JP6101619B2

JP6101619B2 - 熱式空気流量計

Info

Publication number: JP6101619B2
Application number: JP2013233620A
Authority: JP
Inventors: 公俊緒方; 石塚　典男; 典男石塚; 徳安　昇; 昇徳安; 忍田代
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: JP2015094647A

Description

本発明は被測定気体の流量を計測する流量計に係り、特に、内燃機関の吸入空気量を計測する熱式空気流量計に関する。

気体流量を計測する熱式空気流量計は、流量を計測するための流量検出部を備え、前記流量検出部と計測対象である気体との間で熱伝達を行うことにより、気体の流量を計測するように構成されている。熱式空気流量計が計測する流量は、様々な装置において重要な制御パラメータとして広く使用されている。熱式空気流量計の特徴は、他方式の流量計に比べ相対的に高い精度で気体流量、例えば質量流量を計測できることである。

しかし、さらなる気体流量計測精度の向上が望まれている。例えば、内燃機関を搭載した車両では、省燃費の要望や排気ガス浄化の要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、内燃機関の主要パラメータである吸入空気量の計測高精度化、高速応答化が求められている。内燃機関に導かれる吸入空気量を計測する熱式空気流量計は、吸入空気量の一部を取り込む副通路と前記副通路に配置されたセンサチップを備え、センサチップに備えられる前記流量検出部が被計測気体との間で熱伝達を行うことにより、前記副通路を流れる被計測気体の状態を計測して、前記内燃機関に導かれる吸入空気量を表す電気信号を出力する。上記センサチップは半導体マシニング技術により形成された部分的な空洞部及び薄膜部を有する。上記薄膜部をダイアフラムと呼び、ダイアフラム上に流量検出部を形成することで熱式空気流量計の応答速度の更なる高速化が可能となる。しかし、ダイアフラム上に配置された抵抗体に応力がかかると、ピエゾ効果により抵抗値が変化するため、流量計測時の誤差要因となる。流量計測時にダイアフラムの表裏面に圧力差が生じると、ダイアフラムに応力が発生する。そのため、ダイアフラム表裏面の圧力差を抑制する技術が必要となる。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００８−２０１９３号公報

特許文献１に記載の技術は、センサチップを搭載する基板裏面に開口部を設け、ダイアフラム裏面の空洞部を上記開口部を介して副通路に接続する。そして、ダイアフラム表面は流量測定のために副通路内に設けられている。そのため、ダイアフラム表裏面の圧力差を低減することができる。しかし、上記構造では、上記開口部及び接続部は副通路内に晒されており、副通路内には汚損物が飛来してくるため、上記開口部に汚損物が到達し、長期的には上記開口部の開口面積を減少させる課題がある。さらに、ダイアフラム表面の気流が開口部を介してダイアフラム裏面に流入し、ダイアフラム裏面空洞部に空気の乱れを生じさせる。これにより、ダイアフラムに形成された流量検出部に温度変化が発生し、計測精度を低下させるおそれがある。

本発明の目的は、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量計は、被計測流体の一部を取り込む副通路と、半導体基板に形成された空洞部と前記空洞部を覆うように形成された薄膜部からなるダイアフラムとを有し前記副通路に配置され前記被計測流体の流量を計測するセンサチップと、前記センサチップにより検出した流体流量を電気信号に変換する回路部と、前記回路部と電気的に接続され外部に信号を出力するコネクタを有するコネクタ部と、前記センサチップ及び前記回路部を支持する筐体と、を備える熱式空気流量計において、前記センサチップが実装され、前記空洞部を連通する空気通路が複数形成された換気用のプレートを備え、前記センサチップ及び前記プレートの表面は、前記センサチップのダイアフラム及び前記プレートの一部が露出するように樹脂でモールドされ、前記空洞部と前記モールドパッケージの外部とが前記複数の空気通路で連通され、前記複数の空気通路は、前記モールドパッケージの外部を連結する出口開口部で合流することを特徴とする。

本発明によれば、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することが可能となる。

本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ内実装部品の平面図である。本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの平面図である。本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの断面図である。本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時の断面図である。本願に係る第１実施例における熱式空気流量計平面図である。本願に係る第１実施例における熱式空気流量計断面図である。本願に係る第１実施例における換気プレートの平面図である。本願に係る第１実施例における換気プレートの断面図である。本願に係る第２実施例における換気プレートの平面図である。本願に係る第２実施例における換気プレートの断面図である。本願に係る第２実施例におけるセンサアセンブリ内実装部品の平面図である。本願に係る第３実施例における換気プレートの平面図である。本願に係る第３実施例における換気プレートの断面図である。本願に係る第３実施例におけるセンサアセンブリ内実装部品の平面図である。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

まず初めに熱式空気流量計の第１実施例について説明する。図１はセンサアセンブリ１０形成前の実装部品の平面図であり、図２はセンサアセンブリ１０形成後の平面図、図３は図２上のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、センサアセンブリ１０はリードフレーム１、換気プレート２、ＬＳＩ３、センサチップ４を備えており、図２に示すように、これらが第１樹脂２４で覆われている。具体的な製造方法は、まず、リードフレーム１上に換気プレート２を接着テープ５で接着し、さらに換気プレート２上にＬＳＩ３とセンサチップ４を接着テープ６、接着テープ７で接着する。なお、この換気プレート２には、ガラスを用いても樹脂を用いても構わない。次に、ＬＳＩ３とセンサチップ４の間、及びＬＳＩ３とリードフレーム１の間をワイヤボンディングにより金線８、９を用いて電気的に結線する。これらを第１樹脂２４によって樹脂封止し、センサアセンブリ１０が完成する。流量検出時は、図２の矢印方向もしくは反対方向から空気がセンサチップ４の流量検出部を有するダイアフラム２７上に流入することで流量を測定する。

図４は、センサアセンブリ１０の製造工程において、実装部品を上金型１６と下金型１５でクランプしたときの断面図である。金型クランプ後、第１樹脂２４を金型内に流し込むことでセンサアセンブリ１０を作製する。上記上金型１６および下金型１５は、センサチップ４のダイアフラム部２７および、換気プレート２の出口開口１７の上部及び下部をピンで挟むことによって樹脂封止時の樹脂の流入を防ぐ。これにより、センサアセンブリ１０は部分的に露出する構造となる。

図５は、副通路１２を含む筐体１１にセンサアセンブリ１０を実装したときの正面図であり、図６は図５上のＢ−Ｂ部断面図である。上記筐体１１は主通路を流れる空気をセンサチップ４に導くための副通路１２とセンサアセンブリ１０の保持部２０、２１（副通路の側壁となる）と前記リードフレーム１の保持部１４を備えており、第２樹脂からなる筐体１１形成と同時にセンサアセンブリ１０が固定される。この際、流量検出部を有するセンサチップ４は空気流量を測定する必要があるため、上記副通路１２中に配置される。換気プレート２の出口開口１７は、センサチップ４と副通路２１を挟んで反対側に形成され、筐体１１に形成された連通溝１８によって副通路と接続する。

図７は上記換気プレート２の正面図であり、図８は図７上のＣ−Ｃ部断面図及びＤ−Ｄ部断面図である。図７、図８に示すとおり換気プレート２は複数の空気通路１３を有している。さらに、上記複数の空気通路１３は出口開口１７で合流する。

次に、上記第１実施例による作用効果について説明する。センサアセンブリ１０において、センサチップ４の空洞部２８が外気と接続していないと、流量計測時にダイアフラム２７の表裏面に圧力差が生じるため、測定誤差が大きくなる。また、上記圧力差を低減するために、空洞部２８を副通路内で外気と接続させると、開口部に汚損物が到達し、開口部及び空気通路が閉塞する可能性がある。本実施例では、換気プレート２に形成した空気通路１３を用いてセンサチップ４の空洞部２８を副通路の外側に形成した換気プレート２の出口開口１７と接続しており、出口開口１７は筐体１１の連通溝１８を介して副通路と間接的に接続している。連通溝１８が十分小さければ、副通路に流入する汚損物が出口開口１７に到達することを抑制することができる。これにより、出口開口１７の閉塞を抑制することができ、ダイアフラム２７表裏面の圧力差発生を抑制することができる。

また、空気通路１３を複数本備えることで、万一、製造時もしくは実環境使用時に片方の空気通路１３が閉塞したとしても、もう片方の空気通路１３でダイアフラム２７表裏面の圧力差の発生を抑制可能であり、空気通路１３の閉塞に対してロバストな構造となる。さらに、複数の空気通路１３が出口開口１７で合流することにより、複数の空気通路１３内の圧力差を無くすことができるため、空気通路１３内の空気の流れを抑制することができる。これにより、センサチップ４の空洞部２８内の空気の流れを抑制することができ、流量測定精度を高精度に維持することができる。

次に、本発明の他の一実施例である実施例２について図９〜図１１を用いて説明する。

実施例１と異なる構成は、図１１に示す通り、換気プレート２の空気通路１３をセンサチップ４搭載部の外側に形成した点である。本構成でも先の実施例と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

次に、本発明の他の一実施例である実施例２について図１２〜図１４を用いて説明する。

先の実施例と異なる構成は、図１４に示すとおり、換気プレート２に設けられる空気通路１３を３本有する構造とした点である。本構成でも先の実施例１と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…リードフレーム
２…換気プレート
３…ＬＳＩ
４…センサチップ
５…接着テープ
６…接着テープ
７…接着テープ
８…金線
９…金線
１０…センサアセンブリ
１１…筐体
１２…副通路
１３…空気通路
１４…保持部
１５…下金型
１６…上金型
１７…出口開口
１８…連通部
２０…保持部
２１…保持部
２４…第１樹脂
２６…空気
２７…ダイアフラム部
２８…空洞部

Claims

被計測流体の一部を取り込む副通路と、半導体基板に形成された空洞部と前記空洞部を覆うように形成された薄膜部からなるダイアフラムとを有し前記副通路に配置され前記被計測流体の流量を計測するセンサチップと、前記センサチップにより検出した流体流量を電気信号に変換する回路部と、前記回路部と電気的に接続され外部に信号を出力するコネクタを有するコネクタ部と、前記センサチップ及び前記回路部を支持する筐体と、を備える熱式空気流量計において、
前記センサチップが実装され、前記空洞部を連通する空気通路が複数形成された換気用のプレートを備え、
前記センサチップ及び前記プレートの表面は、モールドパッケージとして、前記センサチップのダイアフラム及び前記プレートの一部が露出するように樹脂でモールドされ、
前記空洞部と前記モールドパッケージの外部とが前記複数の空気通路で連通され、
前記複数の空気通路は、前記モールドパッケージの外部を連結する出口開口部で合流し、
前記出口開口部は、前記副通路外に備えられることを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、
前記空洞部は、前記空気通路及び前記出口開口部を介し前記副通路と連通する通路を備えたことを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱式空気流量計において、
前記換気プレートは、ガラスもしくは樹脂で形成されることを特徴とする熱式空気流量計。