JP4576444B2 - 熱式流量計 - Google Patents

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Description

本発明は、被計測流体中に発熱抵抗体を設置し流量を測定する熱式流量計に係り、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定に関わる。
自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する流量センサとして、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量センサが主流になっている。
近年では、シリコン(Si)などの半導体基板上にマイクロマシン技術を用いて熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプの熱式流量計は、半導体基板に形成した数ミクロンの薄膜部に発熱抵抗体を形成している。薄膜であることから熱容量が小さく高速応答・低消費電力化が可能である。また、微細加工により発熱抵抗体の上下流の温度差を検出し、順流・逆流を判別する構造を形成することが容易である。
上記タイプの熱式流量計の従来技術としては、特許文献1に記載されたものがある。
特開2000−146652号公報
たとえば、自動車用内燃機関の吸入空気流量を検出する場合、吸入空気に混入した水滴が流量検出素子に付着し測定誤差が発生する。特に半導体タイプの熱式流量計の場合、検出部が薄膜であることから熱容量が小さく発熱部に水滴が付着すると急激に薄膜部の温度が低下し流量の測定ができなくなってしまう恐れがある。また、水滴の付着により薄膜部が急激に冷却され測定素子が破壊される恐れもある。
従来技術では、センサ素子と一体に整流ブレードを形成している。このような構造の熱式流量計に水滴が飛来してくると、水滴は一度整流ブレードにトラップされ、風圧により整流部材の側面を這い、その後整流ブレードから離れ測定素子の抵抗体の形成領域に付着恐れがある。従来技術では水滴の付着に対する課題を残していた。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、飛来してきた水滴や液状の汚損物が測定素子に付着することを防止した熱式流量計を提供することにある。
上記課題は以下の構成によって解決される。
表面側に発熱抵抗体と測温抵抗体とを形成した測定素子を流体通路内に配置して流量を測定する熱式流量計において、測定素子の表面に対向する流体通路の壁面から測定素子側に突出した片持ち板部を設け、持ち板部を測定素子の上流から下流まで延設し、片持ち板部の根元の板厚よりも先端部の板厚を薄く形成する。ここで、測定素子の表面に対向する壁面は、片持ち板部を支持するものであり、壁面と一体の構造であっても良い。また、片持ち板部の先端部(支持部の反対側)は測定素子から所定の距離はなれギャップを形成している。
このとき、前記壁面と対向する支持部材によって測定素子を支持し、流体通路を構成する第1の壁面と支持部材との間及び第1の壁面に対向する第2の壁面と支持部材との間にそれぞれ流体の流れる流路が構成されるように、かつ測定素子が第1の壁面と対向するように、支持部材を配置し、片持ち板部を第2の壁面から支持部材に向かって突出させ、空隙を片持ち板部の先端部と支持部材との間に設け、片持ち板を支持部材の上流から下流まで延設してもよい。
また、片持ち板部を測定素子の面方向かつ流路軸とほぼ垂直となる方向に複数枚並べて形成するとよい。
また、測定素子の上流側と下流側に、前記壁面側から片持ち板部の先端部を越えて測定素子側又は支持部材側に延設された板状部を設けるとよい。
また、板状部は、壁面と支持部材とによって支持される両持ち板部を構成するようにするとよい。
また、片持ち板部と板状部とがほぼ連続面となるようにするとよい。
また、板状部の側面に、測定素子に近づくに従い測定素子側から壁面側に向かう凸または凹形状のガイド部を形成するとよい。
或いは、板状部の側面に、支持部材に近づくに従い支持板側から第2の壁面に向かう凸または凹形状のガイド部を形成するとよい。
また、片持ち板部の先端部から測定素子までの間隔をGとし、複数の片持ち板部の先端部の間隔をDとするとき、間隔Gと間隔Dとの関係がG>Dとなる部位をもつようにするとよい。
また、流体通路は被計測流体が流れる主通路の流体の一部を取り込む副通路を形成し、副通路内に、流路が直線になる直線部と、直線部の上流および下流に流路が湾曲した湾曲部とを有し、直線部に測定素子を設置するとよい。
本発明によれば、測定素子へ飛来する水滴や液状の汚損物が、測定素子周辺に形成した板によりトラップされ、測定素子を回避するように板の側面を這い下流に流されることにより、測定素子への付着や汚損を防止することができ、高精度な流量測定が可能になる。
以下、本発明に係る実施例を説明する。
第1の実施例について以下説明する。
図1(a)は、測定素子1を設置する部位の断面図である。また、図1(b)は図1(a)におけるX−X線上の断面図であり、図1(c)は図1(a)におけるY−Y線上の断面図である。測定素子1は、支持部材2に形成した矩形状の溝に設置する。また、支持部材2の対面には対面壁3を形成する。測定対象となる空気流4は、これらの支持部材2と対面壁3の間を流れる。
測定素子1に対面する対面壁3には、対面壁3から突出した片持ち板部5を形成する。片持ち板部5の先端部と測定素子1との間にギャップ6を設ける。図1(c)に示すように対面壁3と片持ち板部5はPBTなどの樹脂により一体成型すると製造工程が簡略化する。片持ち板部5は測定素子1の上流側端部から下流側端部まで延設される。片持ち板部5は、図1(c)に示すように、空気流4の流れ方向に対して垂直な方向に複数枚配設する。ここで、片持ち板部5の先端部と測定素子1の表面とのギャップをGとし、片持ち板部5を並設する間隔をDとすると、G>Dとなることが好ましい。ここでGの値は1mm程度であり、これよりも小さくすると、片持ち板部5の先端部と測定素子1の表面との間に、水滴がブリッジするように付着する。
さらに、測定素子1の上流側には対面壁3から突出した両持ち板部7aを形成する。この両持ち板部7aは、片持ち板部5の先端部を越えて測定素子1側に延設された板状部を構成する。両持ち板部7a部は、対面壁3と一体成型すると製造工程が簡略化される。この場合、両持ち板部7aの根元部は対面壁3となり、先端部は支持部材2に接触または、接着剤により接着する。もしくは、両持ち板部7aと支持部材2を一体成型する。この場合、両持ち板部7aの根元部は支持部材2となり、先端部は対面壁3に近接または接着剤により接着する構造としても良い。さらに、片持ち板部5と両持ち板部7aが連続した一枚の板となるように一体成型すると良い。同様に、測定素子1の下流側にも両持ち板部7bを形成する。両持ち板部7bは両持ち板部7aと測定素子1を中心に対称な構造であることが好ましい。
さらに、両持ち板部7a,7bの側面にはガイド部8を設ける。ガイド部8は両持ち板部7a,7bの側面に溝を形成することによりなる。ガイド部8は、測定素子1に近づくにしたがって、対面壁側へ向うように形成する。また、ガイド部8を複数形成する。ガイド部8は両持ち板部の両側面に形成すると良いが、片面に形成しても良い。
ここで、水滴の付着に対する本実施形態の効果を説明する。図3は、本実施形態において、水滴が上流側から飛来した場合における水滴の動きを示した図である。図において、水滴35が上流から飛来してくると、上流側の両持ち板部7aに衝突し付着する。付着した水滴は、空気の流れにより両持ち板部7aの側面を這い下流側へ移動する。このとき、両持ち板部7aの側面に形成したガイド部8により水滴は、測定素子1の対面壁側へ向かう。さらに、水滴は片持ち板部5の側面を這い、下流側の両持ち板部7bへ移動する。このように、水滴は、両持ち板部7a,7b,片持ち板部5に捕獲され、測定素子1への付着を回避するように下流側へ移動する。
図4は、図3におけるY−Y断面を示す。
多量の水滴が飛来した場合、毛細管現象により片持ち板部5の先端と、測定素子1の表面とのギャップGの部分に水が引っ張り込まれる可能性がある。上記のように、片持ち板部5の間隔Dと、ギャップGとの関係がD<Gとなるように形成する。こうすることで、ギャップG部よりも片持ち板部5のDへの水の引き込み力が大きくなり、測定素子1への付着をより低減することができる。
本実施形態では、片持ち板部5,両持ち板部7a,7bを連続する1枚の板としているが、片持ち板部5と両持ち板部7a,7bが分離し、これらの板の側面がほぼ連続した面を持つように形成すればよい。また、両持ち板部7a,7bは、両壁面に固定された形状としているが、どちらかの壁面に固定し、他方の壁面とは微小な隙間がある構成でもよい。また、ガイド部8は、複数の溝を並行に並べる形状としているが、両持ち板部7a,7bの側面に形成し、付着した水滴を対面壁側へガイドする形状であればいかなる形状でもよい。また、ガイド部8は両持ち板部7a,7bに形成しているが、片持ち板部5の側面にも形成しても良い。
次に、測定素子1の構成と測定原理について説明する。
本実施形態による熱式流量計の測定素子1の構成を図4により説明する。図4は、測定素子1を示す平面図である。また図5は、図4におけるA−A線に沿った断面図を示す。
図4,図5において測定素子1の基板9は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板9上に絶縁膜10を形成し、基板9を裏面からエッチングすることで絶縁膜10の下部にダイアフラム部11を形成する。
ダイアフラム部11上の絶縁膜10の表面には発熱抵抗体12を形成する。発熱抵抗体12は、空気流4の温度に対して一定温度高くなるように加熱されている。発熱抵抗体12の両側には温度差センサ13a,13b,14a,14bを形成する。温度差センサ13a,13bは発熱抵抗体12の上流側、温度差センサ14a,14bは発熱抵抗体12の下流側に配置する。また、ダイアフラム部11の外部の絶縁膜10上には、空気流4の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体15を配置する。これらの抵抗体を、絶縁保護膜16により保護する。
上記の発熱抵抗体12、温度差センサ13a,13b,14a,14b、感温抵抗体15は、温度によって抵抗値が変化する比較的抵抗温度係数が大きい材料で形成することが好ましい。したがって、不純物をドープした多結晶シリコンや単結晶シリコンなどの半導体材料、また白金,モリブデン,タングステン,ニッケル合金などの金属材料などで形成すると良い。
測定素子1の端部には、上記抵抗体の電極を取り出し駆動・検出回路と接続するためのアルミなどで形成した電極パッド17を設ける。
次に、測定原理について説明する。図5に、測定素子1の断面構成と共に測定素子1の表面温度の分布を同時に示した。実線は無風時のダイアフラム部11の温度分布を示す。発熱抵抗体12は、空気流4の温度よりもΔTh高くなるように加熱する。図5の破線は、空気流4が発生したときのダイアフラム部11の温度分布である。空気流が発生することにより、発熱抵抗体12の上流側は空気流4により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体12を通過し加熱された空気が流れることから温度が上がる。したがって、温度差センサ13a,13b,14a,14bにより発熱抵抗体12の上下流の温度を測定することにより空気流量に応じた温度差ΔTsが得られる。
次に、測定素子1の駆動・検出回路について説明する。
図6に、測定素子1の駆動・検出回路を示す。発熱抵抗体12と抵抗体18からなる直列回路と、感温抵抗体15と抵抗体19からなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路を構成する。これらの直列回路の中間電圧の差電圧を取り出し、増幅器20に接続する。増幅器20の出力は、トランジスタ21のベースに接続する。トランジスタ21のコレクタは電源VBに接続し、エミッタは、発熱抵抗体12と感温抵抗体15との間に接続しフィードバック回路を構成する。
上記回路により、ブリッジ回路の抵抗バランスが保たれるように制御される。空気流4の温度上昇により、感温抵抗体15の抵抗値が増加すると,同時に発熱抵抗体12に電流が流れ加熱する。これにより、感温抵抗体15と発熱抵抗体12の抵抗バランスが一定に保たれる。すなわち、空気流の温度に対する発熱抵抗体の加熱温度が一定に保たれる。
そして、温度差センサ13aと温度差センサ14aからなる直列回路と、温度差センサ14bと温度差センサ13bを並列に接続したブリッジ回路を構成し、基準電圧Vrefに接続する。空気流により温度差センサ13a・13bと温度差センサ14a・14bに温度差が発生すると、ブリッジ回路の差動電圧が変化し、増幅器22によって検出することにより、空気流量に応じた出力が得られる。
次に、自動車などの内燃機関の吸気管路内に測定素子1を取り付けるための構造を図7に示す。図7において、吸気管路23の壁面から突出するようにベース部材24を設ける。ベース部材24には、吸気管路23内の空気流25の一部を取り込む副通路26を形成する。副通路26内のベース部材24に形成した矩形状の凹部に、測定素子1を設置する。測定素子1を設置する部分の副通路26は、流路が直線となり、その上流側および下流側は湾曲した形状とする。また、ベース部材24内部は、上記の駆動回路を搭載した回路基板27が設けられ、金線ボンディングワイヤー28により測定素子1と電気的に接続する。さらに、駆動回路の電源供給,出力信号の取り出しのための端子29及びコネクタ30を設け、アルミボンディングワイヤー31により駆動回路に接続する。
図8は、図7におけるY−Y線上の断面図を示す。ベース部材24に、カバー部材32を取り付ける。ベース部材24とカバー部材32に挟まれるように副通路26を形成する。測定素子1と駆動回路を繋ぐ金線ボンディングワイヤー28は、エポキシなどの封止剤33により保護する。カバー部材32とベース部材24は、シリコン接着剤などにより接着する。また、カバー部材32と回路基板27をシリコン接着剤34により接着し、副通路26内の空気が駆動回路側に漏れないように分離する。カバー部材32の副通路26を成す部位に複数の突出した板を形成することにより上記の片持ち板5となる。片持ち板部5は、カバー部材32と一体成型である。
次に、第2の実施例について説明する。本実施例の説明では、上記の実施形態との相違点に関して説明する。
図9に本実施例における測定素子1の周辺の断面図を示す。測定素子1の対面に形成した片持ち板部5は、先端部の厚みT2が根元部の厚みT1よりも薄くなるように形成している。すなわち、片持ち板部5の断面形状は、台形や三角形、またはそれに近い形状となっている。このような形状とすることで、片持ち板部5の間に付着した水滴が、毛細管現象により、対面壁側へより引っ張られる効果がえられる。したがって、さらに測定素子1への水滴付着を低減することができる。本実施例においても、複数の片持ち板部5の先端部の間隔Dと、片持ち板部5と測定素子1との間隔Gとの関係がD<Gとなることが好ましい。さらに、上記の形状とすることで、片持ち板部5の機械的強度が向上する。
次に、第3の実施例について説明する。本実施例の説明では、上記の実施例との相違点に関して説明する。図10(a)は、測定素子1を設置する部位の断面図である。また、図10(b)は図1(a)におけるX−X線上の断面図である。図10(a)において、測定素子1の対面には、対面壁3から突出した片持ち板部5を形成し、さらに測定素子1の上流及び下流には測定素子1が設置される側の支持部材2にから突出した片持ち板部36a,36bを設ける。これらの板は複数枚設け、片持ち板部5と片持ち板部36a,36bは、近接し、これらの側面がほぼ連続した同一面となる。さらに、片持ち板部36a,36bの側面にはガイド部8を形成する。
このような構成の場合、片持ち板部36aに付着した水滴はガイド部8により対面壁側へ移動する。さらに、片持ち板部36aと片持ち板部5との隙間が微小であるため、水滴は片持ち板部5へ移動する。さらに、水滴は片持ち板部36bへ移動する。このように、片持ち板部5と片持ち板部36a,36bが分離していても、近接させることによって同様な効果が得られる。
本実施例の利点について説明する。第1の実施例では、測定素子1の上流及び下流に形成した両持ち部板8a,8bは、両持ちとするため少なくとも片方の壁面では接着剤により接着する必要があった。本実施例では、片持ち板部36a,36bを片持ち構造としたことで接着の必要がなく製造工程が簡略化する。
次に、第4の実施例について説明する。本実施例の説明では、上記の実施例との相違点に関して説明する。図11(a)は、測定素子1を設置する部位の断面図である。また、図11(b)は図11(a)におけるX−X線上の断面図である。図11において、測定素子1の対面壁3から突出した片持ち板部5を設ける。測定素子1の上流及び下流には、測定素子1が設置される側の支持部材2と対面壁3によって支持された両持ち板部37a,37bを形成する。片持ち板部5と両持ち板部37a,37bとの位置関係を図11(b)により説明する。片持ち板部5は、測定素子1の面方向かつ流路軸に垂直な方向に複数枚設ける。両持ち板部37a,37bも同様に複数枚設ける。さらに、図11(b)中のZ方向から見た場合、片持ち板部5と両持ち板部37aが重なる部分を持つように、交互に設ける。両持ち板部37bも同様である。さらに、両持ち板部37a,37bの側面にはガイド部8を設ける。
以上の構成において、上流側から水滴が飛来した場合について説明する。飛来した水滴は、両持ち板部37aに付着する。付着した水滴は両持ち板部37aの側面に設けたガイド部8により対面壁側へ移動しながら下流側へ流れる。両持ち板部37aと片持ち板部5が重なる部分に到達すると、水滴は両持ち板部37aと片持ち板部5の両側面に付着する。そして、両持ち板部37aから離れ、片持ち板部5へと移る。水滴は片持ち板部5の側面を這い下流側への移動する。このように、片持ち板部5と両持ち板部37a,37bを分離しているが、水滴の付着を回避することが可能である。
本実施例の利点について説明する。本実施例では、片持ち板部5と両持ち板部37a,37bを交互に設けているため、形成する板の枚数を減らすことが可能である。これにより、片持ち板部5と両持ち板部37a,37bの形成工程が簡略化される。
本実施例における両持ち板部37a,37bは、支持部材2と対面壁3により支えられた構造であるが、支持部材2から突出した片持ち板としても良い。
次に、第5の実施例について説明する。本実施例の説明では、上記の実施形態との相違点に関して説明する。図12(a)は、測定素子1を設置する部位の断面図である。また、図12(b)は図12(a)におけるX−X線上の断面図である。図12(a),図12(b)において、測定素子1は、支持部材2に矩形状の凹部を形成した中に配置する。そして、支持部材2は、流体が流れる通路の内壁から浮くように配置する。さらに、支持部材2の測定素子1が設置される面(表面)に対面するように対面壁3を設ける。さらに、支持部材2の裏面側に裏面壁38を設ける。これにより、流路は支持部材2の表面を流れる表流路39と、支持部材2の裏面を流れる裏流路40に分岐する。支持部材2上流側で分岐した流路は、支持部材2の下流において合流する構成である。
上記のように構成した流路において、 裏面壁から突出した片持ち板部41を複数枚設け、さらに上記流路の分岐点より上流から、上記流路の合流点より下流側まで延設する。また、流路の分岐点の上流側の片持ち板部41は、対面壁3に近接もしくは接着するように形成する。また、流路の合流点の下流側の片持ち板部41においても対面壁3に近接もしくは接着するように形成する。また、片持ち板部41の側面には、測定素子1に近づくにしたがい裏面壁38へ向かうガイド部8を形成する。また、片持ち板部41と支持部材2との間にはギャップを設ける。
以上の構成において、上流側から水滴が飛来した場合について説明する。飛来した水滴は、片持ち板部41の上流側に付着する。付着した水滴は片持ち板部41の側面に設けたガイド部8により裏面壁38側へ移動しながら下流側へ流れる。そして、水滴は片持ち板部41の側面を這い下流側へ移動する。このように、片持ち板部41を形成することにより、測定素子1を設けた表流路39への水滴の進入を防止することが可能である。
第1の実施例におけるセンサ素子周辺を示す図である。 第1の実施例における水滴の動きを示す図である。 第1の実施例における水滴の状態を示す図である。 第1の実施例における測定素子を示す図である。 第1の実施例における測定素子の断面及び温度分布を示す図である。 第1の実施例における測定素子の駆動・検出回路を示す図である。 第1の実施例における測定素子を吸気管路に設置する場合の構成図である。 図7におけるY−Y線上の断面を示す図である。 第2の実施例における測定素子周辺を示す断面図である。 第3の実施例における測定素子周辺を示す図である。 第4の実施例における測定素子周辺を示す図である。 第5の実施例における測定素子周辺を示す図である。
符号の説明
1 測定素子
2 支持部材
3 対面壁
4,25 空気流
5,36a,36b,41 片持ち板部
6 ギャップ
7a,7b,37a,37b 両持ち板部
8 ガイド部
9 基板
10 絶縁膜
11 ダイアフラム部
12 発熱抵抗体
13a,13b,14a,14b 温度差センサ
15 感温抵抗体
16 絶縁保護膜
17 電極パッド
18,19 抵抗体
20,22 増幅器
21 トランジスタ
23 吸気管路
24 ベース部材
26 副通路
27 回路基板
28 金線ボンディングワイヤー
29 端子
30 コネクタ
31 アルミボンディングワイヤー
32 カバー部材
33 封止剤
34 シリコン接着剤
35 水滴
38 裏面壁
39 表流路
40 裏流路

Claims (10)

  1. 基板表面側に発熱抵抗体と測温抵抗体とを形成した測定素子を流体通路内に配置して流
    量を測定する熱式流量計において、
    前記測定素子の表面に対向する流体通路の壁面から前記測定素子側に向かって突出した
    片持ち板部を設け、前記片持ち板部における突き出し方向の先端部と前記測定素子との間
    に空隙を設け、前記片持ち板を前記測定素子の上流から下流まで延設し、前記片持ち板部の根元の板厚よりも先端部の板厚を薄く形成したことを特徴とする熱式流量計。
  2. 請求項1に記載の熱式流量計において、
    前記壁面と対向する支持部材によって前記測定素子を支持し、
    前記流体通路を構成する第1の壁面と前記支持部材との間及び前記第1の壁面に対向する第2の壁面と前記支持部材との間にそれぞれ流体の流れる流路が構成されるように、かつ前記測定素子が前記第1の壁面と対向するように、前記支持部材を配置し、
    前記片持ち板部を前記第2の壁面から前記支持部材に向かって突出させ、前記空隙を前記片持ち板部の先端部と前記支持部材との間に設け、前記片持ち板を前記支持部材の上流から下流まで延設したことを特徴とする熱式流量計。
  3. 請求項1に記載の熱式流量計において、
    前記片持ち板部を前記測定素子の面方向かつ流路軸とほぼ垂直となる方向に複数枚並べて形成したことを特徴とする熱式流量計。
  4. 請求項1に記載の熱式流量計において、
    前記測定素子の上流側と下流側に、前記壁面側から前記片持ち板部の先端部を越えて前記測定素子側又は前記支持部材側に延設された板状部を設けたことを特徴とする熱式流量計。
  5. 請求項4に記載の熱式流量計において、
    前記板状部は、前記壁面と前記支持部材とによって支持される両持ち板部を構成することを特徴とする熱式流量計。
  6. 請求項4に記載の熱式流量計において、
    前記片持ち板部と前記板状部とがほぼ連続面となることを特徴とする熱式流量計。
  7. 請求項5に記載の熱式流量計において、
    前記板状部の側面に、前記測定素子に近づくに従い前記測定素子側から前記壁面側に向かう凸または凹形状のガイド部を形成したことを特徴とする熱式流量計。
  8. 請求項2に記載の熱式流量計において、
    前記板状部の側面に、前記支持部材に近づくに従い前記支持板側から前記第2の壁面に向かう凸または凹形状のガイド部を形成したことを特徴とする熱式流量計。
  9. 請求項3に記載の熱式流量計において、
    前記片持ち板部の先端部から前記測定素子までの間隔をGとし、前記複数の片持ち板部の先端部の間隔をDとするとき、前記間隔Gと前記間隔Dとの関係がG>Dとなる部位をもつことを特徴とする熱式流量計。
  10. 請求項1に記載の熱式流量計において、
    前記流体通路は被計測流体が流れる主通路の流体の一部を取り込む副通路を形成し、
    前記副通路内に、流路が直線になる直線部と、前記直線部の上流および下流に流路が湾曲した湾曲部とを有し、
    前記直線部に前記測定素子を設置したことを特徴とする熱式流量計。
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