JP6073491B2 - エアフローメータ - Google Patents

Description

本発明は、エアフローメータ（空気質量計）であって、微小電気機械式の構造で形成されたセンサエレメントを備え、該センサエレメントが、加熱エレメントと少なくとも１つの温度センサエレメントとを有し、該温度センサエレメントが、サーモエレメントとして形成されており、該サーモエレメントが、電流により順次に通電される、直列に接続された多数の熱電対から成り、該熱電対が、それぞれ第１の金属製の導体と、第２の金属製の導体とから成り、両金属製の導体が、それぞれ一方の端部で接続個所によって互いに接続されており、前記第１の金属製の導体と、前記第２の金属製の導体とが、互いに異なる金属から形成されているエアフローメータに関する。

エアフローメータは、たとえば自動車において、内燃機関により吸い込まれた空気質量を検出するために使用される。吸い込まれた空気質量に関する、できるだけ信頼性の良い情報を基礎にして、内燃機関の電子制御装置によって燃焼が最適化され得るようになり、この場合、空気質量に合わせて正確に調整された燃料量が、各燃焼室に供給されるようになる。その結果、エネルギ利用の改善が得られると同時に、有害物質排出の低減が得られる。

独国特許出願公開第４４０７２０９号明細書に基づき公知のエアフローメータは、空気質量を測定するために吸気通路内に差し込まれる。この場合、全体流のうちの規定された割合の流量がエアフローメータを流通する。このためには、このエアフローメータが、プラグイン式通路型のエアフローメータとして形成されている。このエアフローメータは、測定通路内に配置されたセンサエレメントと、このセンサエレメントの測定値の評価および／または検出のための、ハウジング内に配置された電子装置と、センサエレメントを挟んで反対の側の流出通路とを含む。スペース節約的な配置のためには、上記通路もしくは空気案内路が、Ｕ字形、Ｓ字形またはＣ字形に形成されているので、全体的にコンパクトな、プラグインエレメントとして形成された装置が構成される。

米国特許出願公開第５３９３３５１号明細書に開示されているエアフローメータでは、サーモエレメントとして形成された温度センサエレメントが、センサエレメントの縁領域において付加的なサーモエレメントによって保護される。

独国特許出願公開第１００５７４０３号明細書には、サーモパイル型の熱電センサが開示されている。サーモパイル型の熱電センサの出力信号は、感度調節のための熱電パターンが、１つのサーモパイルを形成する複数の熱電パターンと直列に接続されるように調節され得る。

国際公開第０３／０８９８８４号に記載の構成により構成された、ホットフィルム式流速計として構成されたエアフローメータが、原理的に有利であることが判っている。

微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成されているセンサエレメントを基礎として作動する最新のエアフローメータの開発においては、特に汚染によってセンサエレメントの測定結果に不都合な影響が与えられる恐れがあることが判った。たとえば空気質量流中の油滴により生ぜしめられる恐れのある汚染により、センサエレメントには、時間との関係において信号ドリフトが発生し、このような信号ドリフトは空気質量流についての誤った測定値を招く恐れがある。しかし、微小電気機械式のシステムとして構成されたセンサエレメントには、放棄されるべきでない多くの利点がある。したがって、本発明の課題は、センサエレメントの汚染による測定結果の誤変動を取り除くか、または少なくとも狭い範囲内に保持することである。

この課題は、独立項形式の各請求項の特徴により解決される。有利な実施態様は、従属項形式の各請求項の対象である。

本発明によれば、上記課題は、前記サーモエレメントの１つまたは複数の一番目の熱電対と、１つまたは複数の最後の熱電対とは、それぞれまず前記第２の金属製の導体が、次いで前記第１の金属製の導体が、電流により通電されるように極性付けられており、前記サーモエレメントの、前記１つまたは複数の一番目の熱電対と、前記１つまたは複数の最後の熱電対との間に配置されたその他の熱電対は、それぞれまず前記第１の金属製の導体が、次いで前記第２の金属製の導体が、電流により通電されるように極性付けられていることにより解決される。それぞれまず第２の金属製の導体が、次いで第１の金属製の導体が、電流により通電されるようにサーモエレメントの１つまたは複数の一番目の熱電対と、１つまたは複数の最後の熱電対とが極性付けられていると、サーモエレメントの縁領域における汚染効果による測定結果の誤変動が十分に補償される。なぜならば、極性反転された熱電対が温度センサエレメントの縁領域に設けられているからである。一番目の熱電対と最後の熱電対とを極性反転させることにより、たしかにサーモエレメントの信号強度は少しだけ低減される。この場合、１つのサーモエレメントは１０００個以上の熱電対から成っていてよいので、サーモエレメントの始端部と終端部とに設けられた、極性反転された幾つかの熱電対は信号強度に対して極めて小さな影響しか及ぼさない。それに対して、サーモエレメントのこのような構成により、信号の長時間安定性は大幅に改善される。なぜならば、この場合、汚染効果が測定結果にほとんど影響を与えないからである。

本発明の改良形では、センサエレメントが、第１の温度センサエレメントと第２の温度センサエレメントとを有する。第１の温度センサエレメントと第２の温度センサエレメントとを用いて、質量流中の温度差が測定され得る。これによって、質量流自体が測定可能となる。この場合、第１の温度センサエレメントが、加熱エレメントに関して上流側に配置されており、第２の温度センサエレメントが、加熱エレメントに関して下流側に配置されていると有利である。

本発明のさらに別の特徴および利点は、以下に図面につき行う１実施形態の説明により明らかとなる。以下において、種々の図面にわたって、同一の構成要素に対しては同じ用語および同じ符号を使用する。

エアフローメータの概略図である。 微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成されたセンサエレメントを示す概略図である。 微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成された、エアフローメータの補助管内に配置されたセンサエレメントを示す概略図である。 空気質量流が流入開口を通じてエアフローメータの補助管内に流入する状況を示す概略図である。 プラグイン式フィンガとして吸気管内に組み込まれているエアフローメータに設けられた、微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成されたセンサエレメントを示す概略図である。 第１の温度センサエレメントと第２の温度センサエレメントとを備えたセンサエレメントを示す概略図である。 サーモパイルを備えたエアフローメータのセンサエレメントを示す概略図である。 サーモエレメントとして構成された温度センサエレメントを示す概略図である。

図１には、質量流量センサが図示されている。質量流量センサはこの場合、空気質量計、すなわちエアフローメータ２として構成されている。エアフローメータ２は本実施形態では、プラグイン式フィンガとして図示されている。プラグイン式フィンガは吸気管１内に差し込まれて、この吸気管１に固く結合されている。吸気管１は質量流、すなわちこの場合には空気質量流１０を、内燃機関のシリンダに向かって案内する。内燃機関のシリンダ内で燃料を効率良く燃焼させるためには、提供されている空気質量に関する正確な情報を得ることが必要となる。提供されている空気質量につき、シリンダ内に噴射された燃料を燃焼させるために必要となる、利用可能な酸素を推量することができる。さらに、エアフローメータ２は図１では、第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とを示している。第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とは、互いに異なる個所に配置されている。第１第２の両温度センサエレメント７，８は一般に抵抗またはサーモパイルから形成される。抵抗またはサーモパイルは、各温度センサエレメントに生ぜしめられる温度に相応して種々異なる抵抗値を取る。第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８との間には、加熱エレメント（ヒータ）１２が形成されている。空気質量流１０の、流入開口４を通じてエアフローメータ２のハウジング３内に流入した部分は、まず最初に第１の温度センサエレメント７を流過し、次いで加熱エレメント１２を通過し、その後に空気質量流１０は第２の温度センサエレメント８に到達し、次いで補助管５に沿ってエアフローメータ２の流出開口６へ導かれる。空気質量流１０は特定の温度を持って第１の温度センサエレメント７に到達する。この温度は、第１の温度センサエレメント７によって絶対温度として検出される。その後に、空気質量流１０は加熱エレメント１２を流過し、この場合、空気質量流１０は、加熱エレメント１２の傍らを流れる質量に応じて多かれ少なかれ加熱される。加熱された空気質量流１０が、第２の温度センサエレメント８に到達すると、空気質量流１０の、このときに存在する温度が第２の温度センサエレメント８によって絶対温度として測定される。第１の温度センサエレメント７により測定された絶対温度と、第２の温度センサエレメント８により測定された絶対温度との差から、傍らを流過された空気質量を測定することができる。このためには、エアフローメータ２自体が電子評価装置１３を内蔵していてよい。電子評価装置１３は第１の温度センサエレメント７の測定信号と、第２の温度センサエレメント８の測定信号とを評価する。こうして取得された、空気質量流１０に関する情報は、エンジン制御部（図示しない）へ伝送される。

念のため付言しておくと、本実施形態では本発明をエアフローメータを例にとって説明しているが、このことは、本発明を空気質量流の測定に限定することを意味するものではない。本発明による装置を用いて、別の質量流を有利に検出しかつ測定することもできる。たとえば、本発明による装置を用いて、炭化水素タンクのパージ管路内の炭化水素化合物の質量流を測定することも考えられる。

図２には、エアフローメータのためのセンサエレメント１５が図示されている。このセンサエレメント１５は、微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として唯一つのシリコンチップ上に形成されている。センサエレメント１５は、差温度法により作動し、これによって、傍らを流れる空気質量流１０の質量が測定される。このためには、薄いダイヤフラム１７に第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とが形成されている。第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とは、ダイヤフラム１７の表面１６において互いに異なる個所に位置している。第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８との間には、加熱エレメント１２が配置されている。微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成されたセンサエレメント１５には、さらに、電子評価装置１３が組み込まれている。この電子評価装置１３は両温度センサエレメント７，８の測定信号を直ちに評価して、空気質量流１０に対して比例する信号に変換することができる。しかし、電子評価装置１３は、後置された電子器具内に組み込まれていてもよい。空気質量流１０に関する情報は、接続パッド１９と接続線材１８とを介して、後続の電子式のエンジン制御部（図示しない）に伝送される。

図３には、微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成された、エアフローメータ２用のセンサエレメント１５が示されている。このセンサエレメント１５は、唯一つの基板に形成されており、この場合、この基板はエアフローメータ２の補助管５内に配置されている。図３の状態では、流入開口４を通じて空気質量流１０が流れていない。このことは、たとえば内燃機関が遮断された状態のときに該当する。この状態は、ゼロ質量流とも呼ばれる。センサエレメント１５に設けられた加熱エレメント１２に電気的なエネルギが供給されると、加熱エレメント１２の周囲には、図示の対称的な温度分布２０が生じる。これによって、第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とは、互いに等しい絶対温度を測定し、そして両温度センサエレメント７，８の温度測定信号の差形成の後に、電子評価装置１３により、エアフローメータ２の補助管５内に空気質量流１０が存在しないことが検知される。しかし、ゼロ質量流の場合の温度測定信号のこのような理想的な一致は、たとえばセンサエレメント１５における汚染物によって妨げられる恐れがある。

図４には、流入開口４を通じてエアフローメータ２の補助管５内に空気質量流１０流入している状況が示されている。この場合、加熱エレメント１２の周囲の温度分布２０は、明らかに第２の温度センサエレメント８の方向にずらされる。これによって、第２の温度センサエレメント８は、第１の温度センサエレメント７よりも明らかに高い温度を測定する。電子評価装置１３において両温度センサエレメント７，８の差温度を求めることにより、空気質量流１０を測定することができる。しかし、センサエレメント１５に存在する汚染物９の影響は相変わらず有効であり、この影響は測定結果に重畳される恐れがある。温度の総和は、やはり空気質量流１０に反応する。しかし、さらに温度の総和は、空気質量の熱的な特性、たとえば傍らを流れる空気質量流１０の熱容量および／または熱伝導率にも反応する。たとえば空気質量流１０は同じままで空気質量の熱伝導率が高くなると、システムは冷却され、温度の総和は著しく低くなる。しかし、第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８との差温度は、第１近似において不変のままとなる。したがって、第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８との総和信号によって、熱的な特性の変化、たとえば空気質量の熱容量の変化または熱伝導率の変化が測定され得る。差温度信号が総和温度信号と差引計算されると、傍らを流れる空気質量の変化させられた熱伝導率および／または変化させられた熱容量を推量することができる。

図５には、エアフローメータ２のセンサエレメント１５が示されている。このセンサエレメント１５は、微小電気機械式のシステム（ＭＥＭＳ）として構成されている。エアフローメータ２は、プラグイン式フィンガとして吸気管１内に組み込まれている。空気質量流１０はこの場合にも、流入開口４に到達して、補助管５に流入する。ダイヤフラム１７の表面１６には、第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とが設けられている。第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８との間には、加熱エレメント１２が配置されている。空気質量流１０はまず第１の温度センサエレメント７に到達し、次いで加熱エレメント１２を流過し、その後に第２の温度センサエレメント８に到達する。第１の温度センサエレメント７は加熱エレメント１２を基準に見て上流側に配置されており、第２の温度センサエレメント８は加熱エレメント１２を基準に見て下流側に配置されている。

図５から判るように、空気質量流１０は汚染物９をも含んでいる。空気質量流１０と共に、たとえば水滴２６、油滴１１および／またはダスト粒子１４がエアフローメータ２へ向かって運ばれる。汚染物９はエアフローメータ２の流入開口４を通じてセンサエレメント１５にまで達する。汚染物９が第１の温度センサエレメント７の領域と第２の温度センサエレメント８の領域とに堆積すると、時間と共に、空気質量流１０のための測定値の著しい誤変動が生じる恐れがある。この誤変動はセンサエレメント１５における汚染物の蓄積によって、長い時間にわたって徐々に大きく形成されていくので、これに関連してエアフローメータ２の「信号ドリフト」とも呼ばれる。この信号ドリフトは望ましくない。信号ドリフトは抑制され、かつ／または補償されることが望ましい。

図６には、第１の温度センサエレメント７と、第２の温度センサエレメント８と、両温度センサエレメント７，８の間に配置された加熱エレメント１２とを備えたセンサエレメント１５が示されている。矢印を用いて、空気質量流１０の方向が示されている。これによって、空気質量流１０の流れ方向で見て、第１の温度センサエレメント７は加熱エレメント１２の手前（上流側）に位置し、第２の温度センサエレメント８は加熱エレメント１２の背後（下流側）に位置する。第１の温度センサエレメント７も第２の温度センサエレメント８も、本実施形態では、１つの測定抵抗２２と少なくとも２つの比較抵抗２１とから成る電気的な直列接続回路として構成されている。図面から判るように、測定抵抗２２は薄いダイヤフラム１７の内側の領域に配置されており、比較抵抗２１はダイヤフラム１７の縁領域に配置されている。

さらに、図６から判るように、汚染物９、つまりこの場合には油滴１１が、空気質量流１０と共にセンサエレメント１５に向かって運ばれる。特に油滴１１はセンサエレメント１５に堆積する。図面から良く判るように、センサエレメント１５における油滴１１の堆積は、空気質量流１０の流れ方向で見て加熱エレメント１２の下流側に配置されている第２の温度センサエレメント８の領域で特に著しく行われる。センサエレメント１５における油滴１１のこのような非対称的な堆積は、信号ドリフトを招き、この信号ドリフトは最後には、センサエレメント１５により検出された絶対温度の誤変動を招き、ひいては空気質量流１０のための測定値の誤変動を招く。さらに、汚染物の堆積は、特にダイヤフラム１７の縁領域でも行われる。油滴１１のこの非対称的な堆積には、特に第２の温度センサエレメント８の領域における、より高い温度およびダイヤフラム１７の縁領域における温度勾配を起源とした物理的な理由がある。

図７には、エアフローメータ２のセンサエレメント１５が図示されている。このセンサエレメント１５の第１の温度センサエレメント７と第２の温度センサエレメント８とは、サーモエレメント２３として形成されている。サーモパイル２３とも呼ばれるサーモエレメント２３は、熱を電気的なエネルギに変換する。サーモエレメント２３は複数の熱電対２９から成り、これらの熱電対２９は、互いに異なる２種の金属から成る線材を有しており、両金属は一端で互いに結合されている。温度差が生じると、金属内での熱流に基づき、電圧が発生させられる。

１つの導体の互いに異なる温度の２つの個所の間で電位差が発生することは「ゼーベック効果」と呼ばれる。電位差は温度差に対してほぼ比例しており、電位差は導体材料に依存している。唯一つの導体の両端が測定時に互いに等しい温度にあると、電位差は常に互いに相殺し合う。しかし、互いに異なる２種の導体材料が互いに結合されると、１つの熱電対２９が形成される。ゼーベック効果を基礎とした測定システムでは、一般に極めて多数の個々の熱電対２９が電気的に直列に接続される。

測定目的で材料対を選ぶ場合、発生させられる熱起電力ができるだけ高くなることが望ましく、ひいては温度変化と電圧変化との間の高い線形性が達成されることが望ましい。図７に示したサーモエレメント２３は、連続するそれぞれ第１の金属２４と、この第１の金属２４に接続個所２８で結合された第２の金属２５とから成っている。

図７から良く判るように、１つのサーモエレメント２３から形成されている第２の温度センサエレメント８の領域には、汚染物９、すなわちこの場合には油滴１１が堆積されている。これらの汚染物９は、両温度センサエレメント７，８により測定された絶対温度を誤らせてしまう。これにより生ぜしめられる信号ドリフトについては、既に前に挙げた図面の説明中に述べた通りである。

図８には、たとえばセンサエレメント１５において第１の温度センサエレメント７および第２の温度センサエレメント８として形成されているような、サーモエレメント２３として形成された温度センサエレメントが図示されている。サーモエレメント２３は多数の熱電対２９を示している。熱電対２９の個数は、サーモエレメント１個当たり熱電対２９が１０００個以上であってよい。１つの熱電対２９は、第１の金属製の導体２４と、第２の金属製の導体２５とから構成されている。第１の金属製の導体２４と、第２の金属製の導体２５とは、互いに異なる金属から成っている。第１の金属製の導体２４は、たとえば鉄から成っていてよく、第２の金属製の導体２５は、銅線材から形成される。第１の金属製の導体２４と第２の金属製の導体２５とは、接続個所２８で互いに電気的に接続されている。１つのサーモエレメント２３は、互いに電気的に直列に接続された多数の熱電対２９によって形成される。図８から判るように、一番目の熱電対３１は、まず第２の金属製の導体２５が電流Ｉにより通電され、その後に第１の金属製の導体２４が電流Ｉにより通電されるように極性付けられている。最後の熱電対３２においても、金属製の導体の順序は、まず第２の金属製の導体２５が、次いで第１の金属製の導体２４が、それぞれ電流Ｉにより通電されるように選択されている。その他の熱電対３３はその場合、まず第１の金属製の導体２４が電流Ｉにより通電され、その後に第２の金属製の導体２５が電流Ｉにより通電されるように極性付けられている。極性を反転させること、すなわちサーモエレメントの１つまたは複数の一番目の熱電対３１および１つまたは複数の最後の熱電対３２の金属製の導体の順序を、サーモエレメントのその他の熱電対３３に対して変えることは、サーモエレメント２３全体の、極めて長い時間にわたって安定した信号特性をもたらす。特に第２の温度センサエレメント８の縁領域、すなわち極性反転された熱電対の領域に堆積している汚染物は、サーモエレメント２３の本発明における構成により、信号品質や温度センサエレメントの測定結果の長時間安定性にほとんど影響を与えなくなる。したがって、図８に示したように構成されたサーモエレメント２３は、極めて長い時間にわたって高い信号安定性を有し、そして正確でかつ高価値の測定結果を提供する。

Claims (3)

1. エアフローメータ（２）であって、微小電気機械式の構造で形成されたセンサエレメント（１５）を備え、該センサエレメント（１５）が、加熱エレメント（１２）と少なくとも１つの温度センサエレメント（７，８）とを有し、該温度センサエレメント（７，８）が、サーモエレメント（２３）として形成されており、該サーモエレメント（２３）が、電流（Ｉ）により順次に通電される、直列に接続された複数の熱電対（２９，３１，３２，３３）から成り、該熱電対（２９，３１，３２，３３）が、それぞれ第１の金属製の導体（２４）と、第２の金属製の導体（２５）とから成り、両金属製の導体（２４，２５）が、それぞれ一方の端部で接続個所（２８）によって互いに接続されており、前記第１の金属製の導体（２４）と、前記第２の金属製の導体（２５）とが、互いに異なる金属から形成されているエアフローメータ（２）において、
   前記サーモエレメント（２３）の一番目の熱電対（３１）と最後の熱電対（３２）の極性を、前記一番目の熱電対（３１）と前記最後の熱電対（３２）との間に配置されたその他の熱電対（３３）の極性と反転させるように、前記複数の熱電対（２９，３１，３２，３３）が配置されている
   ことを特徴とするエアフローメータ（２）。
2. 前記センサエレメント（１５）が、第１の温度センサエレメント（７）と第２の温度センサエレメント（８）とを有する、請求項１記載のエアフローメータ（２）。
3. 前記第１の温度センサエレメント（７）は、前記加熱エレメント（１２）に関して上流側に配置されており、前記第２の温度センサエレメント（８）は、前記加熱エレメント（１２）に関して下流側に配置されている、請求項２記載のエアフローメータ（２）。

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