JP5477446B2

JP5477446B2 - 空気流量測定装置

Info

Publication number: JP5477446B2
Application number: JP2012236557A
Authority: JP
Inventors: 崇榎本; 順三山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2013015543A

Description

本発明は、センサ部に薄膜式（チップ式）の流量測定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（以下、センサチップと呼ぶ）を用いたものが知られている（特許文献１参照）。
センサチップは、例えば、図１０（ａ）、（ｂ）に示す様に、センサ基板１００の一部にダイヤフラム（薄膜部）１１０を形成し、そのダイヤフラム１１０の表面上に薄膜抵抗体１２０を配置して構成され、樹脂ケース１３０の表面に形成された凹部１４０に収納されて、接着剤１５０により固定されている。

しかし、センサ基板１００を樹脂ケース１３０に全面接着すると、両者の線膨張係数が大きく異なるため、センサ基板１００に応力が発生し、その応力によってセンサ基板１００（特に、ダイヤフラム１１０が形成されている部分）に歪みが生じる。その結果、ダイヤフラム１１０の表面上に配置される薄膜抵抗体１２０の抵抗値が変化して、流量検出精度に影響を与えることが分かっている。このため、図１０（ａ）に示す様に、センサ基板１００の長手方向の一方の端部（ダイヤフラム１１０が形成される部分から遠い方の端部）のみを樹脂ケース１３０に接着する片持ち構造が一般的である。

特開２００８−３０９６２３号公報

ところが、センサチップを片持ち構造にすると、センサチップの裏側、つまり、樹脂ケース１３０に形成された凹部１４０とセンサ基板１００との間に隙間が生じるため、エアフロメータに空気が流れた時に、センサチップの裏側にも空気が流れる。
しかし、樹脂ケース１３０の凹部１４０とセンサ基板１００との間に生じる隙間は、全体に均一ではなく、センサ基板１００にダイヤフラム１１０が設けられる部分だけ隙間が大きくなっている。つまり、ダイヤフラム１１０は、エッチング等によりセンサ基板１００の裏側に空洞部１１１を設けることで形成されるため、その空洞部１１１の影響によってセンサ基板１００の裏側を通る空気の流れに乱れが生じる。

具体的には、図１１（ａ）に示す様に、空洞部１１１の内部にも空気が流れ込むため、センサ基板１００の裏側へ入り込む空気の流量が多くなると、同図（ｂ）、（ｃ）に示す様に、空洞部１１１に渦流が発生し、その渦流の大きさが流量に応じて変化する（当然、流量が多くなる程、渦流も大きくなる）。なお、図１１は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に流量が多くなり、空気の乱れが大きくなる様子を表している。
上記の結果、ダイヤフラム１１０の表面上に配置される薄膜抵抗体１２０（図１０参照）への伝熱が不安定となり、図１２に示す様に、流量が多くなるに連れて特性が変曲するため、エアフロメータの出力が安定せず（出力の時間変動が大きくなる）、また流量と電圧が一義的に決まらないという問題が生じる。
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、センサチップの裏側を流れる空気の乱れを抑制することにより、センサ出力を安定化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、センサ基板の長手方向の一端側に、裏面から表側へ向かってテーパ状に空洞部を形成することにより、この空洞部に対応するセンサ基板の表面にダイヤフラムが設けられ、且つ、このダイヤフラムの表面上に発熱抵抗体を配置したセンサチップと、このセンサチップを保持するために形成された凹部を有し、この凹部に配置されるセンサチップの他端側を接着剤により固定して、センサチップの一端側の裏面および両側面と凹部の底面および両側面との間にそれぞれ隙間を有する状態でセンサチップを片持ち支持するケースとを備え、このケースを空気通路に配置して、発熱抵抗体の熱交換を基に空気流量を測定する空気流量測定装置において、ケースは、センサ基板に形成された空洞部に対し、凹部の底面から突起して空洞部に入り込む凸状部が設けられていることを特徴とする。

本発明の空気流量測定装置は、センサチップがケースに片持ち支持されているので、ケースに形成された凹部の底面に接着されていないセンサ基板の一端側では、ケースの凹部とセンサ基板との間に隙間が生じるため、発熱抵抗体を配置したセンサチップの表側だけでなく、センサチップの裏側（ケースの凹部とセンサ基板との間に生じる隙間）にも空気が流れる。そこで、請求項１に係る本発明では、センサチップの裏側を流れる空気の通り道に抵抗となる凸状部を設けている。
この凸状部は、センサ基板に設けられる空洞部に対し、ケースに形成される凹部の底面から突起して空洞部に入り込んでいるので、空洞部の容積が減少して空気の乱れが抑制される。また、空洞部と凸状部との間の隙間を小さくすることで、センサチップの裏側に空気が流れ込みにくくなり、センサチップの裏側を流れる空気の流速を低下させて、流量を少なく出来る。その結果、センサチップの表側を流れる空気に対し、センサチップの裏側を流れる空気の影響度を相対的に小さくできるので、センサ出力を安定させることが出来る。

（ａ）長手方向に沿ったケースとセンサチップの断面図、（ｂ）同図（ａ）の幅方向を示すＡ−Ａ断面図である（実施例１）。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。凸状部の変形例を示す断面図である（実施例１）。凸状部の変形例を示す断面図である（実施例１）。凸状部の変形例を示す断面図である（実施例１）。凸状部の変形例を示す断面図である（実施例１）。（ａ）長手方向に沿ったケースとセンサチップの断面図、（ｂ）同図（ａ）の幅方向を示すＢ−Ｂ断面図である（従来技術）。センサ基板に形成された空洞部を流れる空気の状態が流量に応じて変化する様子を示した断面図である。流量に対する出力特性の変化を示すグラフである。

本発明を実施するため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では、例えば、自動車のエンジンに吸入される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２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３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２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、エンジンが吸入す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、空気流路の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。

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２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の周囲に環状の出口６ｂが形成されている。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の中心軸からＡ点までの距離より、Ｂ点までの距離の方が大きくなる様に形成されている（図２参照）。つまり、サブバイパス流路６の入口６ａは、上記Ａ点とＢ点とを含む開口面が、バイパス流路５の出口側に傾いて形成されている。

センサ部４は、図４（ｂ）に示す様に、例えば、シリコン製のセンサ基板７に設けられるダイヤフラム８の表面上に薄膜抵抗体（発熱抵抗体９と側温抵抗体１０、１１）を形成したセンサチップ１２と、発熱抵抗体９の発熱温度を制御すると共に、側温抵抗体１０、１１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）とを備え、センサチップ１２がケース１３に保持されてサブバイパス流路６の曲がり部に配置されている。
発熱抵抗体９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１０、１１は、発熱抵抗体９の上流側に近接して配置される一方の側温抵抗体（以下、上流側温抵抗体１０と呼ぶ）と、発熱抵抗体９の下流側に近接して配置される他方の側温抵抗体（以下、下流側温抵抗体１１と呼ぶ）である。

ここで、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９が基準温度に通電制御されると、発熱抵抗体９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４（ａ）に破線グラフで示す様に、発熱抵抗体９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１０で検出される温度と、下流側温抵抗体１１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４（ａ）に実線グラフで示す様に、発熱抵抗体９の下流側（図示右側）へ片寄った温度分布が生じることで、上流側温抵抗体１０の検出温度より下流側温抵抗体１１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９の上流側（図示左側）へ片寄った温度分布が生じることで、下流側温抵抗体１１の検出温度より上流側温抵抗体１０の検出温度の方が高くなる。
上記の様に、上流側温抵抗体１０の検出温度と下流側温抵抗体１１の検出温度との間に温度差ＤＴｈが生じると、この温度差ＤＴｈに応じて、上流側温抵抗体１０と下流側温抵抗体１１の抵抗値がそれぞれ変化するため、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５は、上流側温抵抗体１０の検出温度と下流側温抵抗体１１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、本発明に係るセンサチップ１２とケース１３について説明する。
センサチップ１２は、図１（ａ）に示す様に、センサ基板７の長手方向（図示左右方向）の一端側（図示右側）にダイヤフラム８が形成されている。
このダイヤフラム８は、図４（ｂ）に示す様に、センサ基板７の表面にスパッタ法あるいはＣＶＤ法等により形成される絶縁膜であり、例えば、異方性エッチングにより、センサ基板７の裏面から絶縁膜との境界面までセンサ基板７の一部を除去して、センサ基板７に空洞部７ａを形成することにより設けられる。
なお、空洞部７ａは、図１（ａ）に示すセンサ基板７の長手方向、および、図１（ｂ）に示す幅方向ともに、センサ基板７の裏面から表側へ向かって、空洞部７ａの開口幅が次第に小さくなるテーパ状に形成されている。

ケース１３は、例えば、樹脂製であり、図１（ｂ）に示す様に、空気の流れに沿った表面に凹部１３ａが形成され、この凹部１３ａにセンサチップ１２を配置して、センサ基板７の他端側を接着剤１４により凹部１３ａの底面に固定することでセンサチップ１２を片持ち支持している。つまり、ダイヤフラム８が形成されるセンサ基板７の一端側は、凹部１３ａの底面に接着されていないため、センサ基板７の裏面および両側面と、凹部１３ａの底面および両側面との間にそれぞれ隙間を有している。
このケース１３には、図１（ａ）、（ｂ）に示す様に、ダイヤフラム８を設けるために除去された空洞部７ａに対し、凹部１３ａの底面から突起して空洞部７ａに入り込む凸状部１３ｂが設けられている。この凸状部１３ｂは、例えば、空洞部７ａと略同形状のテーパ状に設けられ、空洞部７ａとの間に略均一な隙間を形成している。なお、ケース１３は、樹脂製に限定されるものではないが、本実施例では、樹脂製であることが望ましい。

（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、センサチップ１２がケース１３に片持ち支持されている。この構造では、ケース１３に形成された凹部１３ａの底面に接着されていないセンサ基板７の一端側では、ケース１３の凹部１３ａとセンサ基板７との間に隙間が生じるため、薄膜抵抗体（発熱抵抗体９、上流側温抵抗体１０、下流側温抵抗体１１）を配置したセンサチップ１２の表側だけでなく、センサチップ１２の裏側（ケース１３の凹部１３ａとセンサ基板７との間に生じる隙間）にも空気が流れる。これに対し、実施例１に記載したケース１３には、センサチップ１２の裏側を流れる空気の通り道に抵抗となる凸状部１３ｂを設けている。

上記の凸状部１３ｂは、図１（ｂ）に示した様に、センサ基板７に設けられる空洞部７ａに対し、ケース１３に形成される凹部１３ａの底面から突起して空洞部７ａに入り込んでいるので、空洞部７ａの容積が減少して空気の乱れが抑制される。また、空洞部７ａと凸状部１３ｂとの間の隙間を小さくできるので、センサチップ１２の裏側に空気が流れ込み難くなり、センサチップ１２の裏側を流れる空気の流速を低下させることができる。その結果、センサチップ１２の表側を流れる空気に対し、センサチップ１２の裏側を流れる空気の影響度を相対的に小さくできるので、特性が変曲することはなく、センサ出力を安定（時間変動を小さく）できる。

なお、図１に示した凸状部１３ｂは、センサ基板７の空洞部７ａと略同形状（テーパ形状）に設けているが、この形状に限定するものではなく、センサチップ１２の裏側を流れる空気の通り道に抵抗となる様な形状、言い換えると、センサチップ１２の裏側を空気が流れ難くなり、且つ、空気の流速を低下させることができる形状であれば良い。
例えば、図６〜図９に示す形状が考えられる。
図６に示す凸状部１３ｂは、センサチップ１２の裏側を流れる空気の流れ方向に対し、空洞部７ａの上流側（図示左側）に偏った位置に設けた一例である。

図７に示す凸状部１３ｂは、空洞部７ａの略中央部に位置し、凹部１３ａの底面から角柱形状あるいは円柱形状に突起して設けた一例であり、凸状部１３ｂの平坦な先端面と空洞部７ａの天井面（図示上面）との間に略一定の隙間を形成している。
図８に示す凸状部１３ｂは、空洞部７ａの内部に入り込む先端部の形状が、所定の曲率を有する凸曲面（図８では半球形状）で構成される一例である。
図９に示す凸状部１３ｂは、空洞部７ａの内部に入り込む先端部に平坦面を有しており、且つ、平坦面の周縁部にＲを設けた一例である。

１エアフロメータ（空気流量測定装置）
２吸気ダクト（空気通路）７センサ基板
７ａセンサ基板の空洞部
８ダイヤフラム
９発熱抵抗体
１２センサチップ
１３ケース
１３ａケースに形成された凹部
１３ｂケースに設けられた凸状部
１４接着剤

Claims

センサ基板（７）の長手方向の一端側に、裏面から表側へ向かってテーパ状に空洞部（７ａ）を形成することにより、この空洞部（７ａ）に対応する前記センサ基板（７）の表面にダイヤフラム（８）が設けられ、且つ、このダイヤフラム（８）の表面上に発熱抵抗体（９）を配置したセンサチップ（１２）と、
このセンサチップ（１２）を保持するために形成された凹部（１３ａ）を有し、この凹部（１３ａ）に配置される前記センサチップ（１２）の他端側を接着剤（１４）により固定して、前記センサチップ（１２）の一端側の裏面および両側面と前記凹部（１３ａ）の底面および両側面との間にそれぞれ隙間を有する状態で前記センサチップ（１２）を片持ち支持するケース（１３）とを備え、
このケース（１３）を空気通路（２）に配置して、前記発熱抵抗体（９）の熱交換を基に空気流量を測定する空気流量測定装置（１）において、
前記ケース（１３）は、前記センサ基板（７）に形成された前記空洞部（７ａ）に対し、前記凹部（１３ａ）の底面から突起して前記空洞部（７ａ）に入り込む凸状部（１３ｂ）が設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。