は図1(A)のA−A断面図、図1(A)は図1(B)の上面図、図1(C)は図1(B)のB−B断面図である。また、図2は、図1の流量計測装置をエンジンの吸気ダクトに設置した状態を示す図である。
【0025】
第1の実施例の流量計測装置100は、板状の支持体11の片面に発熱抵抗体のパターンすなわち薄膜構造体10を有する流量計測素子1と、この流量計測素子1が配置される副通路18とを有する。流量計測素子1は、支持体11の片側の面に設けられた凹部(図11参照)に、その表面が支持体11の平坦面から若干、例えば10μm程度、低い位置になるようにして、エポキシまたはシリコン系接着剤で接着されている。上面図から明らかな通り、支持体11は副通路18の中央付近に位置し、この支持体により副通路18を、流体が該支持体の流量計測素子が実装されていない面を流れる第1の通路と、流量計測素子表面を流れる第2の通路とに2分している。そして、副通路18は、1つの入口31と、流量計測素子1の表面を流れる流体が流出する第1の出口32aと、流量計測素子裏面の流体が流出する第2の出口32bを有する。第2の出口32bは第1の出口32aとは異なる位置に、複数個形成されていてもよい。すなわち、第1の出口32aは主通路16の軸方向(空気の流れ方向)と直角な方向に面して開口している。また、第2の出口32bは、主通路16の軸方向と直角な方向で、かつ、第1の出口32aとは反対の側に面して開口している。これにより、支持体1の流量計測素子11が実装されていない面または流量計測素子1の裏面を流れる流体は、流量計測素子1の表面を流れる流体とに分離される。
なお、流量計測素子1の電極と支持体11の電極は、例えば金線等の接続線により電気的に接続される。
【0026】
この流量計測素子1が実装された支持体11は、図2に示すように、シリコン系の接着剤によりハウジングケース15に実装される。このハウジングケース15は主通路16、例えばエンジンの吸気通路内に挿入される。図2において、主通路16でエアクリーナからエンジンの方向に流れる空気(順流20)は、副通路18の1つの入口31から第1の出口32a及び第2の出口に向かう。21は空気の逆流を示している。
【0027】
次に、本発明に使用される流量計測素子1の構造及びその製法について、図3を用いて説明する。
流量計測素子1は、半導体製造技術により作製される。以下にその製法の一例を説明をする。まず、単結晶シリコン基板2上に電気絶縁層3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4、吸気温度検出抵抗体5、測温抵抗体6、7等を形成する。抵抗体としては、若干コストは高くなるが白金等を採用することにより温度係数の高い抵抗体を形成することも可能である。
【0028】
次に、保護層8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8をパターニングして、電極13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9を形成するために、単結晶シリコン基板2の発熱抵抗体4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。
【0029】
その後、異方性エッチングにより空洞部9を形成する。このように空洞化することにより発熱抵抗体4、測温抵抗体6、7が配置されている領域は熱的に絶縁された薄膜構造体10となる。これにより流量計測素子1の高速応答を実現することが可能となる。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1は、例えば長辺が5mm、短辺が2.5mm程度である。
【0030】
次に、図2を用いて、流量計測素子1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により形成される。支持体11としては、他には高温焼成セラミック、金属板等を採用することも可能となる。しかし、流量計測素子1は熱的に周囲の部材から熱絶縁されることが望ましいため、熱伝導率の小さいガラスセラミック製積層基板を採用することが有効である。このような熱伝導率の小さい材料を使用することにより、流量計測素子表面に発生する結露を抑制する効果が大きくなる。
【0031】
また、積層基板を採用することによって、流量計測素子1への電力供給および、流量計測素子1からの信号処理を行うための制御回路12を支持体11に一体化して形成することが可能となる。これにより部品点数を削減できることからコスト的、信頼性的に優位である。また、積層基板の内層導体を使用して流量計測素子1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図ることができるため、流量計測装置100の小型化を図ることができる。
【0032】
次に、流量計測素子1の動作原理を、図3及び図4により説明する。発熱抵抗体4は、吸気温度検出抵抗体5に対して一定温度高くなるように制御される。この発熱抵抗体4の熱により、上流側測温抵抗体6及び下流側測温抵抗体7が加熱されて所定の温度になる。無風時には理想的には上流側測温抵抗体6と下流側測温抵抗体7は発熱抵抗体4から等しく熱を受けるため同じ温度になるため、上流側測温抵抗体6と下流側測温抵抗体7の温度差はゼロとなる。
【0033】
ここで、主通路16内の流れが順流20の場合には、上流側測温抵抗体6は下流側測温抵抗体7よりも冷却されるため、上流側測温抵抗体6と下流側測温抵抗体7に温度差が発生する。従って抵抗値に差が生じて、これに応じた電位差が発生する。この温度差による電位差は流量に応じた値であり、流量検出が可能となる。
【0034】
一方、主通路16内の流れが逆流21の場合には、上述とは反対に、下流側測温抵抗体7が上流側測温抵抗体6よりも冷却されることにより流量が検出される。
【0035】
ここで、第1の実施例において、1つの入口31から副通路18に流入した順流20は、支持体11により支持体11の表面側の流れと裏面側の流れに分割される。この分割された流れは第1の出口32aと第2の出口32bからそれぞれ、別々に流出する。従って、従来例のように支持体下流で再合流しない。その結果、脈動発生時に、支持体11裏面での脈動が流量計測素子1表面での脈動に影響しない。そのため、副通路18の流量計測素子1表面での脈動が、主通路16での順流20の脈動に対応した波形となる。この結果、脈動時の計測誤差が低減する。
【0036】
一方、脈動が大きくなり、逆流21が発生する場合は、流量計測素子1表面に流れる逆流21は第1の出口32aから、支持体11裏面に流れる逆流21は第2の出口32bから流入する。
【0037】
本発明の第1の実施例によれば、第1の出口32aから流入した逆流は、流量計測素子1表面まで到達する。また、第2の出口32bから流入した逆流は、支持体裏面の空間を流れて支持体上流で、第1の出口32aから流入した逆流と合流する。従って、別々の出口から流入した逆流は、流量計測素子1を通りすぎるまで互いに合流しない、換言すると相互に影響しない。ここで、逆流21が発生する場合は、流量計測素子1表面で流れの順逆の切替わりが発生するため、その切替わりが、主通路16での流れの切替わりに対応できない場合は計測誤差を発生し易い。
【0038】
従来例においては、同じ出口から流入した逆流は支持体1の下流で分離し、支持体上流で再合流するため、支持体11の表面側と裏面側の流れの切替わりが互いに影響し、流量計測素子1表面で複雑な脈動に発達し計測誤差を生じやすい。
【0039】
しかし、本発明においては、流量計測素子1表面で流れの順逆の切替わりが発生する際に、支持体11裏面の流れが流量計測素子1に影響しないため、計測精度が向上する。特に、脈動周波数が60Hz以上の高い場合において、本発明は従来例に比較して計測誤差を低減する効果が大きい。
【0040】
また、順方向のからみると、支持体11が副通路壁面に埋め込まれている構造ではなく、副通路18のほぼ中央に支持体11が位置する構成であるため、副通路18に付着して成長した水滴が流量計測素子1の薄膜部に到達しない。そのため、脈動時の計測特性改善により信頼性が低下することはない。
【0041】
また、支持体11が副通路壁面に埋め込まれている構造ではエンジンからの熱が副通路壁を介して流量計測素子に到達し易いため計測誤差を生じ易い。しかし、本発明では支持体11と副通路18の壁面が接している部分が少ないため、副通路壁に埋め込まれている構成よりもエンジンからの熱影響を受け難いため、計測誤差を生じ難い。
【0042】
なお、副通路18の形状としては、本発明の第1の実施例の別形状として、図5に示す構成でも良い。この例では、1つの入口31から略直角に曲がった副通路18を経て流入した順流20が、支持体11により流量計測素子1側の流れと裏面側の流れに分割される。この分割された流れは第1の出口32aと第2の出口32bから別々に流出する。すなわち、第1の出口32aは主通路16の軸方向(図5(A)のP−P方向)と直角に面して開口している。また、第2の出口32bは、主通路16の軸方向と直角な方向に面して開口している。
この例においても、上述の第1の実施例と同様の効果が得られる。
【0043】
次に、図6は、本発明の第2の実施例になる流量計測装置の断面図及び上面図を示している。第1の実施例では、支持体11により流量計測素子1が配置されている空間と支持体11裏面の空間が完全には分離されていないが、第2の実施例では、支持体11により流量計測素子1が配置されている空間と、支持体11裏面の空間が完全に分離されている。通路断面を変更することなく、支持体11で完全に分離する構造とすると、支持体長が増える分だけ製造コストが増加するが、脈動及び逆流が発生したときの計測精度は非常に向上する。
【0044】
次に、本発明の第3の実施例を図7に示す。図7は、第3の実施例になる流量計測装置の断面図及び上面図である。この実施例では、第1の出口32aは主通路16の軸方向(空気の流れ方向)と直角な方向に面して開口している。また、第2の出口32bは、主通路16の軸方向で、かつ、第1の出口32aから離れた位置に開口している。
【0045】
この実施例では、第2の出口32bが主通路16の軸方向と直角な方向に面するように開口しているため、出口32bから逆流21が入り易い構造となっている。第1の出口32aからの逆流21は、副通路18の曲がり部で流れが乱れるが、第2の出口32bからの逆流21は曲がり部がないため、スムーズに導入され、ほぼ主通路16の順逆流の切り変わりに対応した流れとなる。
【0046】
先に述べたように、特開2001−183204号公報、特表2001−505314号公報に記載の技術のような、半導体微細加工技術により製造される高速応答性の流量計測素子では、エンジン側からのバックファイア等から保護するために、順逆非対称かつ、逆流が入り難い副通路18に配置される。従って、脈動の振幅が大きくなり主通路16の逆流量が増加すると副通路18内に導入されるの逆流量が不足する傾向にあり、プラス計測誤差が拡大する。また、流量計測素子1を曲がりを有する副通路18に配置する場合は、流量計測素子1を主通路16に配置した場合に比較して流量計測素子1の応答性能が若干低下する。従って、エンジン回転数が高く、逆流21を含み、脈動振幅が大きい場合に特に計測誤差を生じ易い。
【0047】
ここで、流量計測素子1表面に導入される逆流量を増加させると、エンジン回転数が低く逆流量が多い領域では計測誤差は低減するが、一方で、逆流が発生し始める脈動振幅が小さい領域での計測誤差が増加する。また、回転数が高い領域の計測誤差はあまり低減されない。
【0048】
しかし、本発明の第3の実施例によれば、直接に流量計測素子表面の逆流を増加させるのではなく、支持体11の裏面に逆流を導入しやすい構成とし、その流れに引きずられて流量計測素子1表面の流れを増加させることが有効である。この技術により、脈動振幅が小さい領域から大きい領域までの全域において、また、各エンジン回転数において高精度の計測を行うことができる。
【0049】
次に、図8は、本発明の第4の実施例になる流量計測装置の断面図及び上面図を示す。第4の実施例は第3の実施例の変形例である。第2の出口32bの上流側に、主通路16の軸方向と直角な方向に延びた突起33を設置して、逆流21の動圧を受け易くし、第2の出口より逆流21が導入されやすい構造となっている。また、流量が大きくなると、順方向流が第2の出口32bから流入しようとするため、第2の出口付近での流れが不安定になり流量ノイズが発生する。しかし、本発明の第4の実施例に示すように第2の出口32bの上流に突起を設けることにより順方向流が第2の出口32bから流入することを防止し、安定した流量計測が可能となる。
【0050】
また、第2の出口は上記に示す第1から第4の実施例を組み合わせて複数個形成されていてもよい。自動車エンジンは、限られたスペースに置かれるため、吸気管も様々な曲がりを有する場合が多い。ここで、流量計測装置前後の吸気管の曲がりの形状によっては、定常時の吸気管内の流速分布と脈動時の流速分布が大きく異なり、特に逆流は流れが不安定となる場合が多い。流量計測装置は吸気管内のある領域の流速を計測するものであるため、定常時と脈動時の流速分布が異なる場合には計測誤差を発生してしまう。しかし、上記のように直接は流量計測素子が設置されていない支持体裏面の領域に様々な方向に出口を設置することによって、様々な方向からの流速成分を取り込むことができるため、定常時と脈動時の流速分布に大きな差がある吸気管内にあっても逆流を含む脈動時の流量を精度良く測ることができる。
【0051】
以上述べた、本発明の第1〜第4の実施例においては、脈動および逆流発生時の計測精度は十分であるため、流量計測装置100上流のエアクリーナの集塵性能が十分であれば問題はない。しかし、エアクリーナのエアフィルタが外れた場合、エアフィルタを通過した粒子が吸気管内のオイル、水などの液架橋により大きなサイズに成長する可能性がある場合は、流量計測素子1の薄膜部10を破壊するほどの粒子が流量計測素子1表面に到達する可能性がある。特に、半導体微細加工技術により製造される流量計測素子の場合は、薄膜構造体10が厚さ1〜2μm程度であることから、吸入空気中に含まれるダストが衝突した場合または水分が付着した場合には、この薄膜構造体10が破壊する場合が考えられる。
【0052】
従って、長期間に渡って信頼性の高い流量計測装置100とするためには、空気は流量計測素子1の表面に達するが、ダスト及び水分は達しない構造とする必要がある。これを解決する手段として、本発明の第5の実施例になる図9に示す副通路18が有効である。この実施例では、副通路18が、副通路内の順流の流れ方向に対して、半径が徐々に小さくなる構造となっている。流量計測素子1は、副通路18内の外壁面よりも半径方向内側の位置に配置されている。さらに、第1の出口32aは主通路16の軸方向と直角な方向に面して開口している。また、第2の出口32bは、主通路16の軸方向と直角な方向で、かつ、第1の出口32aから離れた位置に開口している。
【0053】
この実施例の副通路18は、副通路内の順流の流れ方向に対して、半径が徐々に小さくなる構造をとっているため、副通路内に遠心力を発生する。この遠心力により、ダスト及び水分は図10に示すように外壁面に押し付けられるように流れるため、壁面よりも半径方向内側の位置に配置された流量計測素子1の表面に到達しない。
【0054】
上記に説明した技術を適用した本発明の第5の実施例について、図9により説明する。この副通路18は入口31から流入した空気流が渦状の流路を通過して流量計測素子1に到達するまでの間に、ダスト、水分などの汚損物質は遠心力により外周面に押し付けられ、そのまま出口32aから排出されるため、流量計測素子1の表面に汚損物質が到達することができない構造となっている。実験により5〜200μm程度の粒子を、主通路16に流速50m/s以上で連続投入した場合でも、流量計測素子1の表面には5μm以下のダストが衝突した痕跡しか検出されない。流量計測素子1は15μm程度の粒子が流速50m/sで衝突しても破壊しない程度には薄膜構造体10を強化することが可能であるため、副通路1818によりダストによる破壊防止が可能となる。一方、水分においても、実験により20L/min.程度の水を主通路16に連続投入した場合でも、流量計測装置100の出力が変動しないことから流量計測素子1の表面には水分が付着しないことが判る。
【0055】
本発明の第5の実施例では、上述の本発明の第1の実施例と同様に、逆流21を含む脈動流が発生した場合に計測誤差を低減することが可能である。従って、本構成により、信頼性、脈動特性何れの特性も良好な流量計測装置1を提供することが可能となる。
【0056】
また、本構成においては流量計測装置1の取付け方によっては、支持体11の結露などにより発生した水が副通路18内に溜まりやすい構成であるが、本発明の第2の出口を形成すれば、溜まった水が流出するため、更に信頼性を高める効果がある。
【0057】
次に、図11は本発明の第6の実施例になる流量計測装置の断面図及び上面図を示す。図11は、図1のB―Bまたは図9のL−L断面に相当する図である。流量計測素子1は、支持体11の片側の面に設けられた凹部19に、その表面が支持体11の平坦面から若干低い位置になるようにして接着されている。この実施例では、副通路18内の支持体11が主通路16に対して傾斜して配置されている。すなわち、支持体11の流量計測装置1の取付けられた側、換言すると副通路18の第1の出口32aに連通する側が、順流を受ける(対面する)ように傾斜して配置されている。なお、第1の出口32aは主通路16の軸方向と直角な方向に面して開口している。また、第2の出口32bは、第1の出口32aから離れた位置に開口している。
【0058】
支持体11に傾斜が無い場合には、副通路18内の流れが支持体11により表面側と裏面側に別れるところで剥離を生じやすく、これが計測時の流れの不安定性(出力ノイズ)の要因となり易い。また、本発明に示すように板型直方体の流量計測素子1の表面で流量計測を行う流量計測装置においては、大量生産を行う際に、支持体の流れに対する1°以下の微小な設置ばらつきが流量計測装置の特性ばらつきの要因となる。そこで、図11に示すように、支持体11を傾斜させることにより、支持体端部で発生する流れの剥離が流量計測素子1表面に影響し難くなるため流量計測時の出力ノイズを低減する効果がある。また、大量生産時の特性ばらつきを抑制する効果もある。
【0059】
ここで、参考までに、従来例の副通路において支持体11を傾斜させた場合を図12に示す。従来の副通路では傾斜させることにより上述した順方向の特性改善は成されるが、逆流21が副通路18内に導入された場合には、支持体11の裏面に当たるため、流量計測素子1に逆流21が当たり難い構成となる。従って、逆流21発生時の計測精度が悪化するという問題があった。
【0060】
本発明によれば、図11のように、第2の出口32bを形成し、流量計測素子1表面に沿って流れる逆流21が流量計測素子1に平行に当たるような構成とすることにより、信頼性、脈動特性、更には出力ノイズ何れの特性も良好な流量計測装置100を提供することが可能となる。
【0061】
以上、流量計測素子1が半導体微細加工技術により製造された場合について説明したが、流量計測素子はアルミナ基板表面に白金等の抵抗体が形成された場合でも上述の第1から第6の実施例の構成をとることが可能である。
【0062】
図13を用いて、アルミナ基板表面に白金等の抵抗体が形成された流量計測素子1を第1の実施例に適用した場合について説明する。流量計測素子1の抵抗体4、5はアルミナ基板の片側に形成されるため、アルミナ基板の抵抗体が形成されていない側の面に、第2の出口32bを形成する。これにより、前述の第1の実施例と同様の効果が得られる。なお、14は流量計測素子1と制御回路12とを接続する接続線である。
【0063】
また、図14は、本発明の各実施例を採用した流量計測装置100を組み込んだガソリンエンジン等の内燃機関のシステム図を示す。スロットルボディ105と吸気マニホールド106とを一体にして、吸気通路17が構成される。スロットルボディ105には、スロットル角度センサ103、アイドルスピードコントロールバルブ104が設けられている。吸入空気はエアクリーナ102、主通路すなわち吸気通路17を経てエンジンのシリンダ110へ吸入される。吸気通路17を流れる途中に、本発明を施した流量計測装置100で流量及び流れ方向が検出され、検出された流量信号は、電圧または周波数により車両コントロールユニット107に取込まれる。また、排気マニホールド111には酸素濃度計112が設けられ、排気ガスの酸素濃度の信号が車両コントロールユニット107に取込まれる。さらに、スロットル角度信号や回転速度計109で検出されたエンジン回転数等の信号も車両コントロールユニット107に取込まれる。
【0064】
車両コントロールユニット107では、これらの信号に基づいて、インジェクタ108から噴射する燃料の量や噴射タイミング等を制御する。また、検出された流量信号は、他のサブシステムの制御にも用いられる。本発明の流量計測装置100は、脈動時の計測誤差低減と信頼性を両立する流量計測装置であるため、これを採用することによりエンジンの燃料供給制御の特性が大幅に改善される。
【0065】
尚、図示はしないが、ディーゼルエンジンシステムの場合も基本構成はガソリンシステムとほぼ同じであり、本発明の流量計測装置を適用することが可能である。
【0066】
また、電気自動車など、燃料電池を用いたシステムにおいて、空気あるいは水素などの流体を計測する流量計測装置にも本技術を適用できる。
【0067】
【発明の効果】
本発明よれば、水滴の流量計測素子への付着による信頼性の低下、エンジンからの熱影響による計測精度の低下を生じること無く、逆流を含む脈動振幅の大きな脈動流、脈動周波数の高い脈動流を発生させるエンジンにおいて計測誤差の少ない流量計測装置を提供することができる。
また、上記構成に加えて、遠心力を発生する副通路に本発明を採用することにより、脈動特性、信頼性何れの特性も良好な流量計測装置を提供することができる。
さらに、上記構成に加えて、支持体を傾斜させることにより、定常流において流量ノイズの小さ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】 本発明の第1の実施例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のA−A断面図、(C)は(B)のB−B断面図である。
【図2】 図1の流量計測装置をエンジンの吸気ダクトに設置した状態を示す図である。
【図3】 本発明の実施例に用いられる流量計測素子の構造及びその製法を示す図である。
【図4】 本発明の実施例に用いられる流量計測装置の駆動方式を示す、回路図である。
【図5】 本発明の第1の実施例の変形例を示すものであり、(A)は縦断面図、(B)は(A)のP−PA断面図である。
【図6】 本発明の第2の実施例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のE−E断面図、(C)は(B)のF−F断面図である。
【図7】 本発明の第3の実施例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のG−G断面図、(C)は(B)のH−H断面図である。
【図8】 本発明の第4の実施例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のI−I断面図、(C)は(B)のJ−J断面図である。
【図9】 本発明の第5の実施例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のK−K断面図、(C)は(B)のL−L断面図、(D)は(B)のM−M断面図である。
【図10】 第5の実施例の動作説明図である。
【図11】 本発明の第6の実施例になる流量計測装置を示す断面図である。
【図12】 従来例において支持体を傾斜させた場合の説明図。
【図13】 本発明の第1の実施例の変形例になる流量計測装置を示すものであり、(A)は(B)の上面図、(B)は(A)のC−C断面図、(C)は(B)のD−D断面図である。
【図14】 本発明の流量計測装置を用いた内燃機関の制御システムの例を示す図である。
Claims (12)
- 板形状の片面に設けられた発熱抵抗体のパターンを有する流量計測素子と、該流量計測素子が配置される副通路を有する流量計測装置において、
前記副通路は、共通の入口と、該入口から流入して前記流量計測素子表面を流れる流体が流出する第1の出口と、前記入口から流入して前記流量計測素子裏面を流れる流体が流出する第2の出口とを備え、前記第2の出口は前記第1の出口と異なる位置に形成されていることを特徴とする流量計測装置。 - 板形状の片面に設けられた発熱抵抗体のパターン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、前記支持体が配置される副通路を有する流量計測装置において、
前記副通路は、共通の入口と、該入口から流入して前記流量計測素子表面を流れる流体が流出する第1の出口と、前記入口から流入して前記支持体の流量計測素子が実装されていない面を流れる流体が流出する第2の出口を備え、前記第2の出口は前記第1の出口と異なる位置に形成されていることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1または2において、前記副通路が、前記支持体の流量計測素子が実装されていない面または流量計測素子の裏面を流体が流れる第1の通路と、前記流量計測素子表面を流体が流れる第2の通路とに完全に分離されていることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項2または3において、前記流量計測素子は、前記支持体の片側の面に、表面が前記支持体の平坦面よりも低い位置になるようにして、接着されていることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項2乃至4のいずれかにおいて、前記支持体は前記副通路の中央付近に位置し、該支持体により前記副通路を、流体が該支持体の流量計測素子が実装されていない面を流れる第1の通路と、前記流量計測素子表面を流れる第2の通路とに2分していることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至5のいずれかにおいて、前記第1の出口は流量計測装置が装着される主通路の軸方向と直角な方向に面して開口しており、前記第2の出口は、前記主通路の軸方向と直角な方向で、かつ、前記第1の出口とは反対の側に面して開口していることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至5のいずれかにおいて、前記第1の出口は流量計測装置が装着される主通路の軸方向と直角な方向に面して開口しており、前記第2の出口は、前記主通路の軸方向に面して開口していることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至5のいずれかにおいて、前記第2の出口の順流の上流側に、突起を設けたことを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至8のいずれかにおいて、前記流量計測素子1の抵抗体をアルミナ基板の片側に形成し、該アルミナ基板の他の面に、前記第2の出口を形成したことを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至9のいずれかにおいて、前記副通路は、副通路内の順流の流れ方向に対して、半径が徐々に小さくなっており、前記流量計測素子は、前記副通路内の外壁面よりも半径方向内側の位置に配置されていることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至10のいずれかにおいて、前記流量計測素子、または前記支持体は流量計測装置が装着される主通路の流れ方向に対して、流量計測装置の取付けられた側が、順流に対面するように傾斜して配置されていることを特徴とする流量計測装置。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載の流量計測装置を吸気通路に設置して吸入空気流量を測定し、燃料供給の制御を行うことを特徴とする内燃機関。
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