JP5826355B1 - 流量測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性及び生産性を損なわないように環境センサと一体化された、低コストで小型の流量測定装置を得る。【解決手段】環境センサ13は、回路基板3のワイヤボンディング用パッド11を有していない第2面3bに実装され、回路基板収納部8に設けられた計測室14に配置される。計測室14は、主通路32と連通する連通口15を有する。このような構成によれば、流量測定装置1と環境センサ13を一体化することによる工程の追加を必要としない。また、パッド11を電子部品から遠ざけて配置する必要がないため、回路基板3の小型化が図られる。また、環境センサ13はバイパス通路33内の空気の流れに影響を与えないため、バイパス通路33内に配置された流量検出素子2の検出精度が低下することはない。【選択図】図1

Description

本発明は、配管内を通過する被計測流体、例えば内燃機関の吸入空気量を測定する流量測定装置に関し、特に、環境センサと一体化された流量測定装置に関する。
電子制御燃料噴射システムを用いた自動車のエンジンルーム内には、吸入空気量を測定する流量測定装置の他、温度測定装置、湿度測定装置、及び圧力測定装置等の環境センサや制御機器が配置されている。近年、これらの環境センサと流量測定装置を一体化することにより、車両への部品組み付け工数の削減やワイヤハーネスの簡略化が図ることが提案されている。
例えば特許文献1では、流量測定装置の回路基板と、独立した湿度測定装置、圧力測定装置の少なくとも1つを、流量測定装置のハウジングに組み付けることにより、流量測定装置と環境センサを一体化している。
また、特許文献2では、主通路から吸入空気の一部を取り込む第一の副流路内に流量検出素子を配置し、この第一の副流路内に設けられた第二の副流路に、流量測定装置の回路基板に実装された湿度測定装置を配置している。
また、特許文献3では、流量検出素子及び信号処理回路が固定される支持基板の端部に設けられた計測室に環境センサ素子を配置している。この例では、計測室は、流量検出素子が配置される副流路を挟んで信号処理回路と反対側に位置し、副流路と連通する連通穴を有している。
米国特許公報2013/0283895A1 特許第5178388号公報 特許第5279667号公報
しかしながら、特許文献1から特許文献3に示された構造では、流量測定装置と環境センサを一体化することにより以下のような問題が生じる。特許文献1では、流量測定装置の回路基板と別体の環境センサを流量測定装置に一体化しているため、環境センサを流量測定装置の回路基板に実装する場合と比較して、環境センサを組み付ける工程が増えるという問題がある。
また、特許文献2では、湿度測定装置を流量測定装置の回路基板に実装し、回路基板とコネクタ端子をワイヤボンディングにより電気的に接続しているが、湿度測定装置を回路基板上のワイヤボンディング用パッドと同一面にはんだ付けする場合、パッドにフラックスが付着しワイヤとパッドの接合強度が低下する。
そこで、湿度測定装置をはんだ付けした後、ワイヤボンディング用パッドに付着したフラックスを除去するため、回路基板を薬品で洗浄する必要が生じる。しかし、湿度測定装置等の環境センサは薬品の付着により故障する恐れがあるため、素子部をマスクで保護する等の対策が必要となり、工程が増えるという問題がある。
一方、フラックスの除去を目的とした回路基板の洗浄工程を回避する方法として、ワイヤボンディング用パッドを湿度測定装置等の電子部品から十分に遠ざけて配置することにより、パッドへのフラックスの飛散を防ぐことができるが、回路基板が大型化するという問題がある。
また、特許文献2に示された構造では、第二の副流路内に汚損物質や水滴等が侵入し、環境センサ素子が汚損する可能性があり、環境センサ素子の検出応答性及び検出精度の低下が懸念される。さらに、流量検出素子が配置される第一の副流路内に第二の副流路を設けているため、第一の副流路の空気の流れに乱れが生じ、流量検出素子の検出精度に悪影響を与える恐れがある。
また、特許文献3に示された構造では、環境センサ素子が配置される支持基板の端面が計測室内に露出しており、支持基板の耐久性や信頼性が求められる。このため、支持基板にセラミック基板を用いる必要があり、低コスト化の妨げとなる。また、環境センサ素子、流量検出素子及び信号処理回路を支持基板の同一面に配置しているが、これらは近接して配置することができないため、支持基板が大きくなるという問題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、信頼性及び生産性を損なわないように環境センサと一体化された、低コストで小型の流量測定装置を得ることを目的とする。
本発明に係る流量測定装置は、配管に設けられた貫通孔に挿入され、配管内を主通路とする被計測流体の流量を測定する流量測定装置であって、外部装置との間で信号を授受するコネクタ端子を有するコネクタと、主通路を通過する被計測流体の一部を取り込むバイパス通路に配置される流量検出素子と、一方の面にワイヤボンディング用パッドが配置されワイヤボンディングによりコネクタ端子及び流量検出素子と電気的に接続される回路基板と、回路基板を支持し収納する回路基板収納部と、回路基板の他方の面に実装され被計測流体の温度、湿度、及び圧力の少なくとも1つを計測する環境センサと、回路基板収納部に設けられ環境センサが配置される計測室を備え、計測室は、主通路と連通する連通口を有するものである。
本発明によれば、環境センサは回路基板に実装されるので、環境センサを一体化することによる工程数の増加がなく生産性を損なわない。また、環境センサをワイヤボンディング用パッドと反対側の面に実装するため、回路基板の小型化が図られる。また、環境センサは、回路基板収納部に設けられた計測室に配置されるため、被計測流体に直接曝されることなく高い検出応答性及び検出精度が得られると共に、流量検出素子が配置されたバイパス通路の空気の流れに影響を与えないため、流量検出素子の検出精度が低下せず、信頼性の高い流量測定装置が得られる。
本発明の実施の形態1に係る流量測定装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る流量測定装置の一部を切り欠いた側面図である。 本発明の実施の形態1に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態3に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態3に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態6に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態6に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。 本発明の実施の形態7に係る流量測定装置におけるセンサ信号の処理方法を示す図である。
実施の形態1.
以下に、本発明の実施の形態1に係る流量測定装置について、図面に基づいて説明する。図1は、本実施の形態1に係る流量測定装置を示す断面図、図2は、本実施の形態1に係る流量測定装置の一部を切り欠いた側面図、図3は、本実施の形態1に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、各図において、同一、相当部分には、同一符号を付している。
流量測定装置1は、配管に設けられた貫通孔に挿入され、配管内を主通路とする被計測流体の流量を測定するものである。本実施の形態1では、図1に示すように、内燃機関の吸気配管30に形成された挿入口31に挿入され、吸気配管30内を主通路32とする吸入空気の流量を測定する。なお、図2中、矢印Aは主通路32を通過する吸入空気の流れ方向を示している。
流量測定装置1は、挿入方向の先端部から順に、流量検出部7、回路基板収納部8、及びコネクタ9となっている。流量検出部7において、流量検出素子2はプレート4に支持され、プレート4はベース5に支持されている。カバー6は、ベース5及びプレート4に重ねて配置され、それらに接着されている。プレート4とカバー6は、主通路32を通過する吸入空気の一部を取り込むバイパス通路33を形成しており、流量検出素子2はバイパス通路33内に配置される。
回路基板収納部8は、プレート4、ベース5及びカバー6から構成されている。回路基板収納部8において、回路基板3は、プレート4により支持されると共に、その一方の面(第1面3a)をカバー6で覆われ、他方の面(第2面3b)をベース5で覆われている。
外部装置(図示省略)との間で信号を授受するコネクタ端子10を有するコネクタ9は、ベース5の一部により形成され、コネクタ端子10はベース5と一体成型されている。また、吸気配管30の外部において、ベース5の一部をねじ(図示省略)等により吸気配管30に取り付けることにより、流量測定装置1が吸気配管30に設置される。
回路基板3は、その第1面3aにワイヤボンディング用パッド11(以下パッド11と略す)が配置され、ボンディング部材としてワイヤ12を用いたワイヤボンディングによりコネクタ端子10及び流量検出素子2と電気的に接続される。
また、回路基板3の第2面3bには、被計測流体の温度、湿度、及び圧力の少なくとも1つを計測する環境センサ13が、はんだ付けにより実装される。すなわち、環境センサ13は、温度センサを備えた温度測定装置、湿度センサを備えた湿度測定装置、及び圧力センサを備えた圧力測定装置の少なくとも1つを含んでいる。なお、環境センサ13は、上記以外の測定装置を含んでいても良い。
さらに、回路基板3の第1面3a及び第2面3bには、環境センサ13以外の複数の電子部品(図示省略)が、はんだ付けにより実装される。なお、環境センサ13以外の複数の電子部品の全てを、第2面3bのみに実装しても良いし、第1面3aのみに実装しても良い。いずれの場合も、回路基板収納部8は、環境センサ13以外の電子部品が被計測流体に曝されないように回路基板3を収納している。
一方、環境センサ13は、回路基板収納部8の一部に設けられた計測室14に配置される。計測室14に配置される電子部品は、環境センサ13のみである。本実施の形態1において、計測室14は、回路基板3、ベース5、及びプレート4から構成されるが、これに限定されるものではない。計測室14内に露出した環境センサ13と回路基板3の接合部は、コーティング剤16によりコーティングされる。
計測室14は、主通路32を通過する吸入空気の流れ方向Aと平行な面(図2に示すベース5の側面5a)に、主通路32との連通口15を有している。このため、計測室14に配置された環境センサ13は、主通路32を通過する吸入空気の温度、湿度、及び圧力を計測することができる。
計測室14の連通口15が、吸入空気の流れ方向Aと平行なベース5の側面5aに設けられる理由について、図2を用いて説明する。主通路32を通過する吸入空気の一部は、流量測定装置1まで到達すると、ベース5の正面5bに衝突して流量測定装置1から剥離する。このため、吸入空気に含まれている汚損物質や水滴等は、ベース5の正面5bと直交する側面5aに設けられた連通口15には到達しにくい。このような理由により、連通口15はベース5の側面5aに設けることが望ましい。
次に、流量測定装置1の製造方法として、回路基板3の第1面3aに環境センサ13以外の電子部品を実装し、第2面3bに環境センサ13のみを実装する場合の実装工程について説明する。
まず、パッド11を有する第1面3aに、環境センサ13以外の電子部品をはんだ付けにより実装する。続いて、上記はんだ付け工程によってパッド11に付着したフラックスを除去するために、回路基板3を薬品等で洗浄する。その後、回路基板3の第2面3bに、環境センサ13をはんだ付けにより実装する。
上記実装工程において、環境センサ13以外の電子部品を、第1面3aと第2面3bの両方に実装するようにしても良い。また、環境センサ13を含む全ての電子部品を第2面3bに実装するようにしても良い。後者の場合、パッド11へのフラックスの付着が発生しないため、回路基板3の洗浄工程は不要となる。
以上のように、本実施の形態1によれば、環境センサ13は他の電子部品と同様に回路基板3に実装されるので、流量測定装置1と環境センサ13を一体化することによる工程の追加を必要としない。また、環境センサ13は、パッド11を有していない第2面3bに実装されるので、環境センサ13をはんだ付けする際にパッド11にフラックスが付着しないため、環境センサ13を実装後の回路基板3の洗浄工程を回避することができる。
また、パッド11を有する第1面3aに環境センサ13以外の電子部品をはんだ付けする場合には、環境センサ13を実装する前に回路基板3を洗浄してパッド11に付着したフラックスを除去することができるので、パッド11を電子部品から遠ざけて配置する必要がなく、回路基板3の小型化が図られる。
また、環境センサ13が設置される計測室14の連通口15を、主通路32を通過する吸入空気の流れ方向Aと平行なベース5の側面5aに設けることにより、吸入空気に含まれる汚損物質や水滴等が計測室14へ侵入しにくい。これにより、環境センサ13は、高い検出応答性及び検出精度が得られる。
また、流量検出部7と隔離された回路基板収納部8に計測室14を設けているので、環境センサ13はバイパス通路33内の空気の流れに影響を与えない。従って、環境センサ13と一体化することにより、バイパス通路33内に配置された流量検出素子2の検出精度が低下することはない。
さらに、計測室14内に回路基板3の端面が露出していないため、回路基板3にセラミック基板を使用する必要がなく、例えばガラスエポキシ基板等の安価な材料を選択することができる。以上のことから、本実施の形態1によれば、信頼性及び生産性を損なわないように環境センサ13と一体化された、低コストで小型の流量測定装置1を得ることができる。
実施の形態2.
図4及び図5は、本発明の実施の形態2に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、本実施の形態2に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
本実施の形態2に係る流量測定装置は、計測室14の連通口15に防水透湿性のフィルタ17を設け、キャップ18で固定している。フィルタ17は、キャップ18の主通路32側の面に、接着または溶着等の方法で固定される。キャップ18は、連通口15周辺のベース5に接着される。
なお、図4に示す例では、計測室14を、回路基板3、プレート4、フィルタ17及びキャップ18から構成したが、計測室14の構成はこれに限定されるものではない。例えば図5に示すように、計測室14を、回路基板3、フィルタ17及びキャップ18Aから構成しても良い。図5に示すキャップ18Aは、図4のプレート4の機能を兼ねており、回路基板3に接着される。
フィルタ17は、吸入空気に含まれる汚損物質や水滴が計測室14内に侵入しないように連通口15に設けられるが、透湿性であるため、計測室14に配置される環境センサ13が湿度測定装置の場合にも湿度の測定を正常に行うことが可能であり、湿度検出応答性及び湿度検出精度に影響を与えない。
本実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様の効果に加え、さらに、上記実施の形態1よりも確実に、主通路32から計測室14内に汚損物質や水滴等が侵入することを防止することができる。
実施の形態3.
図6及び図7は、本発明の実施の形態3に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、本実施の形態3に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
上記実施の形態2では、計測室14の連通口15に、防水透湿性のフィルタ17をキャップ18で固定したが、本実施の形態3では、キャップ18を用いず、計測室14を構成するベース5の主通路32側から連通口15に直接、フィルタ17を固定した。
なお、図6に示す例では、計測室14を、回路基板3、ベース5、プレート4、及びフィルタ17から構成したが、計測室14の構成はこれに限定されるものではない。例えば図7に示すように、計測室14を、回路基板3、ベース5、及びフィルタ17から構成しても良い。
本実施の形態3によれば、上記実施の形態2と同様の効果に加え、フィルタ17をベース5に直接固定することによりキャップ18が不要となり、部品点数を削減することができ、キャップ18をベース5に接着する工程を削減することができる。
実施の形態4.
図8及び図9は、本発明の実施の形態4に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、本実施の形態4に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
本実施の形態4に係る流量測定装置は、計測室14の連通口15に防水透湿性のフィルタ17を設け、キャップ18で固定している。フィルタ17は、キャップ18の計測室14側の面に、接着または溶着等の方法で固定される。キャップ18は、連通口15周辺のベース5に接着される。このような固定方法により、流量測定装置1をハンドリングする際に、フィルタ17に指等が触れにくく、フィルタ17の剥離を防止することができる。
なお、図8に示す例では、計測室14を、回路基板3、プレート4、フィルタ17及びキャップ18から構成したが、計測室14の構成はこれに限定されるものではない。例えば図9に示すように、計測室14を、回路基板3、フィルタ17及びキャップ18Aから構成しても良い。図9に示すキャップ18Aは、図8のプレート4の機能を兼ねており、回路基板3に接着される。
フィルタ17は、吸入空気に含まれる汚損物質や水滴が計測室14内に侵入しないように連通口15に設けられるが、透湿性であるため、計測室14に配置される環境センサ13が湿度測定装置の場合にも湿度の測定を正常に行うことが可能であり、湿度検出応答性及び湿度検出精度に影響を与えない。
本実施の形態4によれば、上記実施の形態1と同様の効果に加え、さらに、上記実施の形態1よりも確実に、主通路32から計測室14内に汚損物質や水滴等が侵入することを防止することができる。
実施の形態5.
図10及び図11は、本発明の実施の形態5に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、本実施の形態5に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
上記実施の形態4では、計測室14の連通口15に、防水透湿性のフィルタ17をキャップ18で固定したが、本実施の形態5では、キャップ18を用いず、計測室14を構成するベース5の内側から連通口15に直接、フィルタ17を固定した。このような固定方法により、流量測定装置1をハンドリングする際に、フィルタ17に指等が触れにくく、フィルタ17の剥離を防止することができる。
なお、図10に示す例では、計測室14を、回路基板3、ベース5、プレート4、及びフィルタ17から構成したが、計測室14の構成はこれに限定されるものではない。例えば図11に示すように、計測室14を、回路基板3、ベース5、及びフィルタ17から構成しても良い。
本実施の形態5によれば、上記実施の形態4と同様の効果に加え、フィルタ17をベース5に直接固定することによりキャップ18が不要となり、部品点数を削減することができ、キャップ18をベース5に接着する工程を削減することができる。
実施の形態6.
図12及び図13は、本発明の実施の形態6に係る流量測定装置の計測室を示す断面図である。なお、本実施の形態6に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
吸入空気に含まれる水滴等により連通口15が封止され、計測室14が主通路32と隔離された場合、環境センサ13は主通路32を通過する吸入空気の環境パラメータを正確に計測することができない。そこで、本実施の形態6では、連通口15を有するベース5の側面5aの主通路32側に連通口15を囲む突出部19を設け、ベース5の側面5aを伝ってきた水滴等が連通口15に到達するのを防いでいる。
図12に示す例では、突出部19は、フィルタ17を固定するキャップ18Bと一体成型されている。また、図13に示す例では、突出部19は、主通路32側に向かって開口部が広がるテーパ部20を有し、キャップ18Cと一体成型されている。突出部19にテーパ部20を設けることにより、連通口15に付着した水滴がテーパ部20を伝って連通口15から排出されやすくなる。
なお、本実施の形態6では、突出部19はキャップ18B、18Cと一体成型されているが、これに限定されるものではない。上記実施の形態5のように、フィルタ17をベース5に直接固定する場合(図10及び図11参照)には、突出部をベース5と一体成型することができる。
本実施の形態6によれば、連通口15を囲む突出部19を設けることにより、ベース5の側面5aを伝ってきた水滴等により連通口15が封止されるのを防ぐことができる。これにより、環境センサ13による環境パラメータの計測が安定して行われるようになり、信頼性がさらに向上する。
実施の形態7.
図14は、本発明の実施の形態7に係る流量測定装置におけるセンサ信号の処理を示す図である。本実施の形態7では、環境センサ13の出力を流量測定装置1の出力に重畳することにより、環境センサ13との一体化によるコネクタ端子10の数の増加が発生しないようにしている。なお、本実施の形態7に係る流量測定装置の全体構成は、上記実施の形態1と同様であるので図1を流用し、各部の詳細な説明を省略する。
図14に示すように、流量測定装置1は流量信号を出力する。また、環境センサ13が温度センサ、湿度センサ、及び圧力センサを含む場合、それぞれ温度信号、湿度信号、圧力信号を出力する。環境センサ13から出力された各センサ信号は、回路基板3の信号処理部において流量信号に重畳され、コネクタ端子10を介してECU(Engine Control Unit)に転送される。
流量測定装置1とECUの間の通信方式としては、車内LANの通信方式として一般に普及している例えばSENT(Single Edge Nibble Transmission)、LIN(Local Interconnect Network)、I2C(Inter−Integrated Circuit)、CAN(Controller Area Network)、PSI5(Peripheral Sensor Interface 5)等が用いられる。
本実施の形態7によれば、流量測定装置1と環境センサ13がコネクタ端子10を共有しているので、環境センサ13を流量測定装置1に一体化することによるコネクタ端子10の数の増加が発生しない。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は、内燃機関の吸入空気量を測定すると共に、環境センサにより環境パラメータを計測することが可能な流量測定装置として利用することができる。
1 流量測定装置、2 流量検出素子、3 回路基板、3a 第1面、3b 第2面、4 プレート、5 ベース、5a 側面、5b 正面、6 カバー、
7 流量検出部、8 回路基板収納部、9 コネクタ、10 コネクタ端子、
11 ワイヤボンディング用パッド、12 ワイヤ、13 環境センサ、14 計測室、15 連通口、16 コーティング剤、17 フィルタ、
18、18A、18B、18C キャップ、19 突出部、20 テーパ部、
30 吸気配管、31 挿入口、32 主通路、33 バイパス通路。

Claims (8)

  1. 配管に設けられた貫通孔に挿入され、前記配管内を主通路とする被計測流体の流量を測定する流量測定装置であって、
    外部装置との間で信号を授受するコネクタ端子を有するコネクタ、
    前記主通路を通過する被計測流体の一部を取り込むバイパス通路に配置される流量検出素子、
    一方の面にワイヤボンディング用パッドが配置されワイヤボンディングにより前記コネクタ端子及び前記流量検出素子と電気的に接続される回路基板、
    前記回路基板を支持し収納する回路基板収納部、
    前記回路基板の他方の面に実装され、被計測流体の温度、湿度、及び圧力の少なくとも1つを計測する環境センサ、
    前記回路基板収納部に設けられ、前記環境センサが配置される計測室を備え、
    前記計測室は、前記主通路と連通する連通口を有することを特徴とする流量測定装置。
  2. 前記計測室は、前記主通路を通過する被計測流体の流れ方向と平行な面に前記連通口を有することを特徴とする請求項1記載の流量測定装置。
  3. 前記回路基板の前記一方の面及び前記他方の面のいずれか一方または両方には、前記環境センサ以外の電子部品が実装され、前記回路基板収納部は、前記環境センサ以外の前記電子部品が被計測流体に曝されないように前記回路基板を収納することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流量測定装置。
  4. 前記連通口には、防水透湿性のフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の流量測定装置。
  5. 前記フィルタは、前記計測室の内側から固定されていることを特徴とする請求項4記載の流量測定装置。
  6. 前記計測室は、前記連通口を有する面の前記主通路側に、前記連通口を囲む突出部を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の流量測定装置。
  7. 前記突出部は、前記主通路側に向かって開口部が広がるテーパ部を有することを特徴とする請求項6記載の流量測定装置。
  8. 前記環境センサの出力を前記流量測定装置の出力に重畳することにより、前記環境センサとの一体化による前記コネクタ端子の数の増加がないように、前記コネクタ端子を共有していることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の流量測定装置。
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