JP5183683B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば吸気配管に形成された挿入孔に挿入して設置され、吸気配管を通過する空気の流量を測定する流量測定装置に関するものである。

従来、吸気配管を流れる空気の流量を検出する流量検出素子と、この流量検出素子を駆動する回路基板と、この回路基板及び前記流量検出素子を支持した支持部材とを備えた流量測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この樹脂製の支持部材は、ベースと、このベースに重ねて接着材で接合されているとともに、前記回路基板及び前記流量検出素子を載置したプレートとから構成されており、回路基板に対面する領域と、この領域と比較して肉薄であって前記流量検出素子の検出部に対面する領域との間に段差部が形成されている。

特開２００９−００８６１９号公報（段落００１２〜００３１）

上記構成の流量測定装置は、接着材の硬化処理や使用環境での温度変化により、回路基板に対面する領域と比較して肉薄の流量検出素子の検出部が対面する領域が変形する際、段差部を基点として変形が発生するため、段差部近傍に配置された流量検出素子に応力がかかり、このことに起因して流量検出精度が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、流量検出素子に加わる応力を低減させることで、流量検出精度の低下を防止した流量測定装置を提供することを目的としている。

この発明に係る流量測定装置は、配管に形成された挿入孔に挿入して設置され、前記配管を通過する被計測流体の流量を測定する流量測定装置において、前記被計測流体の流量を検出する流量検出素子と、この流量検出素子に対して前記挿入孔側に設けられ前記流量検出素子を駆動する回路基板と、この回路基板及び前記流量検出素子を支持した樹脂製の支持部材とを備え、前記支持部材は、前記回路基板に対面する領域と、前記流量検出素子の検出部に対面する領域との間に段差部が形成された流量測定装置であって、
前記支持部材において、前記検出部に対面する領域よりも、前記挿入孔と反対側に、前記流量検出素子に加わる応力を低減させるための応力低減手段が設けられており、
前記応力低減手段は、前記支持部材における前記流量検出素子の載置面とは反対側の面に形成された溝部である。

この発明による流量測定装置によれば、支持部材において、検出部に対面する領域よりも、挿入孔と反対側に、流量検出素子に加わる応力を低減させるための応力低減手段を設けたので、流量検出精度の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１の流量測定装置を示す側断面図である。 図１の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。 図１の流量測定装置の背面図である。 図２の要部拡大図である。 図１の要部拡大図である。 図１の流量測定装置の変形を表す図である。 この発明の実施の形態２の流量測定装置を示す側断面図である。 図７の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。 図７の流量測定装置の背面図である。 この発明の実施の形態３の流量測定装置を示す側断面図である。 図１０の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。 図１０の流量測定装置の背面図である。 この発明の実施の形態４の流量測定装置を示す側断面図である。 図１３の要部拡大図である。 この発明の実施の形態５の流量測定装置を示す側断面図である。 図１５の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。 図１６の流量測定装置の背面図である。 図１６の流量検出部の断面図である。 この発明の実施の形態６の流量測定装置を示す側断面図である。 図１９の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図である。 図２０の流量測定装置の背面図である。 図６のものとの比較例を示す図である。

以下、この発明の各実施の形態について、図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の流量測定装置を示す側断面図、図２は図１の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図、図３は図１の流量測定装置の背面図、図４は図２の要部拡大図、図５は図１の要部拡大図、図６は図１の温度変化による変形を示す側断面図である。
この流量測定装置は、吸気配管１を通過する被計測流体である空気の流量を測定するもので、内燃機関の吸気配管１に挿入孔２に挿入されて設置されている。
この流量測定装置は、空気の流量を検出する流量検出素子３と、この流量検出素子３に対して挿入孔２側に設けられ流量検出素子３を駆動する回路基板５と、この回路基板５を支持するとともに、流量検出素子３を支持した支持部材８と、支持部材８と重ねて設けられ、支持部材８と協同して空気の一部が流入するバイパス通路７を形成したカバー１２とを備えている。
ベース８ａ及びプレート８ｂで構成された支持部材８は、回路基板５に対面する領域と、流量検出素子３の検出部１０に対面する領域との間に段差部９が形成されている。支持部材８は、検出部１０に対面する領域が回路基板５に対面する領域よりも肉薄である。

上記プレート８ｂは、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂で成形されている。プレート８ｂでは、窓状の枠部８ｂ１に回路基板５が接着固定されている。また、プレート８ｂは、バイパス通路７側の枠部８ｂ１に隣接して凹部８ｂ２が形成されている。この凹部８ｂ２には、流量検出素子３が収納されている。この流量検出素子３は、回路基板５とワイヤボンディングによりワイヤ２７にて電気的に接続されている。なお、電気的な接続手段は溶接、半田付け等で行われてもよい。
上記流量検出素子３は、流量検出面１３がバイパス通路７の壁面の一部を形成している。流量検出素子３は、シリコンあるいはセラミック等の絶縁板の裏面からエッチングにより薄肉部を形成し、この薄肉部上に、流量検出抵抗体２３及び温度補償用抵抗体２４からなる検出部１０が構成されている。

また、プレート８ｂには、流量検出素子３から挿入孔２と反対側に離れた部位であって、流量検出素子３の載置面とは反対側の面に流量検出素子３に加わる応力を低減するための応力低減手段である溝部１１ａが形成されている。

上記ベース８ａは、プレート８ｂを枠部８ｂ１で接着材により固定している。このベース８ａは、挿入孔２側に外部と信号の授受を行うコネクタ１９とモールド成形により一体化されている。コネクタ１９のターミナルは、一端部が端子であるとともに他端部が回路基板５と電気的に接続されている。

上記カバー１２は、ベース８ａの回路基板５側の面及びプレート８ｂの流量検出素子３の載置面側に接着固定されており、回路基板５を覆っているとともに、バイパス通路溝２０が形成されている。このバイパス通路溝２０は、プレート８ｂと協同して屈曲したバイパス通路７を形成している。このカバー１２は、肉厚及び樹脂容量がプレート８ｂよりも大きい。
このような場合、カバー１２の厚み方向の収縮量が大きく、プレート８ｂがカバー１２側に引っ張られ、変形する量が大であるものの、溝部１１ａが形成されていることにより、プレート８ｂの変形に伴う流量検出素子３に加わる応力の低減効果は大である。

次に、応力低減手段である溝部１１ａの作用について説明する。
図２２は、特許文献１に示された、溝部１１ａの無い流量測定装置を示す側断面図である。
流量測定装置は、プレート８ｂと流量検出素子３、ベース８ａとプレート８ｂ、プレート８ｂとカバー１２とがそれぞれ熱硬化性の接着材で接着されており、接着材は組立て時に高温下で硬化する。
各部材の樹脂が高温下で熱膨張した状態で接着され、この時は流量検出素子３に応力はかかっていない。
次に、接着材硬化後、常温に冷却する際、高温下にて膨張した各部材の樹脂が収縮する。この際に問題となるのはプレート８ｂとカバー１２の接着箇所である。冷却により樹脂製のカバー１２、プレート８ｂが共に収縮するが、カバー１２の厚さはプレート８ｂの厚さと比較して厚いため厚み方向の収縮量が大きく、矢印Ａに示すように、カバー１２側に引っ張られてプレート８ｂが変形する。
この際、変形となる基点は、支持部材８のうち、回路基板５に対面する領域と流量検出素子３の検出部１０に対面する領域との間の段差部９である。支持部材８は、検出部１０に対面する領域は、回路基板５に対面する領域と比較して肉厚が薄いために、段差部９の根元部Ｇを基点として変形する。この検出部１０に対面する領域の変形に起因して、樹脂性のプレート８ｂが熱膨張率の異なる流量検出素子３の一部を押し上げ、流量検出素子３の流量検出面１３に対して垂直な矢印Ｂの応力が発生する。

この状態で製品として出荷されるため、流量検出素子３に残留応力として負荷されたままの状態となる。
但し、この残留応力が変化しなければ流量検出素子３の特性として問題にはならない。

しかしながら、使用環境下において、樹脂が経時的に劣化し、ヤング率低下等の物性が変化する。特に高温下において樹脂劣化は顕著に進行する。この物性変化により、熱硬化により収縮していたカバー１２が徐々に収縮前の元の形状に戻ろうとするためプレート８ｂの変形も緩和され、残留応力が緩和される。この応力緩和により、流量検出素子３に形成された抵抗体の抵抗値が徐々に変動して、流量検出の精度が低下する問題が生じる。

また、製品として出荷された以降で、流量検出測定装置の取付け環境にて高温下にさらされた場合、接着材硬化時の変形と同様に、各部材の樹脂が熱膨張する。この際にも問題となるのはプレート８ｂとカバー１２の接着箇所であり、高温による熱膨張に起因して、熱硬化により収縮していたカバー１２が収縮前の元の形状に戻ろうとするため、プレート８ｂの変形も緩和され、残留応力が緩和される。
この応力緩和により、流量検出素子３に形成された抵抗体の抵抗値が一時的に変動して、流量検出の精度が低下する問題が生じる。

上記課題に示すように、流量検出素子３に応力が負荷されたままの状態で製品として出荷されると流量検出素子３の特性がクリープにより経時的に起こす変化や高温下での一時的な変化が発生することで流量測定装置の検出精度が低下する。

これに対して、この実施の形態では応力低減手段しての溝部１１ａが設けられているので、接着材を熱硬化後に冷却するとカバー１２側に引っ張られてプレート８ｂが変形する際、変形の基点が図６で示すように溝部１１ａ近傍に移動する。
このため、樹脂の劣化や温度変化が生じた際も、プレート８ｂは溝部１１ａから下部側で変形し、流量検出素子３に発生する応力が大幅に低減され、流量測定装置の検出精度の低下を防止することができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２の流量測定装置を示す側断面図、図８は図７の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図、図９は図７の流量測定装置の背面図である。
この実施の形態では、ベース８ａは、流量検出素子３の載置面と反対側のプレート８ｂ
の面を覆った、応力低減手段としての補強部１１ｂが付設されている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態２では、支持部材８が変形する基点が補強部１１ｂの先端部Ｈとなり、支持部材８は、流量検出素子３から離れた基点から変形し、実施の形態１と同様に、流量検出素子３に発生する応力が大幅に低減され、流量測定装置の検出精度の低下を防止することができる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３の流量測定装置を示す側断面図、図１１は図１０の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図、図１２は図１０の流量測定装置の背面図である。
この実施の形態では、プレート８ｂは、流量検出素子３の載置面と反対側の面が膨大した、応力低減手段として肉厚の補強部１１ｃが付設されている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態３では、支持部材８が変形する基点が補強部１１ｃの根元部Ｉとなり、支持部材８は、流量検出素子３から離れた基点から変形し、実施の形態１と同様に、流量検出素子３に発生する応力が大幅に低減され、流量測定装置の検出精度の低下を防止することができる。

実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４の流量測定装置を示す側断面図、図１４は図１３の要部拡大図である。
この実施の形態では、流量検出素子３を収納したプレート８ｂの載置面側の凹部８ｂ２であって、流量検出素子３の挿入孔とは反対側の先端部付近に、応力低減手段としての溝部１１ｄが形成されている。
この溝部１１ｄは、図１４（右図）に示すように、流量検出素子３の先端部付近の検出部１０に対向する領域に形成するとともに、基点Ｃからプレート８ｂが変形しても流量検出素子３と干渉しないように、流量検出素子３の先端とプレート８ｂとの間に隙間を有するように形成される。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態４では、プレート８ｂは、溝部１１ｄの基点Ｃを中心に矢印Ｄ方向に変形するも、検出部１０は溝部１１ｄの空間部に位置しているとともに、流量検出素子３の先端部とプレート８ｂとの間には隙間があるので、流量検出素子３には、プレート８ｂの変形による応力が発生せず、実施の形態１と同様に流量測定装置の検出精度の低下を防止することができる。

実施の形態５．
図１５はこの発明の実施の形態５の流量測定装置を示す側断面図、図１６は図１５の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図、図１７は図１５の流量測定装置の背面図である。
この実施の形態では、プレート８ｂに、流量検出素子３の三方を囲んだ応力低減手段としての溝部１１ｅを設けている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態５では、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、図１８に示すように、プレート８ｂに矢印Ｅ方向に収縮応力が発生し、短手方向に沿って撓み変形が生じた際にも、基点Ｆを中心にプレート８ｂが変形するため、流量検出素子３に加わる応力を更に確実に低減させることができる。

実施の形態６．
図１９はこの発明の実施の形態６の流量測定装置を示す側断面図、図２０は図１９の流量測定装置の一部を切り欠いた正面図、図２０は図１９の流量測定装置の背面図である。
この実施の形態では、プレート８ｂに、流量検出素子３の三方を囲んだ応力低減手段としての貫通孔１１ｆが形成されている。この貫通孔１１ｆには、接着材が充填されており、バイパス通路７が外部と連通するのを防止している。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態６では、実施の形態５のものと比較して、さらに流量検出素子３への応力低減効果が大である。
なお、貫通孔１１ｆについても、実施の形態１のものと同様に、流量検出素子３の下側に横方向に延びて１箇所形成するようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態では、支持部材８は、製造工程での取り扱いの便利性からベース８ａとプレート８ｂとの２部材で構成し、製造工程の途中でベース８ａとプレート８ｂとを接着材により接着したが、ベース及びプレートがモールド成形により一体で形成してもよい。
また、上記各実施の形態では、プレート８ｂと協同してバイパス通路７を形成するカバー１２を備えた流量測定装置について説明したが、カバーがなく、吸気配管１内に流れる空気の流量を直接測定する流量測定装置にも、この発明は適用できる。
また、ベース８ａ及びプレート８ｂは、ＰＢＴ樹脂で構成されたが、勿論このものに限定されるものではなく、耐熱性、絶縁性に優れた低熱伝導率の他の樹脂であってもよい。 また、上記各実施の形態では、内燃機関の吸気配管１に設置された流量測定装置について説明したが、内燃機関の排気配管に設置してもより。
また、被計測流体として空気以外の流体であってもよい。
また、上記各実施の形態における応力低減手段を複数組みあせて構成してもよいのは勿論である。
また、上記各実施の形態では、支持部材８は、検出部１０に対面する領域が回路基板５に対面する領域よりも肉薄であるが、検出部１０に対面する領域が回路基板５に対面する領域よりも肉厚であっても、この発明は適用できる。

１ 吸気配管、２ 挿入孔、３ 流量検出素子、５ 回路基板、７ バイパス通路、８ 支持部材、８ａ ベース、８ｂ プレート、８ｂ１ 枠部、８ｂ２ 凹部、９ 段差部、１０ 検出部、１１ａ，１１ｄ，１１ｅ 溝部（応力低減手段）、１１ｂ，１１ｃ 補強部（応力低減手段）、１１ｆ 貫通孔（応力低減手段）、１２ カバー、１３ 流量検出面、１９ コネクタ、２０ バイパス通路溝、２３ 流量検出抵抗体、２４ 温度補償用抵抗体、２７ ワイヤ。

Claims (8)

1. 配管に形成された挿入孔に挿入して設置され、前記配管を通過する被計測流体の流量を測定する流量測定装置において、
   前記被計測流体の流量を検出する流量検出素子と、
   この流量検出素子に対して前記挿入孔側に設けられ前記流量検出素子を駆動する回路基板と、
   この回路基板及び前記流量検出素子を支持した樹脂製の支持部材とを備え、
   前記支持部材は、前記回路基板に対面する領域と、前記流量検出素子の検出部に対面する領域との間に段差部が形成された流量測定装置であって、
   前記支持部材において、前記検出部に対面する領域よりも、前記挿入孔と反対側に、前記流量検出素子に加わる応力を低減させるための応力低減手段が設けられており、
   前記応力低減手段は、前記支持部材における前記流量検出素子の載置面とは反対側の面に形成された溝部であることを特徴とする流量測定装置。
2. 前記溝部は、前記流量検出素子の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
3. 配管に形成された挿入孔に挿入して設置され、前記配管を通過する被計測流体の流量を測定する流量測定装置において、
   前記被計測流体の流量を検出する流量検出素子と、
   この流量検出素子に対して前記挿入孔側に設けられ前記流量検出素子を駆動する回路基板と、
   この回路基板及び前記流量検出素子を支持した樹脂製の支持部材とを備え、
   前記支持部材は、前記回路基板に対面する領域と、前記流量検出素子の検出部に対面する領域との間に段差部が形成された流量測定装置であって、
   前記支持部材において、前記検出部に対面する領域よりも、前記挿入孔と反対側に、前記流量検出素子に加わる応力を低減させるための応力低減手段が設けられており、
   前記応力低減手段は、貫通孔であることを特徴とする流量測定装置。
4. 配管に形成された挿入孔に挿入して設置され、前記配管を通過する被計測流体の流量を測定する流量測定装置において、
   前記被計測流体の流量を検出する流量検出素子と、
   この流量検出素子に対して前記挿入孔側に設けられ前記流量検出素子を駆動する回路基板と、
   この回路基板及び前記流量検出素子を支持した樹脂製の支持部材とを備え、
   前記支持部材は、前記回路基板に対面する領域と、前記流量検出素子の検出部に対面する領域との間に段差部が形成された流量測定装置であって、
   前記支持部材において、前記検出部に対面する領域よりも、前記挿入孔と反対側に、前記流量検出素子に加わる応力を低減させるための応力低減手段が設けられており、
   前記応力低減手段は、前記支持部材における前記流量検出素子の載置面側であって、前記流量検出素子の前記挿入孔とは反対側の先端部付近に形成した溝部であることを特徴とする流量測定装置。
5. 前記支持部材と重ねて設けられ、支持部材と協同して前記被計測流体の一部が流入するバイパス通路を形成した樹脂製のカバーを備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか1項に記載の流量測定装置。
6. 前記支持部材と前記カバーとは、熱硬化性の接着材で接着されていることを特徴とする請求項５に記載の流量測定装置。
7. 前記カバーは、前記被計測流体に露出した前記検出部の流量検出面に対して垂直方向の厚さが、前記支持部材の前記検出部に対面する領域の前記厚さよりも大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の流量測定装置。
8. 前記支持部材は、ベースと、このベースに重ねて接合されているとともに、前記回路基板及び前記流量検出素子を載置したプレートとから構成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の流量測定装置。

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