JP5218384B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダクトの内部を流れる空気の一部をバイパス通路に取り込み、そのバイパス通路に配置されたセンサ素子によってバイパス通路を流れる空気量を測定する空気流量測定装置に関する。

例えば、エンジンが吸入する空気量を計測する空気流量センサがある。
この空気流量センサは、半導体基板の一部にダイヤフラム（薄膜部）を形成し、そのダイヤフラムの表面上にセンサ素子（発熱抵抗体と側温抵抗体）を配置したセンサチップと、センサ素子を駆動する制御回路とを備えた熱式流量計が公知である。
制御回路は、発熱抵抗体の発熱温度を制御すると共に、発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布に応じて変化する側温抵抗体の抵抗値を基に、エンジンが吸入する空気量に応じた信号を出力する。
この熱式流量計を用いた特許文献１では、センサ素子と制御回路とがワイヤボンディングを介して電気的に接続され、そのワイヤボンディングをポッティング（例えば、エポキシ樹脂）により保護する技術が開示されている。

特開２００１−１２９８７号公報

ところが、特許文献１に示される熱式流量計は、センサチップが配置されるバイパス通路内にポッティングが存在しているため、ポッティングの製造ばらつきが、センサ素子の流量検出に影響する。例えば、ポッティングに多く使用されるエポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）は、加熱して硬化するまでの形状が不安定であるため、製品毎にポッティングの形状が一定ではなく、ばらつきを生じることがある。
このため、ポッティングの製造ばらつきが空気の流れに影響を与える。つまり、空気の流れに乱れや、ばらつきが発生する。その結果、センサ素子での流量検出が不安定となり、出力の時間変動および流量特性のばらつきが問題となる。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ポッティングの製造ばらつきがセンサ素子の流量検出に与える影響を低減でき、その結果、出力の時間変動および流量特性のばらつきを抑制できる空気流量測定装置を提供することにある。

（請求項１に係る発明）
本発明は、ダクトの内部を流れる空気の一部を取り込むバイパス通路と、このバイパス通路に配置され、バイパス通路を流れる空気量を検出するためのセンサ素子を有するセンサチップと、センサ素子を駆動する制御回路とを備え、センサ素子と制御回路とがワイヤボンディングを介して電気的に接続され、そのワイヤボンディングがポッティングにより保護されている空気流量測定装置であって、センサチップの表面との間に隙間を有してセンサ素子とポッティングとの間に隔壁が設けられ、バイパス通路は、隔壁によって、センサ素子が配置される側の通路部分（チップ側通路部と呼ぶ）と、ポッティングを有する側の空間（ポッティング側空間と呼ぶ）とに分割されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、センサ素子とポッティングとの間に隔壁を設けることで、バイパス通路がチップ側通路部とポッティング側空間とに分割されている。これにより、ポッティングの製造ばらつきにより、ポッティング側空間において空気の流れに乱れや、ばらつきが発生しても、チップ側通路部に配置されるセンサ素子の流量検出に与える影響を小さくできる。その結果、センサ素子の流量検出ばらつきを小さくでき、出力の時間変動および流量特性のばらつきを抑制でき、安定した出力特性を得ることが可能となる。

（請求項２に係る発明）
請求項１に記載した空気流量測定装置において、センサ素子を有する表面が露出した状態でセンサチップを凹空間に収容して支持する支持部材を有し、隔壁は、センサチップの表面を含む支持部材の全周に隙間を有して設けられ、この全周に形成される隙間を通じてチップ側通路部とポッティング側空間とが連通しており、空気の流れ方向に対し、センサ素子を搭載するセンサチップの中心位置より上流側に形成される隙間を上流側開口部と呼び、下流側に形成される隙間を下流側開口部と呼ぶ時に、上流側開口部の方が下流側開口部より開口面積が小さく形成されていることを特徴とする。

上記の構成では、支持部材の全周で隔壁との間に隙間が形成され、その隙間を通じてチップ側通路部とポッティング側空間とが連通しているので、バイパス通路を流れる空気の一部は、チップ側通路部から上流側開口部を通ってポッティング側空間に流れ込み、さらに、ポッティング側空間から下流側開口部を通ってチップ側通路部へ流出する。このチップ側通路部へ流出した空気の流れが、バイパス通路（チップ側通路部）を流れるメインの流れに影響を及ぼし、乱れを生むことが起こりうる。
これに対し、本発明では、上流側開口部の開口面積の方が、下流側開口部の開口面積より小さいので、ポッティング側空間から下流側開口部を通ってチップ側通路部へ流出する空気流れ（流出流れと呼ぶ）の速度を小さくすることが可能となる。その結果、メインの流れに対する流出流れの影響を小さくできるので、メインの流れに乱れが生じることを抑制できる。

（請求項３に係る発明）
請求項２に記載した空気流量測定装置において、支持部材の厚さ方向で、その厚さ方向の中心より、センサチップの表面が露出している側をチップ側、その反対側を反チップ側と呼び、下流側開口部のうち、支持部材の下流端面より外側（下流側）に形成される開口部を下流端開口部と呼ぶ時に、この下流端開口部は、チップ側の方が反チップ側より開口面積が大きく形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、上流側開口部の開口面積の方が下流側開口部の開口面積より小さく、且つ、その下流側開口部のうち、支持部材の下流端面より外側（下流側）に形成される下流端開口部では、チップ側の方が反チップ側より開口面積が大きく形成されている。これにより、センサチップの表面が露出しているチップ側においては、メインの流れに対する流出流れの影響をより小さくできるので、センサ素子の流量検出ばらつきを更に小さくでき、安定した出力特性を得ることが出来る。

エアフロメータを吸気ダクトに取り付けた状態を示す断面図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図である。 図２に示すＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）センサ部による流量計測の原理を説明する温度分布図、（ｂ）センサ素子の断面図である。 実施例１に係る空気の流れを説明するセンサボディの断面図である。 （ａ）実施例２に係る空気の流れを説明するセンサボディの断面図、（ｂ）実施例１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 実施例１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である（実施例３）。 実施例１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である（実施例３）。 実施例１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である（実施例３）。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

（実施例１）
この実施例１は、例えば、自動車用エンジンの吸入空気量を計測するエアフロメータ１に本発明の空気流量測定装置を適用した一例である。
エアフロメータ１は、図１に示す様に、吸気ダクト２に取り付けられるセンサボディ３と、このセンサボディ３の内部に挿入されるセンシング部４とを有する。
吸気ダクト２は、エンジンの吸気ポート（図示せず）に接続される吸気通路の一部を形成するもので、例えば、吸気通路の最上流に配置されるエアクリーナの出口パイプ、あるいは、この出口パイプの下流側に接続される吸気管等である。

センサボディ３は、吸気ダクト２に開けられた取付け孔より吸気ダクト２の内部に着脱可能に挿入され、コネクタ３ａと一体に設けられたフランジ部３ｂを介して吸気ダクト２に固定されている。コネクタ３ａは、例えば、エンジンの運転状態を制御する電子制御装置であるＥＣＵ（図示せず）と電気的に接続される。
また、センサボディ３には、吸気ダクト２の内部を図１の左側（エアクリーナ側）から右側（エンジン側）に向かって流れる空気（図中に示す主流）、つまり、エンジンに吸入される空気の一部を取り込むバイパス通路が形成されている。

このバイパス通路は、吸気ダクト２の上流に向かって開口する入口５ａと、吸気ダクト２の下流に向かって開口する出口５ｂとの間を略直線的に連通するメイン通路５と、このメイン通路５を流れる空気の一部を取り込むサブ通路６とで構成される。
サブ通路６は、メイン通路５の途中から分岐して形成され、通路途中に大きな曲がり部を有してメイン通路５より通路長が長く形成されている。また、サブ通路６の出口６ａは、メイン通路５の出口５ｂの周囲に環状に開口して形成されている。

センシング部４は、図２に示す様に、空気量を検出するためのセンサ素子７を有するセンサチップ８と、センサ素子７を駆動する制御回路９とで構成され、この制御回路９とセンサチップ８とが支持部材１０に支持され、センサアッセンブリとして一体に構成されている。なお、センサチップ８は、センサ素子７を有する表面が露出した状態で、支持部材１０に形成された凹空間に収容されている。
このセンシング部４は、図１に示す様に、センサチップ８がサブ通路６を流れる空気に晒されるように配置されている。
センサ素子７は、図４（ｂ）に示す様に、センサチップ８に形成されるダイヤフラム１１の表面上に設けられ、制御回路９により通電加熱される発熱抵抗体１２と、この発熱抵抗体１２の上流側（図示左側）に近接して配置される上流側温抵抗体１３と、発熱抵抗体１２の下流側に近接して配置される下流側温抵抗体１４とで構成される。

制御回路９は、サブ通路６を流れる空気の温度よりも所定温度だけ高い基準温度に発熱抵抗体１２の発熱温度が維持される様に発熱抵抗体１２を通電加熱すると共に、両側温抵抗体１３、１４の抵抗値を基に、空気の流量と流れ方向（順流と逆流）とに応じたセンサ信号を出力する。
センサ素子７を構成する各抵抗体１２〜１４と制御回路９は、図２に示す様に、ワイヤボンディング１５を介して電気的に接続されている。なお、センサチップ８には、配線パターンを通じて各抵抗体１２〜１４に繋がる電極（図示せず）が形成され、この電極と、制御回路９の基板上に設けられる電極（図示せず）とがワイヤボンディング１５によって接続されている。さらに、ワイヤボンディング１５は、例えば、エポキシ樹脂を用いたポッティング１６に覆われて保護されている。また、ポッティング１６とセンサ素子７との間には、後述する隔壁１７（図２参照）が設けられている。

次に、センシング部４による空気流量の計測原理について説明する。
制御回路９を通じて発熱抵抗体１２が基準温度に通電加熱されると、発熱抵抗体１２の発熱による温度分布が生じる。ここで、サブ通路６に空気の流れが発生していない時は、図４（ａ）に破線グラフで示す様に、発熱抵抗体１２の位置を中心として上流側と下流側とで温度分布が左右対称となるため、上流側温抵抗体１３で検出される温度と、下流側温抵抗体１４で検出される温度とが等しくなる。
これに対し、例えば、サブ通路６に順流（図１に示す矢印方向の空気流れ）が生じると、図４（ａ）に実線グラフで示す様に、発熱抵抗体１２の下流側（図示右側）へ片寄った温度分布が生じるため、上流側温抵抗体１３の検出温度より、下流側温抵抗体１４の検出温度の方が高くなる。

一方、サブ通路６に逆流が生じると、発熱抵抗体１２の上流側（図示左側）へ片寄った温度分布が生じるため、下流側温抵抗体１４の検出温度より、上流側温抵抗体１３の検出温度の方が高くなる。
これにより、上流側温抵抗体１３の検出温度と下流側温抵抗体１４の検出温度との間に温度差ＤＴｈが生じるため、この温度差ＤＴｈに応じて、上流側温抵抗体１３と下流側温抵抗体１４の抵抗値がそれぞれ変化し、この抵抗値の変化により生じる電位差が増幅されて、センサ信号（例えばアナログ電圧）としてＥＣＵへ出力される。なお、センサ信号は、アナログ電圧を周波数値に変換して出力することも出来る。

続いて、本発明に係る隔壁１７について説明する。
サブ通路６を形成するセンサボディ３には、センサ素子７とポッティング１６との間に隔壁１７が設けられている。この隔壁１７は、図３に示す様に、センサチップ８の表面（センサ素子７を有する面）を含む支持部材１０の全周に隙間を有して設けられている。
つまり、サブ通路６は、図２に示す様に、センサ素子７とポッティング１６との間に隔壁１７を設けたことにより、センサ素子７が配置される側の通路部分（チップ側通路部６Ａと呼ぶ）と、ポッティング１６を有する側の空間（ポッティング側空間６Ｂと呼ぶ）とに分割されている。但し、隔壁１７は、センサチップ８の表面を含む支持部材１０の全周に隙間を有して設けられているので、その隙間を通じてチップ側通路部６Ａとポッティング側空間６Ｂとが連通している。

また、図３に示す様に、空気の流れ方向（図示矢印で示す方向）に対し、センサ素子７を搭載するセンサチップ８の中心位置（図示一点鎖線で示す位置）より上流側に形成される隙間を上流側開口部１８、下流側に形成される隙間を下流側開口部１９と呼ぶ時に、上流側開口部１８の開口面積Ｓ１の方が、下流側開口部１９の開口面積Ｓ２より小さく形成されている。

（実施例１の作用および効果）
本実施例のエアフロメータ１は、センサチップ８に形成されるセンサ素子７と、ワイヤボンディング１５を保護するポッティング１６との間に隔壁１７を設けたことにより、ポッティング１６の製造ばらつきにより生じる空気流れの乱れがセンサ素子７の流量検出に与える影響を小さくできる。つまり、センサ素子７とポッティング１６との間で、センサチップ８を支持する支持部材１０の全周に隔壁１７を設けることで、サブ通路６をチップ側通路部６Ａとポッティング側空間６Ｂとに分割することができる。
これにより、ポッティング１６の製造ばらつきにより、ポッティング側空間６Ｂにおいて空気の流れに乱れや、ばらつきが発生しても、チップ側通路部６Ａに配置されるセンサ素子７の流量検出に与える影響を小さくできる。

なお、隔壁１７は、センサチップ８および支持部材１０に当接することはなく、センサチップ８を含む支持部材１０の全周に隙間を有して設けられている。このため、サブ通路６を流れる一部の空気は、図５に矢印で示す様に、チップ側通路部６Ａから上流側開口部１８を通ってポッティング側空間６Ｂに流れ込み、その後、ポッティング側空間６Ｂから下流側開口部１９を通ってチップ側通路部６Ａへ流出する。この時、チップ側通路部６Ａへ流出した空気の流れ（以下、流出流れと呼ぶ）が、チップ側通路部６Ａを流れるメインの流れに影響を及ぼすことが想定される。

これに対し、本実施例では、上流側開口部１８の開口面積Ｓ１の方が、下流側開口部１９の開口面積Ｓ２より小さく形成されているので、ポッティング側空間６Ｂから下流側開口部１９を通ってチップ側通路部６Ａへ流出する空気の流れ（流出流れ）の速度を小さくできる。これにより、チップ側通路部６Ａを流れるメインの流れに対する流出流れの影響を低減でき、メインの流れに乱れが生じることを抑制できる。その結果、ポッティング１６の製造ばらつきに係わらず、チップ側通路部６Ａを流れる空気の流れ（メインの流れ）が安定するため、センサ出力の時間変動および流量特性のばらつきを抑制でき、安定した出力特性を得ることが可能となる。

（実施例２）
この実施例２は、図６に示す様に、下流側開口部１９を第１の下流側開口部１９ａと第２の下流側開口部１９ｂとに分けて形成した一例である。
第１の下流側開口部１９ａは、図６（ｂ）に矢印で示す空気の流れ方向に対し、センサ素子７を搭載するセンサチップ８の中心位置（図示一点鎖線で示す位置）より下流側で支持部材１０の周囲に形成されている。
一方、第２の下流側開口部１９ｂは、第１の下流側開口部１９ａとの間に仕切壁２０を介して第１の下流側開口部１９ａより更に下流側に形成されている。
なお、ポッティング側空間６Ｂは、第１の下流側開口部１９ａと第２の下流側開口部１９ｂとの間が仕切壁２０によって遮断されることはなく、図６（ａ）に示す様に、第１の下流側開口部１９ａと第２の下流側開口部１９ｂとの間が仕切壁２０の裏側で連通している。

この実施例２に示す構成によれば、チップ側通路部６Ａから上流側開口部１８を通ってポッティング側空間６Ｂへ流れ込んだ空気は、そのポッティング側空間６Ｂから第１の下流側開口部１９ａと第２の下流側開口部１９ｂとを通ってチップ側通路部６Ａへ流出する。つまり、ポッティング側空間６Ｂからチップ側通路部６Ａへ流出する空気の一部は、センサチップ８から、より遠い位置に開口する第２の下流側開口部１９ｂを通るため、チップ側通路部６Ａを流れるメインの流れに対する流出流れの影響をより小さくできる。その結果、メインの流れが更に安定するため、センサ出力の時間変動および流量特性のばらつきが抑制され、より安定した出力特性を得ることが可能となる。

（実施例３）
この実施例３は、下流側開口部１９の開口面積を支持部材１０の厚さ方向で変化を持たせた一例である。
具体的には、図７に示す様に、支持部材１０の厚さ方向（図示左右方向）で、その厚さ方向における支持部材１０の中心より、センサチップ８の表面が露出している側（図示左側）をチップ側と呼び、その反対側を反チップ側と呼び、且つ、下流側開口部１９のうち、支持部材１０の下流端面より外側（図示上側）に形成される開口部（図示一点鎖線のハッチングで示す領域）を下流端開口部１９ｃと呼ぶ時に、この下流端開口部１９ｃは、反チップ側からチップ側に向かって次第に開口面積が大きくなる様に、下流端開口部１９ｃの図示上端が傾斜して設けられている。

また、図８は、下流端開口部１９ｃの傾斜面を反チップ側に片寄って設けた一例である。 さらに、図９は、下流端開口部１９ｃのチップ側に設けられる隔壁１７に凹部を形成することでチップ側の開口面積を拡大した一例である。
この実施例３では、下流端開口部１９ｃの開口面積が、反チップ側よりチップ側の方が大きく形成されているので、センサチップ８の表面が露出しているチップ側においては、メインの流れに対する流出流れの影響をより小さくできる。その結果、センサ素子７の流量検出ばらつきを更に小さくでき、より安定した出力特性を得ることが出来る。
なお、図７〜図９は、実施例３の三つの例を示したものであり、この三つの例に限定されるものではない。

１ エアフロメータ（空気流量測定装置）
２ 吸気ダクト
５ メイン通路（バイパス通路）
６ サブ通路（バイパス通路）
６Ａ チップ側通路部
６Ｂ ポッティング側空間
７ センサ素子
８ センサチップ
９ 制御回路
１０ 支持部材
１５ ワイヤボンディング
１６ ポッティング
１７ 隔壁
１８ 上流側開口部
１９ 下流側開口部
１９ｃ 下流端開口部

Claims (3)

1. ダクトの内部を流れる空気の一部を取り込むバイパス通路と、
   このバイパス通路に配置され、前記バイパス通路を流れる空気量を検出するためのセンサ素子を有するセンサチップと、
   前記センサ素子を駆動する制御回路とを備え、
   前記センサ素子と前記制御回路とがワイヤボンディングを介して電気的に接続され、そのワイヤボンディングがポッティングにより保護されている空気流量測定装置であって、 前記センサチップの表面との間に隙間を有して前記センサ素子と前記ポッティングとの間に隔壁が設けられ、
   前記バイパス通路は、前記隔壁によって、前記センサ素子が配置される側の通路部分（チップ側通路部と呼ぶ）と、前記ポッティングを有する側の空間（ポッティング側空間と呼ぶ）とに分割されていることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載した空気流量測定装置において、
   前記センサ素子を有する表面が露出した状態で前記センサチップを凹空間に収容して支持する支持部材を有し、
   前記隔壁は、前記センサチップの表面を含む前記支持部材の全周に隙間を有して設けられ、この全周に形成される隙間を通じて前記チップ側通路部と前記ポッティング側空間とが連通しており、
   空気の流れ方向に対し、前記センサ素子を搭載する前記センサチップの中心位置より上流側に形成される前記隙間を上流側開口部と呼び、下流側に形成される前記隙間を下流側開口部と呼ぶ時に、前記上流側開口部の方が前記下流側開口部より開口面積が小さく形成されていることを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項２に記載した空気流量測定装置において、
   前記支持部材の厚さ方向で、その厚さ方向の中心より、前記センサチップの表面が露出している側をチップ側、その反対側を反チップ側と呼び、
   前記下流側開口部のうち、前記支持部材の下流端面より外側（下流側）に形成される開口部を下流端開口部と呼ぶ時に、
   この下流端開口部は、前記チップ側の方が前記反チップ側より開口面積が大きく形成されていることを特徴とする空気流量測定装置。

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