JP6884926B2 - 物理量検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば内燃機関の吸入空気の物理量を検出する物理量検出装置に関する。
主通路を流れる被計測気体の物理量を計測する装置として空気流量測定装置がある。空気流量測定装置には、圧力センサ、湿度センサ、吸気温度センサ、メモリLSI、チップコンデンサー等の実装部品を搭載した回路基板や流量センサを内装したチップパッケージ等が配置される。
例えば特許文献1には、メモリLSIパッケージを配線基板の凹部に2段に重層され、基板と電気的に接続される構成が示されている。
特開平8−316606号公報
特許文献1に上記した従来の装置では、メモリLSIパッケージを配線基板の凹部に2段に実装することにより、限られた実装領域内でその領域上に並べられる数以上のメモリを実装可能とさせたもので、センサ装置の小型化には寄与しない。内燃機関に吸入される吸入空気の流量を測定するセンサには、圧力損失を低減するための小型化した構造が必要となる。また、実装高さにより、パッケージの接続部の信頼性はZ方向の垂直ひずみの影響が大きく、実装高さの大きい構造は望ましくない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チップパッケージの実装高さを低背化すること、且つ、該チップパッケージ接続部の信頼性を向上することが出来る小型な物理量検出装置を提供することである。
上記課題を解決する本発明の物理量検出装置は、
流量検出部並びに処理部が搭載される支持体と、
前記支持体の一部が収容される収容部を有している回路基板と、を備え、
前記支持体は、前記収容部に前記支持体の厚さ方向の少なくとも一部が収容され、前記流量検出部を含む一部が前記収容部から突出していることを特徴とする。
本発明によれば、チップパッケージの一部を基板の収容部に収容してチップパッケージの実装高さを抑制することが出来る。したがって、物理量検出装置自体の小型化が出来、パッケージ実装を低背化させても接続部の寿命に寄与する端子構造を向上することが出来る物理量検出装置を提供することである。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
内燃機関制御システムに本発明に係る物理量検出装置を使用した一実施例を示すシステム図。 物理量検出装置の正面図。 物理量検出装置の右側面図。 物理量検出装置の背面図。 物理量検出装置の左側面図。 物理量検出装置の平面図。 物理量検出装置の下面図。 図2DのIIIA−IIIA線断面図。 図2AのIIIB−IIIB線断面図。 図2AのIIIC−IIIC線断面図。 カバーのみが取り外されたハウジングの正面図。 カバー組立体が取り外されたハウジングの正面図。 図4AのIVB−IVB線断面図。 カバー組立体の構成を説明する図。 図5AのVB−VB線断面図。 チップパッケージと回路部品が実装された回路基板の正面図。 図6AのVIB−VIB線断面図。 図6AのVIC−VIC線断面図。 回路基板の他の構成例を説明する図。 回路基板の構成例を説明する図。 回路基板の他の構成例を説明する図。 回路基板の他の構成例を説明する図。 チップパッケージの正面図。 チップパッケージの背面図。 チップパッケージの側面図。 チップパッケージの下面図。 チップパッケージの等角投影図。 本実施形態における接続端子の曲げ形状を説明する図。 比較例の接続端子の曲げ形状を説明する図。 接続端子の曲げ高さと相当ひずみの関係を示す図。 回路基板にセンサが直接取り付けられている構成を説明する図。
以下に説明する、発明を実施するための形態(以下、実施例)は、実際の製品として要望されている種々の課題を解決しており、特に車両の吸入空気の物理量を検出する検出装置として使用するために望ましい色々な課題を解決し、種々の効果を奏している。下記実施例が解決している色々な課題の内の一つが、上述した発明が解決しようとする課題の欄に記載した内容であり、また下記実施例が奏する種々の効果のうちの1つが、発明の効果の欄に記載された効果である。下記実施例が解決している色々な課題について、さらに下記実施例により奏される種々の効果について、下記実施例の説明の中で述べる。従って、下記実施例の中で述べる、実施例が解決している課題や効果は、発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄の内容以外の内容についても記載されている。
以下の実施例で、同一の参照符号は、図番が異なっていても同一の構成を示しており、同じ作用効果を成す。既に説明済みの構成について、図に参照符号のみを付し、説明を省略する場合がある。
図1は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム1に、本発明に係る物理量検出装置を使用した一実施例を示すシステム図である。エンジンシリンダ11とエンジンピストン12を備える内燃機関10の動作に基づき、吸入空気が被計測気体2としてエアクリーナ21から吸入され、主通路22である例えば吸気ボディと、スロットルボディ23と、吸気マニホールド24を介してエンジンシリンダ11の燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体2の物理量は、本発明に係る物理量検出装置20で検出され、その検出された物理量に基づいて燃料噴射弁14より燃料が供給され、被計測気体2と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁14は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が被計測気体2と共に混合気を成形し、吸気弁15を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。
燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ13の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁16から排気管に導かれ、排気ガス3として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体2の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ25により制御される。前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ25の開度を制御して前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギを制御することができる。
<内燃機関制御システムの制御の概要>
エアクリーナ21から取り込まれ主通路22を流れる吸入空気である被計測気体2の流量、温度、湿度、圧力などの物理量が物理量検出装置20により検出され、物理量検出装置20から吸入空気の物理量を表す電気信号が制御装置4に入力される。また、スロットルバルブ25の開度を計測するスロットル角度センサ26の出力が制御装置4に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン12や吸気弁15や排気弁16の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ17の出力が、制御装置4に入力される。排気ガス3の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ28の出力が制御装置4に入力される。
制御装置4は、物理量検出装置20の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ17の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁14から供給される燃料量、また点火プラグ13により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに物理量検出装置20で検出される温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ28で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置4は、さらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ25をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ27により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。
内燃機関の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも物理量検出装置20の出力を主パラメータとして演算される。従って、物理量検出装置20の検出精度の向上や、経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。
特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、物理量検出装置20により検出される吸入空気である被計測気体2の物理量の検出精度の向上が極めて重要である。また、物理量検出装置20が高い信頼性を維持していることも大切である。
物理量検出装置20が搭載される車両は、温度や湿度の変化が大きい環境で使用される。物理量検出装置20は、その使用環境における温度や湿度の変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。
また、物理量検出装置20は、内燃機関からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため、内燃機関の発熱が主通路22である吸気管を介して物理量検出装置20に伝わる。物理量検出装置20は、被計測気体2と熱伝達を行うことにより被計測気体2の流量を検出するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。
車に搭載される物理量検出装置20は、以下で説明するように、単に発明が解決しようとする課題の欄に記載された課題を解決し、発明の効果の欄に記載された効果を奏するのみでなく、以下で説明するように、上述した色々な課題を十分に考慮し、製品として求められている色々な課題を解決し、色々な効果を奏している。物理量検出装置20が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施例の記載の中で説明する。
<物理量検出装置の外観構造>
図2Aから図2Fは、物理量検出装置の外観を示す図である。なお、以下の説明では、主通路の中心軸に沿って被計測気体が流れるものとする。
物理量検出装置20は、主通路22の通路壁に設けられた取り付け孔から主通路22の内部に挿入されて利用される。物理量検出装置20は、ハウジング201と、ハウジング201に取り付けられるカバー202とを備えている。ハウジング201は、合成樹脂製材料を射出成形することによって構成されており、カバー202は、例えばアルミニウム合金などの導電性材料からなる板状部材によって構成されている。カバー202は、薄い板状に形成されて、広い平坦な冷却面を有している。
ハウジング201は、物理量検出装置20を主通路22である吸気ボディに固定するためのフランジ211と、フランジ211から突出して外部機器との電気的な接続を行うために吸気ボディから外部に露出するコネクタ212と、フランジ211から主通路22の中心に向かって突出するように延びる計測部213を有している。
計測部213は、フランジ211から主通路22の中心方向に向かって延びる薄くて長い形状を成し、幅広な正面221と背面222、及び幅狭な一対の側面223、224を有している。計測部213は、物理量検出装置20を主通路22に取り付けた状態で、主通路22の内壁から主通路22の通路中心に向かって突出する。そして、正面221と背面222が主通路22の中心軸に沿って平行に配置され、計測部213の幅狭な側面223、224のうち計測部213の短手方向一方側の側面223が主通路22の上流側に対向配置され、計測部213の短手方向他方側の側面224が主通路22の下流側に対向配置される。物理量検出装置20を主通路22に取り付けた状態で、計測部213の先端部を下面226とする。
物理量検出装置20は、副通路入口231が、フランジ211から主通路22の中心方向に向かって延びる計測部213の先端部に設けられているので、主通路22の内壁面近傍ではなく、内壁面から離れた中央部に近い部分の気体を副通路に取り込むことができる。このため、物理量検出装置20は、主通路22の内壁面から離れた部分の気体の流量を測定することができ、熱などの影響による計測精度の低下を抑制できる。
主通路22の内壁面近傍では、主通路22の温度の影響を受け易く、気体の本来の温度に対して被計測気体2の温度が異なる状態となり、主通路22内の主気体の平均的な状態と異なることになる。特に主通路22がエンジンの吸気ボディである場合は、エンジンからの熱の影響を受け、高温に維持されていることが多い。このため主通路22の内壁面近傍の気体は、主通路22の本来の気温に対して高いことが多く、計測精度を低下させる要因となる。また、主通路22の内壁面近傍では流体抵抗が大きく、主通路22の平均的な流速に比べ、流速が低くなる。このため、主通路22の内壁面近傍の気体を被計測気体2として副通路に取り込むと、主通路22の平均的な流速に対する流速の低下が計測誤差につながる恐れがある。
物理量検出装置20は、フランジ211から主通路22の中央に向かって延びる薄くて長い計測部213の先端部に副通路入口231が設けられているので、内壁面近傍の流速低下に関係する計測誤差を低減できる。また、物理量検出装置20は、フランジ211から主通路22の中央に向かって伸びる計測部213の先端部に副通路入口231が設けられているだけでなく、副通路の第1出口232及び第2出口233も計測部213の先端部に設けられているので、さらに計測誤差を低減することができる。
物理量検出装置20は、計測部213が主通路22の外壁から中央に向かう軸に沿って長く伸びる形状を成しているが、側面223、224の幅は、図2Bおよび図2Dに示すように、狭い形状を成している。これにより、物理量検出装置20は、被計測気体2に対しては流体抵抗を小さい値に抑えることができる。
<温度検出部の構造>
物理量検出装置20は、図2Bに示すように、計測部213内に、温度検出部である吸気温度センサ203が設けられている。吸気温度センサ203は、副通路入口231近傍に一端238が開口し、他端239が計測部213の背面222に開口する温度計測通路の通路途中に配置されている。温度計測通路は、ハウジング201とカバー202によって構成される。
吸気温度センサ203は、図6Aに示すように、円柱状のセンサ本体203aと、センサ本体203aの軸方向両端部から互いに離間する方向に向かって突出する一対のリード203bとを有するアキシャルリード部品によって構成されている。吸気温度センサ203は、計測部213内の回路基板207にリード203bを介して実装されており、温度計測通路内においてセンサ本体203aが被計測気体2の流れ方向に直交する向きとなるように配置されている。
吸気温度センサ203は、ハウジング201とカバー202で構成された温度計測通路に配置されるので、物理量検出装置20の搬送時や取り付け作業時等において吸気温度センサ203が他の物体に直接接触して破損するのを防ぐことができる。
本実施形態の物理量検出装置20によれば、吸気温度センサ203は、計測部213の上流側に配置されるので、吸気温度センサ203に対して、上流から真っ直ぐ流れてくる被計測気体2を直接当てることができる。したがって、吸気温度センサ203の放熱性を向上させることができる。
<フランジの構造>
物理量検出装置20の計測部213は、主通路22に設けられた取り付け孔から内部に挿入され、物理量検出装置20のフランジ211が主通路22に当接され、ねじで主通路22に固定される。フランジ211は、所定の板厚からなる平面視略矩形状を有しており、図2E及び図2Fに示すように、対角線上の角部には固定穴部241が対をなして設けられている。固定穴部241は、フランジ211を貫通する貫通孔242を有している。フランジ211は、固定穴部241の貫通孔242に、不図示の固定ネジが挿通されて主通路22のネジ穴に螺入されることにより主通路22に固定される。
図2Eに示すように、フランジ211の上面には複数のリブが設けられている。リブは、固定穴部241とコネクタ212との間を直線的に接続する第1リブ243と、固定穴部241の貫通孔242の周囲を囲む断面テーパ状の第2リブ244と、フランジ211の外周部に沿って設けられている第3リブ245と、フランジ211の対角線上でかつ第1リブ243に交差する方向に延在する第4リブ246とを有している。
第1リブ243は、主通路22へのねじ固定力が作用する固定穴部241と、立体形状により剛性が比較的高いコネクタ212との間に亘って直線的に設けられているので、フランジ補強効果が高い。したがって、第1リブ243を有していないものと比較して、フランジ211の厚さを薄くすることができ、ハウジング全体の軽量化を図ることができ、また、ハウジング201の成形時にフランジ211を構成する樹脂の収縮の影響を低減することができる。
コネクタ212は、図2Eに示すように、その内部に4本の外部端子247と補正用端子248が設けられている。外部端子247は、物理量検出装置20の計測結果である流量や温度などの物理量を出力するための端子および物理量検出装置20が動作するための直流電力を供給するための電源端子である。
補正用端子248は、生産された物理量検出装置20の計測を行い、それぞれの物理量検出装置20に関する補正値を求めて、物理量検出装置20内部のメモリに補正値を記憶するのに使用する端子であり、その後の物理量検出装置20の計測動作では上述のメモリに記憶された補正値を表す補正データが使用され、この補正用端子248は使用されない。
従って、外部端子247が他の外部機器との接続において、補正用端子248が邪魔にならないように、補正用端子248は、外部端子247とは異なる形状をしている。この実施例では外部端子247より補正用端子248が短い形状をしており、外部端子247に接続される外部機器への接続端子がコネクタ212に挿入されても、接続の障害にならないようになっている。
<ハウジングの全体構造>
図3Aは、図2DのIIIA−IIIA線断面図、図3Bは、図2AのIIIB−IIIB線断面図、図3Cは、図2AのIIIC−IIIC線断面図、図3Dは、カバーのみが取り外されたハウジングの正面図である。
図3Dに示すように、ハウジング201には、副通路234を形成するための副通路溝250と、回路基板207を収容するための回路室235が設けられている。回路室235と副通路溝250は、計測部213の正面に凹設されている。回路室235は、主通路22において被計測気体2の流れ方向上流側の位置となる短手方向一方側(側面223側)の領域に設けられている。そして、副通路溝250は、回路室235よりも計測部213の長手方向先端側(下面226側)の領域と、回路室235よりも主通路22における被計測気体2の流れ方向下流側の位置となる短手方向他方側(側面224側)の領域に亘って設けられている。
副通路溝250は、カバー202との協働により副通路234を形成する。副通路234は、計測部の突出方向(長手方向)に沿って延在して設けられている。副通路234を形成する副通路溝250は、第1副通路溝251と、第1副通路溝251の途中で分岐する第2副通路溝252とを有している。第1副通路溝251は、計測部213の一方側の側面223に開口する副通路入口231と、計測部213の他方側の側面224に開口する第1出口232との間に亘って、計測部213の短手方向に沿って延在するように形成されている。第1副通路溝251は、主通路22内を流れる被計測気体2を副通路入口231から取り込み、その取り込んだ被計測気体2を第1出口232から主通路22に戻す第1副通路を構成する。第1副通路は、副通路入口231から主通路22内における被計測気体2の流れ方向に沿って延在し、第1出口232までつながる。
第2副通路溝252は、第1副通路溝251の途中位置で分岐して計測部213の基端部側(フランジ側)に向かって折曲され、計測部213の長手方向に沿って延在する。そして、計測部213の基端部で計測部213の短手方向他方側(側面224側)に向かって折れ曲がり、計測部213の先端部に向かってUターンし、再び計測部213の長手方向に沿って延在する。そして、第1出口232の手前で計測部213の短手方向他方側に向かって折曲され、計測部213の他方側の側面224に開口する第2出口233に連続するように設けられている。第2出口233は、主通路22における被計測気体2の流れ方向下流側に向かって対向配置される。第2出口233は、第1出口232とほぼ同等若しくは若干大きい開口面積を有しており、第1出口232よりも計測部213の長手方向基端部側に隣接した位置に形成されている。
第2副通路溝252は、第1副通路から分岐されて流れ込んだ被計測気体2を通過させて第2出口233から主通路22に戻す第2副通路を構成する。第2副通路は、計測部213の長手方向に沿って往復する経路を有する。つまり、第2副通路は、第1副通路の途中で分岐して、計測部213の基端部側に向かって延在し、計測部213の基端部側で折り返されて計測部213の先端部側に向かって延在し、副通路入口231よりも主通路22内における被計測気体2の流れ方向下流側で被計測気体2の流れ方向下流側に向かって対向配置される第2出口233につながる経路を有する。第2副通路溝252は、その途中位置に流量センサ205が配置されている。第2副通路溝252は、第2副通路の通路長さをより長く確保することができ、主通路内に脈動が生じた場合に、流量センサ205への影響を小さくすることができる。
上記構成によれば、計測部213の延びる方向に沿って副通路234を形成することができ、副通路234の長さを十分に長く確保できる。これにより、物理量検出装置20は、十分な長さの副通路234を備えることができる。したがって、物理量検出装置20は、流体抵抗を小さい値に抑えられると共に高い精度で被計測気体2の物理量を計測することが可能である。
第1副通路溝251は、副通路入口231から第1出口232まで計測部213の短手方向に沿って延在して設けられているので、副通路入口231から第1副通路内に侵入した塵埃などの異物をそのまま第1出口232から排出させることができる。したがって、異物が第2副通路に侵入するのを防ぎ、第2副通路内の流量センサ205に影響を与えるのを防ぐことができる。
第1副通路溝251の副通路入口231と第1出口232は、副通路入口231の方が第1出口232よりも大きな開口面積を有している。副通路入口231の開口面積を第1出口232よりも大きくすることによって、第1副通路に流入した被計測気体2を、第1副通路の途中で分岐している第2副通路にも確実に導くことができる。
第1副通路溝251の副通路入口231には、長手方向中央位置に突起部253が設けられている。突起部253は、副通路入口231の大きさを長手方向に2等分して、それぞれの開口面積を第1出口232及び第2出口233よりも小さくしている。突起部253は、副通路入口231から第1副通路に侵入可能な異物の大きさを第1出口232及び第2出口233よりも小さいものだけに規制し、異物によって第1出口232や第2出口233が塞がれてしまうのを防ぐことができる。
<ハウジング単体の構造>
図4Aは、カバー組立体が取り外されたハウジングの正面図、図4Bは、図4AのIVB−IVB線断面図である。
ハウジング201は、図4Aに示すように、回路室235の底面にリブ237が設けられている。リブ237は、計測部213の長手方向に沿って延在する複数の縦リブと、計測部213の短手方向に沿って延在する複数の横リブを有しており、格子状に設けられている。
ハウジング201は、計測部213にリブ237を設けることによって、厚みを厚くすることなく高い剛性を得ることができる。ハウジング201は、フランジ211と計測部213とで厚さが大きく異なり、射出成形後の熱収縮率の差異が大きく、フランジ211と比較して厚みの薄い計測部213が変形しやすい。したがって、回路室235の底面に平面状に広がる格子状のリブ237を設けることで熱収縮時の計測部213のゆがみを抑えることができる。
ハウジング201は、計測部213の外壁ではなく、回路室235の底面にリブ237を設けている。リブ237を計測部213の外壁に設けた場合、主通路22を通過する被計測気体2の流れに影響を与えるおそれがある。また、例えば片面実装の回路基板207を収容することを前提として回路室235の深さを設定していた場合、両面実装の回路基板207を収容するように仕様が変更になったときに、回路室235の深さを増大させなければならないが、計測部213の外壁にリブが設けられていると、回路室235の深さを増大させた分だけリブが突出し、計測部213の厚みが大きくなる。したがって、片面実装の場合と両面実装の場合で、計測部213の厚みが異なることとなり、検出精度に影響を与えるおそれがある。
これに対し、本実施例では、回路室235の底面にリブ237を設けているので、主通路22を通過する被計測気体2の流れに影響を与えるのを防ぎ、被計測気体2を円滑に流すことができる。そして、回路室235内のリブ237の高さを変更するだけで回路室235の底面の深さを変更でき、回路基板207が片面実装と両面実装のいずれであるかにかかわらず計測部の厚みを変更する必要がない。
<カバー組立体の構造>
図5Aは、カバー組立体の構成を説明する図、図5Bは、図5AのVB−VB線断面図である。
カバー組立体は、カバー202と、チップパッケージ208を実装する回路基板207によって構成されている。カバー202は、例えばアルミニウム合金やステンレス合金などの金属製の導電性材料によって構成されている。カバー202は、計測部213の正面を覆う大きさを有する平板部材からなり、接着剤によって計測部213に固定される。カバー202は、計測部213の回路室235を覆い、また、計測部213の副通路溝250との協働により副通路を構成する。カバー202は、所定のコネクタターミナル214との間に導電性の中間部材を介在させることによってグランドに電気的に接続されており、除電機能を有している。
カバー202の裏面には、チップパッケージ208を実装する回路基板207が固定されている。回路基板207は、例えばプリント基板からなり、計測部213の長手方向に沿って延在する長方形状を有している。チップパッケージ208は、回路基板207の長手方向中央位置で回路基板207の短手方向に沿って端部から側方に突出した状態で、回路基板207に固定されている。チップパッケージ208のパッケージ本体271は、回路基板207の収容部207aに厚さ方向の少なくとも一部が収容される基端部271aと、回路基板207の短手方向に沿って回路基板207の端部から側方に突出する先端部271bを有している。
カバー組立体は、カバー202をハウジング201に取り付けることによって、回路基板207を回路室235に収容し、かつ、チップパッケージ208を副通路234と回路室235との間に亘って延在させてパッケージ本体271の先端部271bを副通路234内に配置することができる。パッケージ本体271の先端部271bには、流量センサ205が設けられており、第2副通路溝252内に配置されるようになっている。
<回路室内のシール構造>
回路室235は、図3Dにおいてハッチングで示される部分が接着剤によってカバー202に接着される。回路室235は、図3Aに示すように、回路基板207の正面側が3つの部屋R1、R2、R3に気密的に仕切られるようになっている。具体的には、ハウジング201に一体成形されたコネクタターミナル214と回路基板207の接続端子部とが接続される第1室R1と、圧力センサ204とチップパッケージ208の一部が収容される第2室R2と、温湿度センサ206が収容されかつ吸気温度センサ203のリード203bが挿通される第3室R3が形成される。
第1室R1は、正面側がカバー202によって封止されており、背面側は図2Cに示すようにハウジング201の開口部227によって開放されている。しかしながら、開口部227は、コネクタターミナル214と回路基板207の接続端子部との間がワイヤボンディングにより電気的に接続された後で、樹脂材料によって埋められる。つまり、第1室R1は、正面側と背面側が封止されて、計測部213の外側から隔離された密閉空間となっている。したがって、コネクタターミナル214と接続端子との接続部分が、被計測気体2に含まれているガスと接触して腐食するのを防ぐことができる。
第2室R2は、カバー202との間の隙間を介して副通路234と連通している。回路基板207は、第2室R2に配置される位置に圧力センサ204が実装されている。したがって、第2室R2において、圧力センサ204による圧力の計測が可能になっている。第3室R3は、R3入口255で計測部213の外側と連通している。回路基板207は、第3室R3に配置される位置に温湿度センサ206が実装されている。したがって、第3室R3において、温湿度センサ206による温湿度の計測が可能になっている。なお、圧力センサ204は、被計測気体の第1の物理量である圧力を検出する第1センサを構成し、温湿度センサ206は、被計測気体の第2の物理量である温湿度を検出する第2センサを構成する。
<回路基板の構造>
図6Aは、チップパッケージと回路部品が実装された回路基板の正面図、図6Bは、図6AのVIB−VIB線断面図、図6Cは、図6AのVIC−VIC線断面図である。そして、図7Aは、回路基板の構成例を説明する図である。
回路基板207は、全体として計測部213の長手方向に沿う長方形状を有している。回路基板207は、チップパッケージ208の一部を収容するための収容部207aを有している。収容部207aは、図7Aに示すように、回路基板207の長手方向中央でかつ短手方向一方側に偏倚した箇所を部分的に切り欠くことによって構成されており(切り欠き部)、回路基板207は平面視略U字形状を有している。
チップパッケージ208は、図6A、図6B及び図6Cに示すように、パッケージ本体271の厚さ方向の少なくとも一部が回路基板207の収容部207aに入り込んで収容されている。具体的には、パッケージ本体271の基端部271aでかつパッケージ本体271の流量センサ205が設けられる側の部分であるパッケージ表面部271cが回路基板207の収容部207aに入り込んだ状態で収容されている。
本実施例では、パッケージ本体271の厚さ方向の一部であるパッケージ表面部271cが回路基板207の収容部207aに収容されるため、チップパッケージ208の厚みと端子の高さとを含めた全体の実装高さを抑制することができる。これにより、例えば、回路基板207にチップパッケージ208と混載された小型の圧力センサと同じ実装高さまで低減することができる。また、チップパッケージ208を回路基板207の上に重ねて実装した場合と比較して、実装部品の実装高さをより低く抑えることができる。したがって、計測部213の低背化を図ることができ、図3Bに示すように、物理量検出装置20を薄型化することができ、主通路における流量抵抗を低減させることができる。なお、本実施例では、パッケージ本体271のパッケージ表面部271cが回路基板207の収容部207aに収容される構成の場合を例に説明したが、パッケージ本体271の厚さ方向の全体が収容される構成としてもよい。かかる構成とすることにより、計測部213の低背化をさらに促進させることができ、物理量検出装置20の薄型化を図ることができる。
<各センサの配置位置>
図6Aに示すように、回路基板207には、チップパッケージ208と、圧力センサ204と、温湿度センサ206が実装されている。チップパッケージ208は、パッケージ本体271の基端部271aに複数本の接続端子272が突出して設けられており、これらの接続端子272を回路基板207のパッド264にはんだで接続することにより回路基板207に固定されている。チップパッケージ208には、流量センサ205と、流量センサ205を駆動する電子部品であるLSIとが実装されている。流量センサ205は、パッケージ本体271の先端部271bに設けられている。チップパッケージ208は、流量検出部である流量センサ205並びに処理部であるLSIを搭載する支持体を構成している。
図6A〜図6Cに示す構成例では、チップパッケージ208の厚さ方向一方側であるパッケージ表面部271cが、回路基板207の裏面側、つまり、カバー202に対向する面側に位置するように、チップパッケージ208を回路基板207に取り付けた構成となっている。したがって、流量センサ205を導電性部材であるカバー202に対向して配置することができ、流量センサ205およびその周辺の除電を行うことができる。この除電により、流量センサ205およびその周辺の帯電を予防し、帯電の吸着力により塵埃が堆積するのを抑制でき、高い検出精度を得ることができる。
なお、流量センサ205が設けられているパッケージ表面部271cが、図6Dに示すように、回路基板207の表面側、つまりカバー202から離間する面側に位置するようにチップパッケージ208を回路基板207に取り付けてもよい。チップパッケージ208は、回路基板207の表面側と裏面側のいずれに流量センサ205が露出していてもよい。かかる構成としても、回路基板207の収容部207aに、チップパッケージ208の厚さ方向の一部を収容して全体の実装高さを抑制し、低背化でき、物理量検出装置20の薄型化を図ることができる。また、回路基板207の実装面との距離を確保できるとともに、チップパッケージ208の回路基板207に対する実装高さを制御でき、後述する接続端子の形状も確保することができる。
圧力センサ204は、チップパッケージ208よりも回路基板207の長手方向一方側に実装されており、温湿度センサ206は、チップパッケージ208よりも回路基板207の長手方向他方側に実装されている。そして、回路基板207の上には、吸気温度センサ203のリードが接続されている。吸気温度センサ203は、温湿度センサ206よりも回路基板207の長手方向他方側の位置にリード203bが接続され、センサ本体203aが回路基板207から長手方向にはみ出して計測部213の外部に露出した位置に配置されるように実装されている。
計測部213には、その長手方向に沿って基端部側から先端部側に向かって(計測部213の突出方向に向かって)、(1)圧力センサ204、(2)流量センサ205、(3)温湿度センサ206、(4)吸気温度センサ203が順番に配置されている。(1)圧力センサ204は、被計測気体2の圧力を検出し、流量センサ205は、被計測気体2の流量を検出する。温湿度センサ206は、被計測気体2の湿度を検出し、吸気温度センサは、被計測気体の温度を検出する。
物理量検出装置20は、例えば自動車のエンジンルーム内に配置される。エンジンルーム内の温度は、60℃から100℃であり、主通路22を通過する被計測気体2の温度は平均25℃である。したがって、物理量検出装置20には、フランジ211側からエンジンルーム内の熱が伝達され、その温度分布は、フランジ211側から計測部213の先端部側に向かって移行するにしたがって漸次温度が低くなる。
したがって、本実施形態の計測部213では、最も熱影響が小さい(1)圧力センサ204を基端側に配置し、次に高温側で熱影響が小さい(2)流量センサ205を(1)圧力センサ204よりも計測部213の先端部側に配置する。そして、次に低温側で熱影響が小さい(3)温湿度センサ206を(2)流量センサ205よりも計測部213の先端部側に配置に配置し、最も熱影響を受けやすい(4)吸気温度センサ203を計測部213の先端部に配置する構成とした。
本実施例によれば、回路基板207を計測部213の長手方向に沿って延在するように配置しているので、フランジ211からの熱伝導距離を主通路22の中心軸近傍まで確保できる。そして、(1)〜(4)の各センサを、計測部213の基端部から先端部に向かって熱影響の小さい順に並べて配置しているので、各センサのセンサ性能を確保することができる。また、回路基板207を、計測部213の短手方向一方側に配置することで空気への熱伝導率を促進させることができる。
また、回路基板207には、吸気温度センサ203が接続されている。吸気温度センサ203は、図6Aに示すように、回路基板207の先端部から長手方向に沿って突出して配置されている。吸気温度センサ203の一対のリード203bは、回路基板207の表面に沿うように折曲されて、回路基板207の先端部から突出している。一対のリード203bに対向する回路基板207の基板面には、ハンダ用のパッド263が設けられており、リード203bがハンダ付けされている。センサ本体203aは、一対のリード203bによって回路基板207から所定距離だけ離れた位置に支持されている。
本実施例によれば、回路基板207の長手方向中央が切り欠かれて収容部207aが形成されており、チップパッケージ208の基端部208aが収容されている。そして、チップパッケージ208の基端部208aには、パッケージ本体271の短手方向に沿って互いに離間する方向に突出する複数の接続端子272が設けられている。チップパッケージ208は、流量センサ205を含む先端部271bが副通路の通路方向に直交する方向に向かって突出し、複数の接続端子272が副通路の通路方向一方側と他方側に分かれて配置される。
回路基板207には、複数のパッド264が収容部207aを間に介して対向する箇所である回路基板207の長手方向一方側と他方側に分かれて設けられており、各パッド264にそれぞれはんだ付けされて固定されている。チップパッケージ208は、パッケージ本体271の基端部271aの短手方向両端が回路基板207に支持されており、安定して支持される構造となっている。
また、本実施例では、第2副通路溝252の延在方向に対してパッケージ本体271の長手方向が直交するようにチップパッケージ208が配置され、第2副通路溝252の延在方向に所定間隔をおいて二手に分かれた複数の接続端子272が、回路基板207のパッド264に接合される構成を有している。したがって、チップパッケージ208を回路基板207に取り付ける際に、回路基板207に対して正確な位置に取り付けることができ、第2副通路溝252とパッケージ本体271の通路溝273との平行度が取りやすい構造となっている。
本実施例によれば、チップパッケージ208は、圧力センサ204と温湿度センサ206との中間位置に配置されており、これら各センサとの間で信号のやり取りを行う。したがって、チップパッケージ208と各センサとの間の信号の伝達経路を短くすることができ、信号の伝達速度を向上させ、また、ノイズの発生を抑制することができる。
図7B及び図7Cは、回路基板の他の構成例を説明する図である。
上述の実施例では、回路基板207の収容部207aが切り欠きにより構成された場合を例に説明したが、収容部はチップパッケージ208の一部を回路基板207内に収容することができる構成であればよく、溝や座繰りにより構成してもよい。
例えば、図7Bに示すように、回路基板207の表面に凹部を設けて、収容部207bを構成してもよい。収容部207bは、チップパッケージ208のパッケージ本体271の先端部271bが突出する方向に沿って回路基板207の側面まで連続している。収容部207bは、回路基板207の厚みが薄くなっており、チップパッケージ208の厚さ方向の少なくとも一部が入り込むようになっている。したがって、上記した収容部207aと同様に、チップパッケージ208を回路基板207の上に重ねて実装した場合と比較して、実装部品の実装高さを低く抑えることができ、計測部213の全体厚さを薄くすることができる。これにより、物理量検出装置20の薄型化を図り、主通路における流量抵抗を低減させることができる。
また、上述の実施例では、回路基板207の収容部207aを回路基板207の長手方向中央に設けた場合について説明したが、他の場所に設けてもよい。例えば、図7Cに示すように、回路基板207の長手方向一方側の端部を切り欠いて、回路基板207の全体形状を略L字状とし、かかる切り欠き部分を収容部207cとしてもよい。
収容部207cは、パッケージ本体271の基端部271aが入り込むようになっている。したがって、上記した収容部207aと同様に、チップパッケージ208を回路基板207の表面に重ねて実装した場合と比較して、実装部品の実装高さを低く抑えることができ、計測部213の全体厚さを薄くすることができる。これにより、物理量検出装置20の薄型化を図り、主通路における流量抵抗を低減させることができる。
<チップパッケージ208の構成>
図8Aは、チップパッケージの正面図、図8Bは、チップパッケージの背面図、図8Cは、チップパッケージの側面図、図8Dは、チップパッケージの下面図、図8Eは、チップパッケージの等角投影図である。
チップパッケージ208は、LSIと流量センサ205をリードフレームの上に搭載し、熱硬化性樹脂で封止することによって構成されている。チップパッケージ208は、略平板形状に樹脂成形されたパッケージ本体271を有している。パッケージ本体271は、長方形を有しており、計測部213の短手方向に沿って延在し、パッケージ本体271の長手方向一方側の基端部271aが回路室235に配置され、パッケージ本体271の長手方向他方側の先端部271bが第2副通路溝252内に配置されるようになっている。
チップパッケージ208は、パッケージ本体271の基端部271aに設けられている複数の接続端子272を回路基板207のパッド264にはんだ付けすることにより電気的に導通されかつ回路基板207に一体的に固定される。パッケージ本体271の先端部271bには、流量センサ205が設けられている。流量センサ205は、第2副通路内に露出して配置されている。流量センサ205は、パッケージ本体271の表面に凹設された通路溝273内に設けられている。通路溝273は、第2副通路溝252内で第2副通路溝252に沿って延在するように、パッケージ本体271の短手方向一方側の端部から短手方向他方側の端部までの全幅に亘って形成されている。流量センサ205は、ダイヤフラム構造を有している。チップパッケージ208を樹脂で成型する際に、流量センサ205の表面に樹脂が流れ込まないように入駒を当てて樹脂成型が行われる。
図9は、本実施形態における接続端子の曲げ形状を説明する図、図10は、比較例の接続端子の曲げ形状を説明する図である。
チップパッケージ208の接続端子272は、図9に示すように、基端部である突出部272aと、立ち上がり部272bと、立ち下がり部272cと、先端部である端部272dを有している。突出部272aは、パッケージ本体271の厚さ方向中央からパッケージ本体271の短手方向に沿って真っ直ぐに突出しており、立ち上がり部272bは、突出部272aの先端からパッケージ本体271の厚さ方向一方側であるパッケージ裏面部271d側に折曲されて立ち上がる形状を有している。そして、立ち下がり部272cは、立ち上がり部272bに連続して第1の曲げ高さ位置でパッケージ本体271の厚さ方向他方側であるパッケージ表面部271c側に折曲されて立ち下がる形状を有しており、端部272dは、立ち下がり部272cに連続して第2の曲げ高さ位置でパッケージ本体271から離間する方向に突出する形状を有している。
突出部272aと端部272dは、パッケージ本体271の厚さ方向の位置が異なっており、端部272dの方が突出部272aよりもパッケージ本体271の厚さ方向一方側であるパッケージ裏面部271d側にδだけ高くなるように形成されている。そして、パッケージ本体271の基端部271aを回路基板207の収容部207cに収容した場合に、接続端子272の根元である突出部272aを回路基板207の上面に当接させて載せた状態とし、端部272dを回路基板207の上面のパッド264との間に隙間δを有して対向する位置に配置させるようになっている。つまり、突出部272aが回路基板207の上に当接し、端部272dが回路基板207から浮いた状態となる。
立ち上がり部272bと立ち下がり部272cは、立ち下がり部272cの立ち下がり角度θa2の方が立ち上がり部272bの立ち上がり角度θa1よりも大きく設定されており、回路基板207に対して立ち下がり部272cの方が立ち上がり部272bよりも倒れており、立ち下がり部272cの傾斜の方が緩く、なだらかな傾きを有するように形成されている。本実施例では、端部272dと回路基板207のパッド264を接合する接合部材として、はんだ281を用いており、接続端子272と回路基板207との間に、接続端子272の軸方向に沿って端部272dから突出部272aに戻る方向に、はんだ281が突出する、いわゆる、はんだバックフィレット281aが形成される。
図10に示す比較例のチップパッケージ208’は、回路基板207の上に配置されており、その接続端子272は、突出部272eと、立ち下がり部272fと、端部272gを有している。突出部272eは、パッケージ本体271の厚さ方向中央からパッケージ本体271の短手方向に沿って突出する形状を有しており、立ち下がり部272fは、突出部272eの先端からパッケージ裏面部271d側に折曲されて立ち下がる形状を有している。そして、端部272gは、立ち下がり部272fの下端でパッケージ本体271から離間する方向に折曲されてパッケージ本体271の短手方向に沿って突出する形状を有している。立ち下がり部272fは、回路基板207の上面に対してほぼ垂直の角度になるように形成されている。
回路基板207に比較例のチップパッケージ208’を実装した場合、その全体厚さhbは、パッケージ本体271のパッケージ裏面部271dの厚さh1と、パッケージ表面部271cの厚さh2と、回路基板207との隙間h3と、回路基板207の厚さh4を全て加算した値となる(hb=h1+h2+h3+h4)。比較例のチップパッケージ208’は、回路基板207の上に実装されているため、全体の実装高さが高くなってしまう。また、はんだの相当ひずみは、Z方向の垂直ひずみの変化による影響が大きいと考えられ、実装高さの大きい構造は、はんだの寿命にとって望ましくない。
これに対して、本実施例では、回路基板207に本実施形態のチップパッケージ208を実装したときの全体厚さhaは、パッケージ裏面部271dの厚さh2と、回路基板207の厚さh1とを加算した値となる(ha=h2+h1)。したがって、本実施例の方が比較例よりも低背化できる。なお、本実施例では、回路基板207の厚さをパッケージ本体271のパッケージ裏面部271dの厚さh1と同じにすることができる。
また、本実施例によれば、接続端子272の立ち下がり部272cが回路基板207に対してなだらかに傾斜しているので、比較例の、回路基板207に対してほぼ垂直の立ち下がり部272fと比較して、はんだバックフィレット281aの長さL1を長くすることができる(L2<L1)。したがって、はんだひずみを低減でき、はんだの長寿命化を図ることができる。また、接続端子272の立ち上がり部272bの傾斜角度を立ち下がり部272cよりも小さくすることによって、接続端子272の全体的な突出量を短くでき、チップパッケージ208を小型化できる。
比較例では、接続端子272の折り曲げられた先端に設けられている端部272gを、回路基板207のパッドに載せてはんだ付けしているので、回路基板207に対するチップパッケージ208の位置決めが難しく、また、端子高さのばらつきが大きく、流量センサ205の位置精度に影響があるという問題がある。これに対し、本実施例では、チップパッケージ208の一部を収容部207aに収容して接続端子272の根元である突出部272aを回路基板207の上に載せることによってチップパッケージ208の位置決めを行っている。したがって、比較例よりも回路基板207に対するチップパッケージ208の位置決めが容易であり、流量センサ205の位置精度が高いという有利な点を有する。
図11は、接続端子の曲げ高さと相当ひずみの関係を示す図であり、温度変化における、端子接続の寿命予測を示したグラフである。本実施例によれば、チップパッケージ208の接続端子272の端子高さを、チップパッケージ208より低くしても十分な寿命が確保できる。また、接続端子272の端子高さを、隣接された圧力センサ204の表面高さ位置まで高くすることが可能であるため、本実施例のように低背化させた場合でも接続端子272の形成性の制限がなく、チップパッケージ208の機械的接続の信頼性をより向上することができる。
なお、上述の実施例では、回路基板207のパッド264と接続端子272とを接合する接合部材として、はんだを用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、溶接合金や導電性接着剤を用いてもよい。
図12は、回路基板にセンサが直接取り付けられている構成を説明する図であり、図6Aに示す回路基板207の変形例を示す平面図である。
流量測定部205’を含む測定素子は、プリント基板である回路基板207’に取り付けられた支持体209を介して回路基板207’に実装されていてもよい。この構成により、流量測定部205’を含む測定素子等の部品を直接、回路基板207に実装する場合と比較して、測定素子に作用する応力を低減し、物理量検出装置20の耐久性および信頼性を向上させることができる。
なお、回路基板207に部品を実装するとは、たとえば、回路基板207に部品を取り付けること、および回路基板207の配線に部品を電気的に接続することを含む。支持体209の例として、金属製のリードフレームや、LTCC基板、プリント基板等、電気配線が形成可能なものが挙げられる。支持体209には、ハウジング201との位置決め用の穴、若しくは突起が形成され、ハウジング201に形成される位置決め用の突起、若しくは穴により位置決めされる構成としてもよい。
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 内燃機関制御システム
2 被計測気体
20 物理量検出装置
22 主通路
201 ハウジング
202 カバー
203 吸気温度センサ
204 圧力センサ
205 流量センサ
206 温湿度センサ
207 回路基板
208 チップパッケージ
211 フランジ
212 コネクタ
213 計測部
214 コネクタターミナル
221 正面
222 背面
223 一方側の側面
224 他方側の側面
226 下面
231 副通路入口
232 第1出口
233 第2出口
234 副通路
235 回路室
237 リブ(回路室底面)
240 換気通路
241 固定穴部
242 貫通孔
243 第1リブ
244 第2リブ
245 第3リブ
246 第4リブ
247 外部端子
248 補正用端子
249 換気孔(換気通路出口)
250 副通路溝
251 第1副通路溝
252 第2副通路溝
253 突起部
254 換気孔(換気通路入口)
255 R3入口
256 換気溝
263 パッド(吸気温度センサ用)
264 パッド(チップパッケージ端子用)
265 位置決め穴
271 パッケージ本体
272 接続端子
273 通路溝

Claims (10)

  1. 流量検出部並びに処理部が搭載される支持体と、
    前記支持体の一部が収容される収容部を有している回路基板と、を備え、
    前記支持体は、前記収容部に前記支持体の厚さ方向の少なくとも一部が収容され、前記流量検出部を含む一部が前記収容部から突出していることを特徴とする物理量検出装置。
  2. 前記収容部は、前記回路基板の一部を切り欠くことにより構成されることを特徴とする請求項1に記載の物理量検出装置。
  3. 前記支持体は、前記回路基板の前記収容部を間に介して対向する箇所にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項2に記載の物理量検出装置。
  4. 前記支持体は、互いに離間する方向に突出する複数の接続端子を有しており、
    前記複数の接続端子と前記回路基板との間が接合部材で接合されて電気的に導通していることを特徴とする請求項3に記載の物理量検出装置。
  5. 前記回路基板を収容する回路室と、該回路室の側方に配置されて被計測気体が流れる副通路とを有し、
    前記支持体は、前記流量検出部が前記副通路に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。
  6. 前記支持体は、前記流量検出部を含む一部が前記副通路の通路方向に直交する方向に向かって突出し、前記複数の接続端子が前記副通路の通路方向一方側と他方側に分かれて配置されていることを特徴とする請求項5に記載の物理量検出装置。
  7. 前記回路基板は、前記収容部を間に介して前記副通路の通路方向一方側と他方側に第1の物理量を検出する第1センサと第2の物理量を検出する第2センサとが配置されていることを特徴とする請求項6に記載の物理量検出装置。
  8. 前記複数の接続端子の基端部が前記回路基板に当接し、
    前記複数の接続端子の先端部が前記回路基板との間に所定の隙間を有しており、前記複数の接続端子の先端部と前記回路基板との間に前記接合部材が介在していることを特徴とする請求項7に記載の物理量検出装置。
  9. 前記複数の接続端子は、
    前記支持体から真っ直ぐに突出する突出部と、
    前記突出部の先端で前記支持体の厚さ方向一方側に折曲されて立ち上がる立ち上がり部と、
    前記立ち上がり部に連続して第1の曲げ高さ位置で前記支持体の厚さ方向他方側に折曲されて立ち下がる立ち下がり部と、
    前記立ち下がり部に連続して第2の曲げ高さ位置で前記支持体から離間する方向に突出する端部と、を有しており、
    前記立ち上がり部の傾斜よりも前記立ち下がり部の傾斜の方が緩いことを特徴とする請求項8に記載の物理量検出装置。
  10. 前記接合部材ははんだであることを特徴とする請求項9に記載の物理量検出装置。
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