JP5454655B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ部に薄膜式（チップ式）の流量検出素子を用いた空気流量測定装置に関する。

従来、自動車用エンジンの吸入空気量を測定するエアフロメータ（熱式流量計）には、高精度、高応答の市場要求から、センサ部にチップ式の流量検出素子を用いたものが知られている。しかし、チップ式の流量検出素子は、例えば、シリコン基板に設けられたダイヤフラム上に薄膜抵抗体（発熱抵抗体、流量検出抵抗体等）を形成するため、空気中に含まれるダスト等の衝突によって基板上の薄膜抵抗体がダメージを受ける恐れがある。
そこで、センサ部にチップ式の流量検出素子を用いる場合は、空気流路にダストを分離する機能が必要となり、その分離能力の高さから慣性分離方式が多く採用されている（特許文献１参照）。

この慣性分離方式を採用したエアフロメータの一例を図９に示す。
このエアフロメータは、ダクト１００の内部を流れる空気の流れ方向と略平行に形成されるバイパス流路１１０と、このバイパス流路１１０から分岐するサブバイパス流路１２０とを有し、このサブバイパス流路１２０にセンサ部の流量検出素子（センサチップ）１３０を配置している。この構成によれば、ダクト１００の上流から流れてくる空気中にダストが含まれている場合でも、そのダストの多くは、慣性の作用により、バイパス流路１１０を通り抜けて下流側へ流れるため、バイパス流路１１０からサブバイパス流路１２０へダストが流れ込むことを抑制できる。その結果、サブバイパス流路１２０に配置した流量検出素子１３０にダストが衝突することを抑制できるので、流量検出素子１３０の薄膜抵抗体がダメージを受けることを回避できる。

特開２００８−３０９６２３号公報

ところが、慣性分離方式のエアフロメータでは、バイパス流路１１０の途中からサブバイパス流路１２０が分岐して形成されるため、バイパス流路１１０の出口に向かう空気の一部が、バイパス流路１１０からサブバイパス流路１２０へ取り込まれる空気の流れに影響を受ける。つまり、バイパス流路１１０を流れる空気（特に、サブバイパス流路１２０の入口近くを流れる空気）には、バイパス流路１１０からサブバイパス流路１２０へ取り込まれる空気の流れ方向に引き込まれる力が働く。このため、バイパス流路１１０を流れる空気の一部が、バイパス流路１１０の出口側の上壁面に衝突して、出口側上部の圧力が上昇することで、バイパス流路１１０の出口より排出されない一部の空気がサブバイパス流路１２０へ逆流する。

上記の結果、図９に示す様に、バイパス流路１１０の入口側からサブバイパス流路１２０へ取り込まれる空気（図中矢印ａで示す）と、バイパス流路１１０の出口側からサブバイパス流路１２０へ逆流する空気（図中矢印ｂで示す）とが衝突することにより、空気の流れに乱れが発生し、その乱れが流量検出素子１３０の検出精度を低下させる要因となっている。
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、バイパス流路の出口から排出されない一部の空気がサブバイパス流路へ逆流することによる空気の乱れを低減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の発明）
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流路と、このバイパス流路から分岐して形成され、バイパス流路を流れる空気の一部を取り込むサブバイパス流路と、このサブバイパス流路に配置される流量測定用のセンサチップを有するセンサ部と、このセンサ部より出力されるセンサ情報を基に、サブバイパス流路を流れる空気の流量を測定する空気流量測定装置であって、バイパス流路に対してサブバイパス流路の入口が形成される部分より上流側のバイパス流路からサブバイパス流路へ流れ込む空気の流れを順流と呼び、サブバイパス流路の入口が形成される部分より下流側のバイパス流路からサブバイパス流路へ流れ込む空気の流れを逆流と呼ぶ時に、サブバイパス流路の入口には、順流の向きと逆流の向きとを整流する整流板が配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、サブバイパス流路の入口が形成される部分より下流側のバイパス流路からサブバイパス流路へ流れ込む空気の流れ（逆流）が発生しても、サブバイパス流路の入口に配置した整流板によって逆流の向きと順流の向きとを整流できる。つまり、整流板によって、サブバイパス流路の入口に順流の通り道と逆流の通り道とを形成できる。これにより、整流板が配置されている部分を通り過ぎた後、順流と逆流とをスムーズに合流させることができるので、結果的に順流と逆流との衝突による乱れを低減でき、センサ部の検出精度が安定する。

さらに、本発明の空気流量測定装置においては、バイパス流路に対するサブバイパス流路の上流側の入口端部をＡ点、下流側の入口端部をＢ点とし、且つ、Ａ点を起点として形成されるサブバイパス流路の壁面をＡ点側壁面、Ｂ点を起点として形成されるサブバイパス流路の壁面をＢ点側壁面と呼ぶ時に、整流板が、Ａ点側壁面とＢ点側壁面との中間位置よりＢ点側壁面に寄った位置に配置されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、整流板によって形成される逆流の通り道より順流の通り道を広く形成できるので、多くの順流をサブバイパス流路に取り入れることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した空気流量測定装置において、バイパス流路に対するサブバイパス路の上流側の入口端部をＡ点、下流側の入口端部をＢ点と呼ぶ時に、バイパス流路の中心からＡ点までの距離よりＢ点までの距離の方が大きく設定されていることを特徴とする。
空気と共にバイパス流路に取り込まれたダストは、慣性の作用により、そのままバイパス流路を通り抜けようとするため、バイパス流路の中心からＡ点までの距離よりＢ点までの距離の方が大きく設定されることで、そのＢ点を起点として形成されるサブバイパス流路の壁面にダストが衝突する確率は小さくなる。その結果、バイパス流路からサブバイパス流路に流れ込むダストをより少なくできるので、サブバイパス流路に配置されるセンサチップにダストが衝突することを低減でき、センサチップがダメージを受けることを回避できる。

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。 （ａ）エアフロメータを上流側から見た正面図、（ｂ）エアフロメータの側面図、（ｃ）エアフロメータを下流側から見た背面図である。 （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）センサ部に使用されるセンサチップの断面図である。 上流側温抵抗体の検出温度と下流側温抵抗体の検出温度との温度差ＤＴｈと、空気の流量および流れ方向との相関を示すグラフである。 バイパス出口側流路に逆流抑制板を配置した一例を示す断面図である（実施例１）。 サブバイパス出口側流路の入口に整流板を配置した一例を示す断面図である（実施例２）。 バイパス流路に対するサブバイパス流路の分岐部（入口）の形状を示す断面図である（実施例３）。 バイパス出口側流路を形成する流路形成ボディの壁面に空気排出孔を形成した一例を示す断面図である（実施例４）。 従来技術に係るエアフロメータの断面図である。

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。
なお、以下に説明する４つの実施例のうち、実施例２は本発明が適用されたものであるのに対し、実施例１，実施例３および実施例４はいずれも本発明が適用されていない参考例である。

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測定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を説明する。
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ハウジング３と、このセンサハウジング３の内部に組み込まれるセンサ部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。
センサハウジング３は、図２に示す様に、吸気ダクト２に固定されるフランジ部３ａと、エンジンの運転状態を制御するＥＣＵ（図示せず）との電気的接続を行うコネクタ部３ｂと、吸気ダクト２の内部に挿入される流路形成ボディ３ｃ等が形成されている。

流路形成ボディ３ｃ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、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流路５と、このバイパス流路５を流れる空気の一部を取り込むサブバイパス流路６とが形成されている。
バイパス流路５は、空気を取り込む入口５ａから空気を排出する出口５ｂまで略直線的に、且つ、吸気ダクト２を流れる空気の流れ方向と略平行に形成されている。このバイパス流路５は、流路断面形状が円形であり、且つ、バイパス流路５の出口側は、流路断面積が出口５ｂに向かって次第に減少するテーパ状に形成されている。また、バイパス流路５の出口側には、後述する逆流抑制板７が配置されている。

サブバイパス流路６は、バイパス流路５を流れる空気の流れ方向と直交する所定の方向（図１の上下方向）をＹ−Ｙ方向と呼ぶ時に、バイパス流路５に対するＹ−Ｙ方向の一方側（図示上側）にバイパス流路５から分岐するサブバイパス流路６の入口６ａが形成され、バイパス流路５の出口５ｂの周囲に形成される環状の出口６ｂに通じている。このサブバイパス流路６は、バイパス流路５より流路長が長く、且つ、流路途中で方向が大きく変化する曲がり部を有して形成されている。
また、サブバイパス流路６の入口６ａは、バイパス流路５に対する上流側の入口端部をＡ点、下流側の入口端部をＢ点と呼ぶ時に、バイパス流路５の中心線Ｏ−ＯからＡ点までの距離より、Ｂ点までの距離の方が大きく設定されている（図１参照）。つまり、サブバイパス流路６の入口開口面は、バイパス流路５の出口側に傾いて形成されている。

センサ部４は、図３（ｂ）に示す様に、例えば、シリコン製のセンサ基板８に設けられるダイヤフラム９の表面上に薄膜抵抗体（発熱抵抗体１０と側温抵抗体１１、１２）を形成したセンサチップ１３と、発熱抵抗体１０の発熱温度を制御すると共に、側温抵抗体１１、１２の抵抗値を基に、空気の流量と流れ方向に応じたセンサ信号を出力する回路部（図示せず）とを有し、図１に示す様に、センサチップ１３がサブバイパス流路６の曲がり部に配置されている。
発熱抵抗体１０は、サブバイパス流路６を流れる空気の温度よりも一定温度高い基準温度に通電制御される。
側温抵抗体１１、１２は、発熱抵抗体１０の上流側に近接して配置される側温抵抗体（以下、上流側温抵抗体１１と呼ぶ）と、発熱抵抗体１０の下流側に近接して配置される側温抵抗体（以下、下流側温抵抗体１２と呼ぶ）とを有している。

このセンサ部４による空気流量の計測原理について説明する。
発熱抵抗体１０が基準温度に通電制御されると、発熱抵抗体１０の発熱による温度分布が生じる。ここで、サブバイパス流路６に空気の流れが発生していない時は、図３（ａ）に破線グラフで示す様に、発熱抵抗体１０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１１で検出される温度と、下流側温抵抗体１２で検出される温度とが等しくなる。
これに対し、例えば、サブバイパス流路６に順流方向の空気流が生じると、図３（ａ）に実線グラフで示す様に、発熱抵抗体１０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１１の検出温度より、下流側温抵抗体１２の検出温度の方が高くなる。

一方、サブバイパス流路６に逆流方向の空気流が生じると、発熱抵抗体１０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１２の検出温度より、上流側温抵抗体１１の検出温度の方が高くなる。
これにより、上流側温抵抗体１１の検出温度と下流側温抵抗体１２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１１と下流側温抵抗体１２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。図４は、上流側温抵抗体１１の検出温度と下流側温抵抗体１２の検出温度との温度差ＤＴｈと、空気の流量および流れ方向との相関を示すグラフである。

次に、逆流抑制板７について説明する。
サブバイパス流路６の入口６ａが形成される部分より下流側のバイパス流路５をバイパス出口側流路と呼ぶ時に、このバイパス出口側流路には、バイパス出口側流路を逆流してサブバイパス流路６へ流れ込む空気の流れを抑制する逆流抑制板７が配置されている。この逆流抑制板７は、図５に示す様に、Ｙ−Ｙ方向と直交する平面（Ｙ−Ｙ方向と直交し、且つ、バイパス流路５を流れる空気の流れ方向に沿った平面）と平行に配置されると共に、バイパス出口側流路のＹ−Ｙ方向の略中心またはＹ−Ｙ方向の中心より一方側（バイパス出口上部と呼ぶ）に寄って配置されている。
また、バイパス流路５を流れる空気の流れ方向に沿った逆流抑制板７の長さは、バイパス出口側流路の長さと略同じである。つまり、逆流抑制板７の上流端は、バイパス流路５を流れる空気の流れ方向において、サブバイパス流路６の下流側の入口端部Ｂ点と略同じ位置であり、逆流抑制板７の下流端は、バイパス流路５の出口開口面と略同じ位置である。但し、逆流抑制板７の下流端は、バイパス流路５の出口開口面より外側へ突き出ていても良い。

（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、バイパス出口側流路に配置した逆流抑制板７により、バイパス出口上部へ向かう空気の流れが抑制されて、バイパス出口上部の流路壁面に衝突する空気量を低減できる。これにより、バイパス出口上部の圧力上昇を抑えることができるので、バイパス流路５の出口５ｂから排出されない空気が少なくなり、バイパス出口側流路を逆流してサブバイパス流路６へ流れ込む空気の流れを低減できる。その結果、バイパス流路５の上流側からサブバイパス流路６へ取り込まれる空気（順流）と、バイパス出口上部からサブバイパス流路６へ流れ込む空気（逆流）との衝突による乱れを低減できるので、センサ部４の検出精度が安定する。

また、バイパス流路５に対するサブバイパス流路６の入口開口面が、バイパス流路５の出口側に傾いて形成されている。つまり、図１に示した様に、バイパス流路５の中心線Ｏ−ＯからＡ点までの距離よりＢ点までの距離の方が大きく設定されている。この構成によれば、空気と共にバイパス流路５に取り込まれたダストは、慣性の作用により、そのままバイパス流路５を通り抜けようとするため、Ｂ点を起点として形成されるサブバイパス流路６の壁面にダストが衝突する確率は小さくなる。その結果、バイパス流路５からサブバイパス流路６に流れ込むダストをより少なくできるので、サブバイパス流路６に配置されるセンサチップ１３にダストが衝突することを低減でき、基板上の薄膜抵抗体（発熱抵抗体１０、上流側温抵抗体１１、下流側温抵抗体１２等）がダメージを受けることを回避できる。

この実施例２は、本発明が適用された一実施形態で、サブバイパス流路６の入口６ａに整流板１４を配置した一例である。
なお、流路形成ボディ３ｃに形成される流路構成（バイパス流路５とサブバイパス流路６の構成）およびセンサ部４の構成は実施例１と同じである。
整流板１４は、図６に示す様に、サブバイパス流路６の入口開口面（実施例１に記載したＡ点とＢ点との間に形成される開口面）よりサブバイパス流路６の内部に入り込んで配置され、且つ、Ａ点を起点として形成されるサブバイパス流路６の壁面をＡ点側壁面６ｃ、Ｂ点を起点として形成されるサブバイパス流路６の壁面をＢ点側壁面６ｄと呼ぶ時に、Ａ点側壁面６ｃとＢ点側壁面６ｄとの中間位置よりＢ点側壁面６ｄに寄った位置に配置されている。

上記の構成によれば、バイパス出口上部の流路壁面に衝突した空気の一部がサブバイパス流路６へ逆流しても、サブバイパス流路６の入口６ａに配置した整流板１４によって逆流の向きと順流の向きとを整流できる。つまり、整流板１４によって、サブバイパス流路６の入口６ａに順流の通り道と逆流の通り道とを形成できる。これにより、整流板１４が配置されている部分を通り過ぎた後、順流と逆流とをスムーズに合流させることができるので、順流と逆流との衝突による乱れを低減でき、センサ部４の検出精度が安定する。
また、整流板１４は、Ａ点側壁面６ｃとＢ点側壁面６ｄとの中間位置よりＢ点側壁面６ｄに寄った位置に配置することで、整流板１４によって形成される逆流の通り道より順流の通り道を広く形成できるため、多くの順流をサブバイパス流路６に取り入れることができる。

この実施例３に示すエアフロメータ１は、図７に示す様に、サブバイパス流路６の入口端部Ｂ点が、サブバイパス流路６のＡ点側壁面６ｃに向かって突き出た位置に設けられ、且つ、Ａ点側壁面６ｃとＢ点側壁面６ｄとの間隔が、Ｂ点からサブバイパス流路６の内部へ入り込んだ直後に大きく形成されていることを特徴とする。なお、バイパス流路５の中心線Ｏ−Ｏ（図１参照）からＡ点までの距離よりＢ点までの距離の方が大きく設定されることは、実施例１および２と同じである。

上記の構成によれば、Ａ点側壁面６ｃとＢ点側壁面６ｄとの間隔が一定の場合（つまり、Ｂ点がＡ点側壁面６ｃに向かって突き出ていない場合）と比較した時に、シミュレーションによる検証の結果、サブバイパス流路６へ逆流する空気の量を低減できることが分かった。
また、Ａ点側壁面６ｃとＢ点側壁面６ｄとの間隔が、Ｂ点からサブバイパス流路６の内部へ入り込んだ直後に大きく形成されることにより、図示矢印ｃで示す様に、サブバイパス流路６へ逆流した空気がＢ点側壁面６ｄに沿って流れることが確認された。これにより、バイパス流路５の入口側からサブバイパス流路６へ流れ込む順流と、バイパス流路５の出口側からサブバイパス流路６へ流れ込む逆流との衝突が抑制されるので、サブバイパス流路６を流れる空気の乱れを低減でき、センサ部４の検出精度が安定する。

この実施例４に示すエアフロメータ１は、バイパス出口側流路を形成する流路形成ボディ３ｃの壁面に空気排出孔１５を形成した一例である。
空気排出孔１５は、図８に示す様に、バイパス出口側流路のＹ−Ｙ方向の一方側（バイパス出口上部）の流路壁面に形成され、図示矢印で示す様に、バイパス出口上部に向かって流れる空気の一部を、空気排出孔１５から流路形成ボディ３ｃの外部へ排出できる。これにより、バイパス出口上部の圧力上昇を抑えることができるので、バイパス出口側流路を逆流してサブバイパス流路６へ流れ込む空気の流れを低減できる。その結果、バイパス流路５の上流側からサブバイパス流路６へ取り込まれる空気（順流）と、バイパス出口上部からサブバイパス流路６へ流れ込む空気（逆流）との衝突による乱れを低減できるので、センサ部４の検出精度が安定する。

１ エアフロメータ（空気流量測定装置）
２ 吸気ダクト（ダクト）
４ センサ部
５ バイパス流路
６ サブバイパス流路
７ 逆流抑制板
８ センサ基板（基板）
９ ダイヤフラム
１０ 発熱抵抗体（薄膜抵抗体）
１１ 上流側温抵抗体（薄膜抵抗体）
１２ 下流側温抵抗体（薄膜抵抗体）
１３ センサチップ
１４ 整流板
１５ 空気排出孔

Claims (2)

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流路と、
   このバイパス流路から分岐して形成され、前記バイパス流路を流れる空気の一部を取り込むサブバイパス流路と、
   このサブバイパス流路に配置される流量測定用のセンサチップを有するセンサ部と、
   このセンサ部より出力されるセンサ情報を基に、前記サブバイパス流路を流れる空気の流量を測定する空気流量測定装置であって、
   前記バイパス流路に対して前記サブバイパス流路の入口が形成される部分より上流側の前記バイパス流路から前記サブバイパス流路へ流れ込む空気の流れを順流と呼び、前記サブバイパス流路の入口が形成される部分より下流側の前記バイパス流路から前記サブバイパス流路へ流れ込む空気の流れを逆流と呼ぶ時に、
   前記サブバイパス流路の入口には、順流の向きと逆流の向きとを整流する整流板が配置されており、しかも、
   前記バイパス流路に対する前記サブバイパス流路の上流側の入口端部をＡ点、下流側の入口端部をＢ点とし、且つ、前記Ａ点を起点として形成される前記サブバイパス流路の壁面をＡ点側壁面、前記Ｂ点を起点として形成される前記サブバイパス流路の壁面をＢ点側壁面と呼ぶ時に、
   前記整流板は、前記Ａ点側壁面と前記Ｂ点側壁面との中間位置より前記Ｂ点側壁面に寄った位置に配置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、
   前記バイパス流路に対する前記サブバイパス流路の上流側の入口端部をＡ点、下流側の入口端部をＢ点と呼ぶ時に、前記バイパス流路の中心から前記Ａ点までの距離より前記Ｂ点までの距離の方が大きく設定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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