JP5287456B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の空気流路を通過する空気流の流量を検出する空気流量測定装置に関する。

従来から、例えば、車両の内燃機関に吸入される空気流の流量（以下、吸気量と呼ぶ）の検出には、空気流との伝熱を利用する熱式の空気流量測定装置が用いられている。すなわち、この空気流量測定装置は、空気流路を通過する空気流により熱を奪われることで、空気流の流れ方向に吸気量に応じた温度分布を形成し、この温度分布に基づき吸気量を検出する。そして、空気流量測定装置から出力される吸気量に関する信号は、エンジンを制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）に入力され、ＥＣＵは、この信号に基づいて吸気量を把握するとともに、吸気量に基づく燃料噴射制御等の各種の制御処理を実行する。

吸気量を検出する従来の空気流量測定装置１００は、図４に示すように、温度分布に基づく信号を出力するセンサ基板１０１と、センサ基板１０１から出力される信号を処理して吸気量を示す信号を出力する回路基板１０２と、センサ基板１０１および回路基板１０２を支持する支持部材１０３とを備える。

センサ基板１０１は、自身の一部が薄膜化されてメンブレン１０４を形成しており、センサ基板１０１の一端面１０５の一部であるメンブレン１０４の表面に、温度分布に基づく信号を出力するための電気素子を有する。また、センサ基板１０１は、一端面１０５が空気流に露出するように、支持部材１０３の凹所１０６に嵌まった状態で支持される。

そして、センサ基板１０１は、空気流に露出する一端面１０５とは反対側の他端面１０７に接着剤１０８が付着しており、接着剤１０８により支持部材１０３に接着されて支持されている。また、センサ基板１０１上の電気素子と回路基板１０２上の回路要素とは、ボンディングワイヤ１０９により電気的に接続され、ボンディングワイヤ１０９および回路要素は、樹脂素材１１０により封止されている。

ところで、空気流量測定装置１００によれば、センサ基板１０１が支持部材１０３の凹所１０６に嵌った状態で支持されることから、センサ基板１０１の一端面１０５と支持部材１０３の表面１１１との間に、空気流の流れ方向に対して垂直に段差が生じる。このため、剥離現象等により、一端面１０５および表面１１１に沿う空気流は、一端面１０５の上流縁近傍および下流縁近傍で乱れてしまい、このような空気流の乱れは、一端面１０５上の温度分布形成に影響を及ぼす。

この結果、図５に示すように、段差が大きいほど（つまり、センサ基板１０１の一端面１０５が支持部材１０３の表面１１１よりも突出したり、後退したりする度合いが著しいほど）、吸気量に関して検出値のバラツキが大きくなってしまう。したがって、検出値のバラツキを抑制するには、段差を形成する各部の寸法公差をさらに厳しく設定し直して、段差自体の公差を小さくする必要があり、検出値のバラツキの抑制は極めて困難である。

そこで、段差を形成する各部の寸法の公差をさらに厳しく設定し直さなくても、段差に起因する検出値のバラツキを抑制できる技術が、種々の観点から検討されている。
例えば、特許文献１には、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくする技術が開示され、特許文献２には、センサ基板を支持部材に接着する際に、段差自体を発生させない技術が開示され、特許文献３には、段差が生じたとしても、段差による空気流の乱れに温度分布が影響を受けないようにする技術が開示されている。

すなわち、特許文献１によれば、接着剤が付着するセンサ基板の他端面に溝を設けておき、溝以外の他端面の表面を、凹所の底面に面接触させておく。そして、このような面接触状態を維持しながら溝に接着剤を注入して、センサ基板と支持部材とを接着する。この結果、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくすることができる。

つまり、従来の空気流量測定装置１００によれば、図４に示すように、段差を形成する寸法要素は、支持部材１０３の凹所１０６の深さａ、センサ基板１０１の厚さｂ、および接着剤１０８の厚みｃの３つである。このため、検出値のバラツキを抑制するには、これら３つの寸法要素の公差をさらに厳しく設定し直す必要がある。しかし、特許文献１の空気流量測定装置によれば、これら３つの寸法要素から、接着剤の厚みｃを排除することができるので、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくすることができるのである。

しかし、特許文献１によれば、接着剤の存在領域は、注入口のような僅かな開口部を除いて、ほぼ完全に閉ざされているため、接着剤の硬化等に伴う応力を逃すことが困難になり、センサ基板に応力がかかる虞が高い。また、溝を設けることにより、センサ基板の機械的強度が低下する虞も高い。

また、特許文献２によれば、所定の治具表面に、センサ基板の一端面と支持部材の表面とを面接触させ、接着剤の付着領域を空隙として形成しておく。そして、予め、この空隙に通じる注入穴を支持部材に設けておき、この注入穴から接着剤を空隙に注入してセンサ基板を支持部材に接着する。この結果、治具表面とセンサ基板の一端面および支持部材の表面との面接触により、段差自体の発生を阻止することができる。

しかし、特許文献２によれば、電気素子が形成されるセンサ基板の一端面を治具表面に面接触させる必要があるため、治具表面を清浄にしておく必要があり、治具表面の洗浄作業が煩雑である。

さらに、特許文献３によれば、センサ基板の一端面において、発熱抵抗体等の電気素子が設けられるメンブレンを、一端面の上流縁および下流縁における空気流の乱れの影響を受けないように、上流縁および下流縁から大きく引き離して設ける。この結果、段差が存在しても、段差による空気流の乱れにメンブレン上の温度分布が影響を受けなくなり、検出値のバラツキを抑制することができる。
しかし、センサ基板が大型化するのでコストアップしてしまう。

以上のように、いずれの技術も難点があり、空気流量測定装置における検出値のバラツキ抑制のために、別途の改善策が要請されている。

特開２００１−１２９８６号公報 特開２００５−２２７１３１号公報 特開２００８−２６１７２号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、空気流量測定装置において、センサ基板の上流縁および下流縁の段差によって空気流が乱れることに起因する検出値のバラツキを抑制することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の空気流量測定装置は、所定の空気流路を通過する空気流により熱を奪われることで、空気流の流量に応じた温度分布を空気流の流れ方向に形成し、温度分布に基づき空気流の流量を検出するものである。また、空気流量測定装置は、温度分布に基づく信号を出力するセンサ基板と、センサ基板から出力される信号を処理して空気流の流量を示す信号を出力する回路基板と、回路基板を支持する支持部材とを備える。

また、センサ基板は、温度分布に基づく信号を出力するための電気素子を自身の一端面に有し、一端面が空気流に露出するように、支持部材の凹所に嵌まった状態で支持される。そして、センサ基板は、一端面に付着する接着剤によって、一端面よりも一端側に配置された被接着部に接着されて支持される。そして、被接着部は、支持部材または支持部材とは別体の部材に庇状に設けられて凹所の方に張り出している。

これにより、段差を形成する寸法要素の数を、従来の３つよりも減らすことができる。すなわち、段差を形成する寸法要素は、接着剤の厚み、および、被接着部における被接着面に関する寸法（例えば、被接着面と支持部材の表面との距離）の２つとなり、従来の寸法要素であった支持部材の凹所の深さ、および、センサ基板の厚さを寸法要素から排除することができる。

このため、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくすることができるので、センサ基板の上流縁および下流縁の段差によって空気流が乱れることに起因する検出値のバラツキを抑制することができる。
なお、この手段によれば、接着剤の存在領域は、センサ基板および被接着部との界面以外には閉ざされていないので、接着剤の硬化等に伴う応力を充分に逃すことができる。このため、特許文献１の空気流量測定装置とは異なり、接着剤の硬化等に伴う応力がセンサ基板にかかる虞は極めて低い。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の空気流量測定装置によれば、被接着部は、回路基板、または回路基板上の回路要素の端子であり、接着剤は、導体であってセンサ基板上の電気素子と回路要素とを電気的に接続する。

これにより、センサ基板上の電気素子と回路基板上の回路要素とを電気的に接続するボンディングワイヤが不要になるとともに、センサ基板を支持部材に接着するための接着剤も不要となる。また、ボンディングワイヤおよび回路要素を封止していた樹脂素材についても、ボンディングワイヤを封止する部分が不要となって使用量を削減することができる。このため、検出値のバラツキを抑制できる空気流量測定装置を、安価に製造することができる。

（ａ）は空気流量測定装置を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）はセンサ基板と被接着部とを一端側から視た平面図である（実施例１）。 空気流量測定装置の電気回路図である（実施例１）。 （ａ）は空気流量測定装置を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）はセンサ基板と被接着部とを一端側から視た平面図である（実施例２）。 （ａ）は空気流量測定装置の構成を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である（従来例）。 センサ基板の一端面の突出状態と吸気量検出値の３σとの相関を示す相関図である（従来例）。

第１の実施形態の空気流量測定装置は、所定の空気流路を通過する空気流により熱を奪われることで、空気流の流量に応じた温度分布を空気流の流れ方向に形成し、温度分布に基づき空気流の流量を検出するものである。また、空気流量測定装置は、温度分布に基づく信号を出力するセンサ基板と、センサ基板から出力される信号を処理して空気流の流量を示す信号を出力する回路基板と、回路基板を支持する支持部材とを備える。

また、センサ基板は、温度分布に基づく信号を出力するための電気素子を自身の一端面に有し、一端面が空気流に露出するように、支持部材の凹所に嵌まった状態で支持される。そして、センサ基板は、一端面に付着する接着剤によって、一端面よりも一端側に配置された被接着部に接着されて支持される。そして、被接着部は、支持部材または支持部材とは別体の部材に庇状に設けられて凹所の方に張り出している。
第２の実施形態の空気流量測定装置によれば、被接着部は、回路基板、または回路基板上の回路要素の端子であり、接着剤は、導体であってセンサ基板上の電気素子と回路要素とを電気的に接続する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の空気流量測定装置１の構成を、図１および図２を用いて説明する。
空気流量測定装置１は、空気流との伝熱を利用して空気流の流量を検出するものであり、例えば、車両の内燃機関（図示せず）に吸入される空気流（以下、吸気流と呼ぶ）の流量（以下、吸気量と呼ぶ）を検出するために吸気管（図示せず）内に突出するように配される。

ここで、空気流量測定装置１は、吸気量検出のために吸気流の一部を取り込んで通過させるための検出流路２を自身の内部に形成する。そして、空気流量測定装置１は、取り込んだ吸気流により熱を奪われることで、検出流路２における吸気流の流れ方向に吸気量に応じた温度分布を形成し、この温度分布に基づき吸気量を検出する。また、空気流量測定装置１から出力される吸気量を示す信号は、内燃機関を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）に出力され、ＥＣＵは、この信号に基づいて吸気量を把握するとともに、吸気量に基づく燃料噴射制御等の各種の制御処理を実行する。

なお、以下の説明では、空気流量測定装置１が検出流路２に取り込んだ吸気流のことを、「吸気流」と略して呼び、検出流路２における吸気流の流れ方向のことを、「吸気流の流れ方向」と略して呼ぶ。また、検出流路２において吸気流の流れ方向に形成される温度分布を、「温度分布」と略して呼ぶ。

空気流量測定装置１は、温度分布に基づく信号を出力するセンサ基板３と、センサ基板３から出力される信号を処理して吸気量を示す信号を出力する回路基板４と、回路基板４を支持する支持部材５とを備える。

センサ基板３は、自身の一部が薄膜化されてメンブレン８を形成しており、センサ基板３の一端面９の一部であるメンブレン８の表面に、温度分布に基づく信号を出力するための各種の電気素子を有する。また、センサ基板３は、一端面９が空気流に露出するように、支持部材５の凹所１０に嵌まった状態で支持される。

ここで、メンブレン８上に設けられる各種の電気素子とは、図２に示すように、吸気流により熱を奪われることで、吸気量に応じた温度分布を吸気流の流れ方向に形成する発熱抵抗体１２、発熱抵抗体１２の上流側および下流側に配されてブリッジ回路１３を構成し、温度分布より熱影響を受けて抵抗値を可変する感温抵抗体１４〜１７、発熱抵抗体１２とともにブリッジ回路１３とは別のブリッジ回路１８を構成する測温抵抗体１９および固定抵抗２０、２１等である。

ブリッジ回路１３によれば、感温抵抗体１４〜１７の内、感温抵抗体１４、１５が発熱抵抗体１２の上流側に配され、感温抵抗体１６、１７が発熱抵抗体１２の下流側に配されている。また、感温抵抗体１４、１７の接続点の電位を示す端子２３、および感温抵抗体１６、１５の接続点の電位を示す端子２４が、回路基板４のオペアンプ２５の入力端に接続されている。また、ブリッジ回路１３は、電源２６から電力の供給を受けて通電状態にある。

以上の構成により、ブリッジ回路１３によれば、吸気量が変化すると温度分布も変化し、この温度分布の変化に応じて感温抵抗体１４〜１７は抵抗値を可変する。このため、端子２３、２４間の電位差が変化するので、オペアンプ２５は、端子２３、２４間の電位差に応じた信号を出力する（以下、端子２３、２４間の電位差をブリッジ回路１３の電圧値と呼ぶ）。

また、ブリッジ回路１８によれば、発熱抵抗体１２と固定抵抗２０との接続点の電位を示す端子２８、および測温抵抗体１９と固定抵抗２１との接続点の電位を示す端子２９が、回路基板４のオペアンプ３０の入力端に接続されている。そして、発熱抵抗体１２への通電量は、端子２８、２９間の電位が互いに等しくなるように（つまり、発熱抵抗体１２の温度が吸気流の温度と一定の温度差を保つように）オペアンプ３０により制御される。

回路基板４は、ブリッジ回路１３の電圧値に応じた信号を出力するオペアンプ２５、発熱抵抗体１２への通電量を制御するためのオペアンプ３０、オペアンプ２５から出力される信号をデジタル処理するＡＤ変換器３１、デジタル化されたブリッジ回路１３の電圧値に基づき、吸気量を示すデジタル値を求めて出力するＤＳＰ３２、ＤＳＰ３２から出力されるデジタル値をパルス信号の周波数に変換して出力するＦ／Ｖ変換器３３等を有する。

そして、ＥＣＵは、回路基板４から出力されるパルス信号の周波数に基づいて吸気量を把握する。
なお、ブリッジ回路１３とオペアンプ２５、および、ブリッジ回路１８とオペアンプ３０はボンディングワイヤ３５により電気的に接続され、ボンディングワイヤ３５等は、樹脂素材３６により封止されている（図１（ｂ）参照）。

〔実施例１の特徴〕
実施例１の空気流量測定装置１によれば、図１に示すように、センサ基板３は、一端面９に付着する接着剤３８によって、一端面９よりも一端側に設けられた被接着部３９に接着されて支持される。被接着部３９は、例えば、支持部材５と一体に成形されており、凹所１０の方に張り出すように庇状に設けられている。

そして、センサ基板３が凹所１０に嵌まって接着された状態では、被接着部３９の被接着面４０と一端面９とが、接着剤３８を介して対向している。また、支持部材５は、メンブレン８の上、下流側における表面４１よりも一端側に隆起している隆起部４２を有し、被接着部３９は、隆起部４２から凹所１０の方に張り出すように設けられている。そして、被接着面４０と表面４１との間には、距離ｄが生じている。

ここで、接着剤３８は、例えば、センサ基板３を凹所１０に嵌める前に予め一端面９に塗布されている。そして、センサ基板３を凹所１０に嵌めて一端側に吸引することで、センサ基板３を被接着部３９に接着することができる。また、接着剤３８は、例えば、エポキシ樹脂である。

〔実施例１の効果〕
実施例１の空気流量測定装置１によれば、センサ基板３が支持部材５の凹所１０に嵌った状態で支持されることから、センサ基板３の一端面９と支持部材５の表面４１との間に、吸気流の流れ方向に対して垂直に段差が生じる。このため、剥離現象等により、一端面９に沿う吸気流は、一端面９の上流縁近傍および下流縁近傍で乱れてしまい、このような吸気流の乱れは、一端面９上の温度分布の形成に影響を及ぼす。

そこで、センサ基板３を、一端面９に付着する接着剤３８によって、一端面９よりも一端側に設けられた被接着部３９に接着して支持する。
これにより、段差を形成する寸法要素を、接着剤３８の厚みｃ、および、被接着面４０に関する寸法（例えば、被接着面４０と表面４１との距離ｄ）の２つにすることができる。このため、段差を形成する寸法要素の数を、従来の３つ（図４参照）から２つに減らすことができる。

この結果、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくすることができるので、センサ基板３の上流縁および下流縁の段差によって空気流が乱れることに起因する検出値のバラツキを抑制することができる。

また、実施例１の空気流量測定装置１によれば、接着剤３８の存在領域は、センサ基板３および被接着部３９との界面（一端面９および被接着面４０に相当する）以外には閉ざされていないので、接着剤３８の硬化等に伴う応力を充分に逃すことができる。

〔実施例２〕
実施例２の空気流量測定装置１によれば、被接着部３９は、回路基板４であり、接着剤３８は、例えば、ハンダのような導体であり、ブリッジ回路１３とオペアンプ２５とを電気的に接続したり、ブリッジ回路１８とオペアンプ３０とを電気的に接続したりする。

すなわち、支持部材５は、表面４１よりも一端側に隆起している隆起部４３を有し、回路基板４は、凹所１０に張り出すように隆起部４３に載って支持されている。そして、回路基板４は、凹所１０に張り出している部分にスルーホール４５が設けられ、接着剤３８である導体は、スルーホール４５を介して、ブリッジ回路１３とオペアンプ２５とを電気的に接続したり、ブリッジ回路１８とオペアンプ３０とを電気的に接続したりする。また、回路基板４の他端面は被接着面４０となり、被接着面４０と表面４１との間に距離ｄが生じている。

これにより、段差を形成する寸法要素を、接着剤３８の厚みｃ、および、被接着面４０に関する寸法（被接着面４０と表面４１との距離ｄ）の２つにすることができる。このため、段差を形成する寸法要素の数を減らして段差の公差を小さくすることができるので、センサ基板３の上流縁および下流縁の段差によって空気流が乱れることに起因する検出値のバラツキを抑制することができる。

また、ボンディングワイヤ３５が不要になるとともに、接着剤３８も安価な素材になる。さらに、ボンディングワイヤ３５等を封止していた樹脂素材３６についても、ボンディングワイヤ３５等を封止する部分が不要となって使用量を削減することができる。このため、検出値のバラツキを抑制できる空気流量測定装置を、安価に製造することができる。

〔変形例〕
実施例１の空気流量測定装置１によれば、被接着部３９は、支持部材５と一体に成形されており、支持部材５の一部であったが、支持部材５とは別体の部材（例えば、検出流路２を形成する流路形成部材）に、被接着部３９を設けてもよい。

また、実施例２の空気流量測定装置１によれば、回路基板４自体が凹所１０に張り出していたが、回路基板４上の回路要素の端子をなす金属板を、凹所１０に張り出させ、この金属板とセンサ基板３上の電気素子とを、接着剤３８としての導体により電気的に接続してもよい。
さらに、実施例１、２の空気流量測定装置１は、内燃機関への吸気量を検出するものであったが、空気流量測定装置１の用途は、この態様に限定されるものではない。

１ 空気流量測定装置
３ センサ基板
４ 回路基板
５ 支持部材
９ 一端面
１０ 凹所
１２ 発熱抵抗体（電気素子）
１４ 感温抵抗体（電気素子）
１５ 感温抵抗体（電気素子）
１６ 感温抵抗体（電気素子）
１７ 感温抵抗体（電気素子）
１９ 測温抵抗体（電気素子）
２０ 固定抵抗（電気素子）
２１ 固定抵抗（電気素子）
２５ オペアンプ（回路要素）
３０ オペアンプ（回路要素）
３８ 接着剤
３９ 被接着部

Claims (2)

1. 所定の空気流路を通過する空気流により熱を奪われることで、前記空気流の流量に応じた温度分布を前記空気流の流れ方向に形成し、前記温度分布に基づき前記空気流の流量を検出する空気流量測定装置において、
   前記温度分布に基づく信号を出力するセンサ基板と、
   このセンサ基板から出力される信号を処理して前記空気流の流量を示す信号を出力する回路基板と、
   前記回路基板を支持する支持部材とを備え、
   前記センサ基板は、
   前記温度分布に基づく信号を出力するための電気素子を自身の一端面に有し、
   この一端面が前記空気流に露出するように、前記支持部材の凹所に嵌まった状態で支持され、
   前記一端面に付着する接着剤によって、前記一端面よりも一端側に配置された被接着部に接着されて支持されており、
   前記被接着部は、前記支持部材または前記支持部材とは別体の部材に庇状に設けられて前記凹所の方に張り出していることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の空気流量測定装置において、
   前記被接着部は、前記回路基板、または前記回路基板上の回路要素の端子であり、
   前記接着剤は、導体であって前記センサ基板上の電気素子と前記回路要素とを電気的に接続することを特徴とする空気流量測定装置。

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