JP6965358B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、熱式流量計に関する。

主通路を流れる被計測気体の質量流量を計測する装置として熱式流量計がある。熱式流量計は、主通路である配管内を流れる被計測気体の一部を副通路に取り込み、流量計測部に導く構造となっている。近年、流量計測部には、MEMS式シリコンエレメント等が配置されており、気体流れの冷却作用による電気抵抗値変化を利用し、配管内の質量流量を計測している。シリコンエレメントは、薄膜のダイヤフラム形状を採用しているため、熱応答性能が良いため、高応答かつ微細流量を検出する可能というメリットもあるが、逆に汚損物が付着した場合、従来の性能から大きく変化するというデメリットも発生する。

特許文献１には、流量計測部に汚損物が付着するのを避ける汚損対策の観点から、バイパス通路に静電気散逸機構を設けた熱式流量計の技術が提案されている。前記記載によると、新設されたGND端子をハウジングに配置し、導電性樹脂部品をオーバーモールドしたカバーアッシーと前記GND端子を圧入することで、静電気散逸機構を構成する熱式流量計が提案されている。

特許文献１の技術は、その構成により、バイパス通路内に侵入した汚損物の電荷を除去、または吸着させ、シリコンエレメントへの汚損物の付着を抑制し、耐久信頼性の高い熱式流量計を提供することを目的としている。

DE 10 2010 020 264 A1

前記従来の熱式流量計は、静電気散逸機構を設置するために流量測定の基本構成部品以外に、導電性樹脂材料を成型した追加部品、前記部品をオーバーモールドする工程の追加、GND端子の追加、圧入機構による接触接続機構の追加と、４つの要素変更・追加を実施している。熱式流量計は、バイパス通路内に流量計測部を設置するため、前記バイパス通路を構成する寸法精度や形状安定性に流量精度が決定される。

例えば特許文献１の実施例記載ように、導電性樹脂材料に対して絶縁性樹脂をオーバーモールドした場合、従来の単一の成型品と比較して、積み上げ公差増加に伴いバイパス通路の寸法精度が悪化するおそれが生じる。

また、特許文献１の実施例記載ように導電性樹脂材料部品を使用した場合、従来の絶縁性樹脂材料に対して、導体性を有するためのカーボン、または黒鉛等を樹脂材料にコンパウンドさせる必要があるため、従来の絶縁性樹脂材料と比較して強度が低下するおそれが生じる。
前記従来の熱式流量計に対して熱変化が加わった場合には、前記オーバーモールドした構成部品間の線膨張差により、形状変形、界面の隙間発生等による信頼性の低下が生じるおそれがある。

また、新しいGND端子を追加した場合には、金属材料の使用量増加により熱式流量計のコストが増加するおそれが生じる。
さらに、接続部に関しては、導電性樹脂部品と金属部品との線膨張差や接触接続の採用により、従来の溶融接合（溶接・ボンディング等）を比較して信頼性が低下するおそれがある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、熱式流量計の流量精度低下、信頼性低下、また、コスト増加を従来よりも低減させつつも、静電気散逸機構を構成することができる熱式流量計を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の熱式流量計は、主通路に取り付けられる熱式流量計であって、前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、該副通路内に配置される流量検出素子と、該流量検出素子を支持する支持体と、該支持体が固定される回路基板と、を有し、前記流量検出素子は、前記被計測気体の流量を検出する検出面を有し、該検出面が前記回路基板に対向して配置されることを特徴とする。

本発明の熱式流量計によれば、流量検出素子を支持する支持体が、回路基板に固定され、流量検出素子の検出面が回路基板に対向して配置される構成とすることで、流量精度の低下及び信頼性の低下、また、コスト増加を従来よりも低減させることができる。
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。

本発明の実施形態１に係る熱式流量計を備えたシステムの一例を示す概略図。 本発明の実施形態１に係る熱式流量計の正面図。 図２Ａに示す熱式流量計の右側面図。 図２Ａに示す熱式流量計の背面図。 図２Ａに示す熱式流量計の左側面図。 図２Ａに示す熱式流量計の平面図。 図２Ａに示す熱式流量計の下面図。 図２Ｃに示す熱式流量計のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図２Ｂに示す熱式流量計のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 図２Ｃに示す熱式流量計１の基板１０１を取り外した状態の背面図。 図２Ａに示す熱式流量計１のハウジング１００を取り外した状態の正面図。 図２Ａのシール材２１５を取り外した立体図。 図３Ａの要部を拡大して模式的に示す図。 回路パッケージ３０１の左側面図。 回路パッケージ３０１の正面図。 回路パッケージ３０１の背面図。 回路パッケージ３０１の下面図。 図４Ｃの樹脂材３１１を取り外した回路パッケージ３０１の背面図。 実施例２に係る熱式流量計１の回路パッケージ３０１の背面図。 図５Ａに係る回路パッケージ３０１の左側面図。 図５Ａに係る回路パッケージ３０１の樹脂材３１１を取り除いた背面図。 図５Ａに係るリードフレーム３１０の正面図。 図５Ａに係る回路パッケージ３０１を筐体１０２に搭載した正面図。 実施例３に係る熱式流量計１の回路パッケージ３０１の背面図。 図６の流量計測部３００の露出形態を変更した背面図。 流量計測部３００と回路部品３０６を一体化させた場合の回路パッケージ３０１の背面図。 図８Ａに係る回路パッケージ３０１の凹部溝３１４を変更した背面図。 図８Ａに係る回路パッケージ３０１の下面図。 図８Ｃに係るアウターリード３１２を変更した下面図。 本実施形態における熱式流量計の他の構成例を概念的に説明する断面図。

以下、図面を参照して本発明の熱式流量計の実施形態を説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施形態１に係る熱式流量計１を備えた電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムの一例を示す概略図である。このシステムでは、エンジンシリンダ２とエンジンピストン３を備える内燃機関４の動作に基づき、吸入空気が被計測気体５としてエアクリーナ６から吸入され、主通路７であるたとえば吸気管、スロットルボディ８、吸気マニホールド９を介してエンジンシリンダ２の燃焼室に導かれる。

前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体５の流量は、熱式流量計１で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１０より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体５とともに混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施形態では、燃料噴射弁１０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吸入空気である被計測気体５と混合されて混合気となり、吸気弁１１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。

熱式流量計１は、図１に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも熱式流量計１の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、図１では、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を示す。

燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気との混合状態であり、点火プラグ１２の火花着火によって爆発的に燃焼して機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は、排気弁１３から排気管に導かれ、排気１４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５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１５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１５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。

エアクリーナ６から取り込まれ、主通路７を流れる吸入空気である被計測気体５の流量および温度は、主通路７に取り付けられた熱式流量計１により計測され、計測された吸入空気の流量および温度を表す電気信号が熱式流量計１から制御装置１６に入力される。また、スロットルバルブ１５の開度を計測するスロットル角度センサ１７の出力が制御装置１６に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン３や吸気弁１１や排気弁１３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１８の出力が、制御装置１６に入力される。排気１４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１９の出力が制御装置１６に入力される。

制御装置１６は、熱式流量計１の出力である、たとえば、吸入空気の流量、湿度、および温度、ならびに回転角度センサ１８からの内燃機関の回転速度等に基づいて、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１０から供給される燃料量や点火プラグ１２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、さらに熱式流量計１で計測される吸気温度や、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１９で計測された空燃比の状態に基づいて制御されている。制御装置１６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１５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２０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、いずれも熱式流量計１の出力を主パラメータとして演算される。したがって、熱式流量計１の計測精度の向上や、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熱式流量計１により計測される吸入空気である被計測気体５の流量の計測精度の向上が極めて重要である。

図２Ａは、本実施形態に係る熱式流量計１の正面図である。図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅおよび図２Ｆは、それぞれ、図２Ａに示す熱式流量計の右側面図、背面図、および左側面図、平面図、下面図である。

熱式流量計１は、ハウジング１００と基板（回路基板）１０１を備えている。基板１０１は、プリント基板で構成されて、広く平坦な冷却面を有している。このため熱式流量計１の筐体１０２は、空気抵抗が低減され、さらに主通路７を流れる被計測気体により冷却されやすい構成を有している。

熱式流量計１の筐体１０２は、たとえば、概ね直方体の扁平な形状を有し、吸気管に挿入されて主通路７内に配置される。詳細については後述するが、筐体１０２は、主通路７を流れる流体である被計測気体５の一部を取りこむ副通路を画定している。

なお、以下では、主通路７内の被計測気体５の流れに概ね平行な筐体１０２の長さ方向をＸ軸方向、長さ方向に垂直で主通路７の径方向に概ね平行な筐体１０２の高さ方向をＹ軸方向、これら長さ方向および高さ方向に垂直な筐体１０２の厚さ方向をＺ軸方向とする、ＸＹＺ直交座標系を用いて、熱式流量計１の各部を説明する場合がある。

筐体１０２は、主通路７の外壁から中央に向かうＹ軸方向に沿って延びる形状を有しているが、図２Ｂおよび図２Ｄに示すように、Ｚ軸方向の厚さが薄い扁平な形状を成している。すなわち、熱式流量計１の筐体１０２は、側面に沿う厚さが薄く正面が略長方形の形状を有している。これにより、熱式流量計１は、被計測気体５に対しては流体抵抗を小さくして、十分な長さの副通路を備えることができる。

筐体１０２の基端部には、熱式流量計１を吸気管に固定するためのフランジ１０３と、制御装置１６との電気的な接続を行うために吸気管外部に露出したコネクタ１０４と電気接続部であるコネクタターミナル１０５が設けられている。筐体１０２は、フランジ１０３を吸気管に固定することにより片持ち状に支持される。筐体１０２は、図２Ｃに示すように、その背面のほとんどの領域を基板１０１によって構成している。したがって、基板１０１は、主通路７を流れる被計測気体により冷却される。

図３Ａは、図２Ｃに示す熱式流量計のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３Ｂは、図２Ｂに示す熱式流量計のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図３Ｃは、図２Ｃに示す熱式流量計１の基板を取り外した状態の背面図である。図３Ｄは、図２Ａに示す熱式流量計１のハウジングを取り外した状態の正面図である。図３Ｅは、図２Ａのシール材２１５を取り外した立体図である。図３Ｆは、図３Ａの要部を拡大して模式的に示す図である。

ハウジング１００の先端側でかつ主流れ方向上流側の位置に配置される一方端部には、主通路７を流れる流体である吸入空気などの被計測気体５の一部を副通路２００に取り込むための入口２０１が設けられている。また、同様にハウジング１００の先端側でかつ主流れ方向下流側の位置に配置される他方端部には、副通路２００から被計測気体５を主通路７に戻すための出口２０２が設けられている。更に、副通路２００を流れる被計測気体５を一部の排出するための第二の出口、排出口２０３が設けられている。このように、主通路７を流れる被計測気体５を副通路２００に取り込むための入口２０１や出口２０２、排出口２０３は、フランジ１０３から主通路７の径方向の中心方向に向かって延びる筐体１０２の先端側に設けられる。

ハウジング１００の内部には、回路パッケージ３０１が基板１０１に固定された状態で収容されている。回路パッケージ３０１は、副通路２００を流れる被計測気体５の流量を計測するための流量計測部３００を有している。回路パッケージ３０１は、流量計測部３００を樹脂材で一体にモールド成形することによって構成された樹脂パッケージであり、流量計測部３００を支持する支持体となる。流量計測部３００は、流量検出素子を有している。流量検出素子は、被計測気体の流量を検出する検出面を有している。流量検出素子の検出面は、回路パッケージ３０１の表面に露出している。

そして、ハウジング１００には、副通路２００を構成するための副通路溝が形成されている。ハウジング１００の片面側に副通路溝が凹設されており、基板１０１をかぶせることによって副通路２００(バイパス通路)が完成する構成になっている。また、入口２０１や出口２０２、排出口２０３近傍の形状が、一体成型で副通路２００を構成している。ハウジング１００の成形時（樹脂モールド工程）に正面、背面、右側面、左側面、平面、下面方向の金型を使用して成形することが可能となる。例えば、本実施例では一体成型で前記形状を構成しているが、基板１０１の長さを延長して分割した構成としてもよい。

本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、従来蓋となるカバー部品の機能を基板１０１に持たせることで、ハウジング１００の厚み方向（Ｚ軸方向）のサイズを小さく構成することでき、主通路７の気体の流れを阻害しない低圧力損失の熱式流量計１を実現することができる。

副通路溝は、主通路７を流れる流体を副通路２００に流れを取り込むための副通路溝２０４と、流量計測部３００側への流れを導入するための第１溝部２０５と、排出口２０３側へ流れを導入するための第２溝部２０６とが、ハウジング１００に形成されている。

副通路溝２０４は、ハウジング１００の先端部で被計測気体５の主流れに沿うように分岐溝部２０７に向かって一直線状に延在されるように形成される。

第１溝部２０５は、分岐溝部２０７により一部流れをハウジング１００の基端側(Ｙ軸方向)に偏向させるよう設置され、ハウジング１００の端側に向かって進み緩やかにカーブした後、ハウジング１００の先端部に進み、出口２０２に連通されるように形成される。緩やかなカーブを設置することで、塵埃などを慣性分離作用で流れの外側に分離し、流量計測部３００側へ向う異物の総量を低減でき、検出性能の劣化を防止できる。

第２溝部２０６は、分岐溝部２０７により一部流れをハウジング１００の先端部側(Ｙ軸方向)に偏向させるよう設置され、緩やかにカーブした後に排出口２０３に連通されるように形成される。排出口２０３を設置することで、塵埃、水滴などの大小の異物を外部に排出させることができ、流量計測部３００へ向う副通路２００への侵入する異物の総量を低減でき、検出性能の劣化を防止できる。

回路パッケージ３０１は、副通路２００から筐体１０２の厚さ方向(Ｚ軸方向)に対して、更に分離するように配置されている。そのため、基板１０１及び回路パッケージ３０１の協働で構成される副通路２０８と、回路パッケージ３０１及び第１溝部２０５の協働で構成される副通路２０９とに被計測気体の流れを分離されるように形成されている。そして、副通路２０８及び副通路２０９は、副通路２００の通路断面積よりも小さい流路が形成されている。通路内部の圧力損失を利用し、副通路２０８と副通路２０９に速度差をつけることで、塵埃などの異物を副通路２０９に偏向させることができ、流量計測部３００へ向う副通路２０８への侵入する異物の総量を低減でき、検出性能の劣化を防止できる。

本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、汚損物に対する信頼性を向上させることができ、耐久信頼性の強い熱式流量計１を実現することができる。

ハウジング１００の先端側に位置する入口２０１よりも更に上流側の位置には、主通路７を流れる被計測気体５の温度を計測するための温度計測部３０２が設けられている。このように、主通路７を流れる被計測気体５の温度を計測するための温度計測部３０２が、フランジ１０３から主通路７の径方向の中心方向に向かって延びる筐体１０２の先端側に突出したように設けられる。

本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、主通路７の内壁面から離れた部分の気体を副通路２００に取り込むことができ、主通路７の内壁面の温度の影響を受け難くなり、気体の流量や温度の計測精度の低下を抑制できる。また、主通路７の内壁面近傍では流体抵抗が大きく、主通路７の平均的な流速に比べ、流速が低くなる。本実施形態の熱式流量計１では、フランジ１０３から主通路７の中央に向かって延びる薄くて長い筐体１０２の先端部側かつ入口２０１の上流側に設けられているため、主通路７の中央部の流速の速い気体を副通路２００に取り込むことができる。

筐体１０２の内部には、主通路７を流れる被計測気体５の圧力を計測する圧力計測部３０３と、主通路７を流れる被計測気体５の湿度を計測する湿度計測部３０４が配置されている。

ハウジング１００には、圧力計測部３０３を収容するため凹部溝２１０が形成されており、圧力計測部３０３が固定された基板１０１をハウジング１００に嵌め合わせることで圧力計測用の収容室を形成している。前記収容室は、被計測気体５の流れを取り込むために副通路２００の途中でスリット２１１を介して連通されて構成されている。

また、同様にハウジング１００には、湿度計測部３０４を収容するため凹部溝２１２が形成されており、湿度計測部３０４が固定された基板１０１をハウジング１００に嵌め合わせることで圧力計測用の収容室を形成している。前記収容室は、被計測気体５の流れを取り込むために副通路２００の途中でスリット２１３を介して連通されて構成されている。

本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、塵埃や水滴などの異物外部に排出させることで、副通路２００へ向う異物の総量を低減でき、圧力計測部３０３、湿度計測部３０４の検出性能の劣化を防止できる。本実施例では、副通路２００にスリット２１１、スリット２１３を設置しているが、例えば、被計測気体５の流れを取り込むために、ハウジング１００や基板１０１に直接、スリットや孔を複数設置してもよい。

基板１０１には、流量計測部３００を一体モールド成形された回路パッケージ３０１と、温度計測部３０２と、圧力計測部３０３と、湿度計測部３０４と、コンデンサ等の電子部品３０５とが配置されている。また、回路パッケージ３０１内には、複数の計測部を制御する回路部品３０６が配置されており、回路部品３０６は、LSIまたはマイコンもしくはその双方である。また、前記実装部品は、基板１０１に固定するための半田や導電性ペーストにより接続されている。本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、基板１０１に一般的な実装マウンタで実装可能であるため、基板実装工程の作業効率を上げることができる。

本実施形態の構成以外では、例えば、回路部品３０６を基板１０１に配置する構成や、回路保護としたコンデンサ等の電子部品３０５を回路パッケージ３０１内に一部配置した構成としてもよい。また、本実施例では、回路パッケージ３０１と、温度計測部３０２と、圧力計測部３０３と、湿度計測部３０４と、コンデンサ等の電子部品３０５とを実装した構成になっているが、構成位置の組み合わせは不問である。要求仕様に応じて回路基板１０１の最適な配線パターンを配置させることができる。また、共通の回路基板１０１の構成で、必要な計測部や、電子部品のみを追加及び削減することもでき、多品種の熱式流量計１を実現することができる。また、ハウジング１００を共通部品とするため、組み立てラインの変更無しに製造することができるため、工数が削減でき、安価な熱式流量計１を実現することができる。

基板１０１には、電気接続部であるコネクタターミナル１０５と接続するための電極パッドである電子部品３０５が配置されている。ハウジング１００には、回路パッケージ３０１と、コンデンサや電極パッド等の電子部品３０５を収容するため凹部溝２１４が形成されている。基板１０１には、ハウジング１００と接合するための接着剤３０７が配置されており、基板１０１をハウジング１００に嵌め合いすることで図３Ｅに示すような構成となる。

電気的接続方法としては、コネクタターミナル１０５と電極パッドである電子部品３０５がワイヤーボンディング３０８で接合される。凹部溝２１４に集約された、回路パッケージ３０１と、コンデンサや電極パッド等の電子部品３０５と、コネクタターミナル１０５と、ワイヤーボンディング３０８は、主通路７を流れる被計測気体５に曝されるため、浸透性の作用の強い汚損物（腐食ガス、液体等）から保護する必要がある。本実施形態では、図２Ａ、図３Ａ、または、図３Ｂに示すように、ゲルや接着剤等のシール材２１５を充填することで、保護している。

本実施形態のような構成によれば、浸透性の作用の強い汚損物に対する信頼性を向上させることができ、耐久信頼性の強い熱式流量計１を実現することができる。

また、筐体１０２は、フランジ１０３を吸気管に固定することにより片持ち状に支持される。そのため例えば、剛性の強いシール材２１５を使用することにより、筐体１０２の基端部の強度を向上させ、耐振動性の強い熱式流量計１を実現することができる。また、本実施形態をとることで、従来方式であるハウジング１００とシール材２１５との蓋となるカバー部品を削減することができ、安価な熱式流量計１を実現することができる。

本実施形態では、電気的接続に電極パッドの電子部品３０５、コネクタターミナル１０５をワイヤーボンディング３０８で接続した例を説明しているが、例えばプレスフィット等のメカニカルな電気的接触接続やペーストを介した方式でコネクタターミナル１０５と基板１０１とを直接接続した構成としてもよい。上記構成の場合は、電子部品３０５の削減、工数が削減でき、安価な熱式流量計１を実現することができる。

図４Ａは、回路パッケージ３０１の左側面図である。図４Ｂは、回路パッケージ３０１の正面図である。図４Ｃは、回路パッケージ３０１の背面図である。図４Ｄは、回路パッケージ３０１の下面図である。図４Ｅは、図４Ｃの樹脂材３１１を取り外した回路パッケージ３０１の背面図である。

副通路２００の一面側を構成する基板１０１は、副通路２００の形状に沿って一部グランド配線３０９が露出されて構成されている。また、グランド配線３０９は、回路パッケージ３０１に搭載される流量計測部３００の検出面側に対して、グランド配線３０９の少なくとも一部が対向するように配置されており、静電気散逸機構を構成している。例えば、グランド配線３０９は、副通路２００の形状に沿ったパターンで形成されるが、その一部をレジスト膜等で覆って表面を保護した構成としてもよい。つまり、基板１０１は、流量計測部３００の流量検出素子が露出する検出面に対向する位置にGND電位の配線（グランド配線）が配置されている。

本実施形態のような構成では、副通路２００に侵入した汚損物(塵、カーボン等)をグランド配線３０９に付着させることで、流量計測部３００の計測性能の劣化を低減することができる。このような構成を有した熱式流量計１では、耐汚損性が向上可能な信頼性の高い熱式流量計１を実現することができる。

従来方式では、蓋となるカバー部品に追加部品や導電性を有する材料へ変更や中間部材を介した電気的接続箇所を設けて静電気散逸機構を構成していた。これに対し、本実施形態の構成では、熱式流量計１の基本構成部品である、ハウジング１００と、基板１０１と、回路パッケージ３０１で静電気散逸機構を構成している。したがって、構造簡素化、部品点数低減による製造コストの低減や実装精度を向上させることができる。また、基板１０１に回路パッケージ３０１を半田接続することで電気接続もできるため、特殊な電気接続要素の追加が不要である。更に、導電性を有する材料への変更も不要であるため、信頼性の高い熱式流量計１を実現することができる。

グランド配線３０９は、副通路２００を流れる被計測気体５に曝されることから、浸透性の作用の強い汚損物（腐食ガス、液体等）から保護するためのめっき等のコーティングが施されている。本実施例では、グランド配線３０９はめっき保護されている。本実施形態のような構成を有した熱式流量計１では、浸透性の作用の強い汚損物に対する信頼性を向上させることができ、耐久信頼性の強い熱式流量計１を実現することができる。

回路パッケージ３０１の内部は、図４Ｅに示すような金属部品からなるリードフレーム３１０に、複数の計測部を制御する回路部品３０６や、回路保護用としたコンデンサ等の電子部品等の回路部品が搭載されており、ワイヤーボンディングにて回路部品３０６や電子部品との間、リードフレーム３１０との間を接続している。また、流量計測部３００や回路部品３０６が搭載される直下のリードフレーム３１０はグランドとなっており、ワイヤーボンディングで直接接地されている。これにより、流量計測部３００や回路部品３０６は、リードフレーム３１０のグランドと基板１０１のグランド配線３０９とで筐体１０２の厚み方向（Ｚ軸方向）に挟まれた構成となり、EMC等の電波関係の信頼性が向上させることができる信頼性の高い熱式流量計１を実現することができる。

また、回路パッケージ３０１は、少なくとも1部を露出させた状態で樹脂材３１１により封止され構成されている。これにより、樹脂モールドされた回路パッケージ３０１は、浸透性の作用の強い汚損物に対する信頼性を向上させることができ、耐久信頼性の強い熱式流量計１を実現することができる。金型で成型された回路パッケージ３０１は、寸法精度の高く、副通路２０８のばらつきを低減することもできるため、高精度な熱式流量計１を実現することができる。

回路パッケージ３０１は、流量検出素子を支持する支持体を構成する。回路パッケージ３０１は、流量検出素子の一部と、流量検出素子が搭載されるリードフレーム３１０と、入出力端子の一部と、回路部品とを樹脂材３１１で一体に封止した樹脂パッケージの構成を有している。回路パッケージ３０１の凹部溝３１４は、樹脂材３１１によって形成されている。

リードフレーム３１０は、アウターリード３１２を有している。回路パッケージ３０１の端部から突出するアウターリード３１２は、流量計測部３００面側に接続部をもつように、一部を蛇腹状に折り曲げられ、基板１０１に半田により接続されて固定されている。複数本のアウターリード３１２は、入出力端子として回路部品３０６からの入出力信号のやり取りに用いられる他に、回路パッケージ３０１と基板１０１とを固定する固定部としての役割も兼ねている。また、基板１０１と樹脂材３１１には、ガラス系のフィラーが含有されているため、材料の線膨張係数が互いに近い構成となっている。

そのため、環境変化が生じて基板１０１に変形が生じた場合、折り曲げ部を有するアウターリード３１２により応力を緩和することができ、接続部の信頼性を向上させることができる。また、回路パッケージ３０１と基板１０１が同様の変形傾向となるため、接続部への応力負荷を低減でき、かつ、副通路２０８の寸法形状を安定させることができる。本実施形態のような構成により、信頼性の高い熱式流量計１を実現することができる。

流量計測部３００は、流量検出素子の裏面に空洞部をもったダイヤフラム形状を有している。リードフレーム３１０は、流量計測部３００に対応する位置に、貫通した換気孔３１３が設置されており、流量検出素子の裏面の空洞部と連通された構成となっている。流量計測部３００は、ダイヤフラムの表面(流量検出素子の検出面)と裏面の圧力差が低減されることで、ダイヤフラムの歪を抑制でき、流量計測精度の高い熱式流量計１を実現することができる。

回路パッケージ３０１には、副通路２０８を構成するための凹部溝３１４が形成されている。凹部溝３１４の底面には、樹脂材３１１から流量計測部３００が露出している。凹部溝３１４は、回路パッケージ３０１の基板１０１に対向する面に凹設されており、基板１０１と協働して副通路２０８を形成する。凹部溝３１４は、第１溝部２０５の途中位置に配置される。凹部溝３１４は、副通路２０８の流路断面積を、副通路２０８の両側に連続する他の副通路の流路断面積よりも小さくするガイド部を構成する。つまり、回路パッケージ３０１が備える凹部溝３１４は、副通路２００のうち、基板１０１との協働により形成される通路部分である副通路２０８を、副通路２０８の両端に連続する他の通路部分よりも断面積の小さい流路とするためのガイド部となる。

回路パッケージ３０１は、図３Ｂに示すように第１溝部２０５がＵターンしている部分に配置される。凹部溝３１４は、第１溝部２０５の形状に一致して連続するように、一対の傾斜部３１６の形状が形成されており、具体的には、図４Ｃに示すように、流量計測部３００を間に介して上下に分かれている一対の傾斜部３１６が互いに非対称の形状を有している。

凹部溝３１４は、図４Ｄに示すように、回路パッケージ３０１の端部から流量計測部３００に接近する方向に向かって移行するにしたがって、徐々に副通路２０８の流路断面積が狭まるように、基板１０１に接近する方向に傾斜する傾斜部３１５を備える。傾斜部３１５は、回路パッケージ３０１の表面から裏面に向かって傾斜するように設けられている。

また、凹部溝３１４は、図４Ｃに示すように、回路パッケージ３０１の端部から流量計測部３００に接近する方向に向かって移行するにしたがって、徐々に副通路２０８の流路断面積が狭まるように、立体的に絞られている傾斜部３１６が設けられている。傾斜部３１６は、流量計測部３００に接近する方向に移行するにしたがって、凹部溝３１４の幅が漸次狭くなる方向に傾斜している。

凹部溝３１４は、傾斜部３１５と傾斜部３１６により、回路パッケージ３０１の端部から流量計測部３００に接近する方向に移行するにしたがって断面積が小さくなる。したがって、被計測気体は、副通路２０８を通過する際にその流量が絞られる。また、回路パッケージ３０１の外周と、凹部溝３１４と、傾斜部３１５と、傾斜部３１６は、金型成型されるため、離形性を考慮した抜きテーパと、Ｒ形状が形成されている。これにより、更に立体的でなめらかな凹部溝３１４を構成することができる。

本実施形態の構成では、副通路２００を流れる被計測気体５の流れに沿った緩やかな形状の副通路２０８を構成することができ、安定した流れを流量計測部３００に導くことができる。また、金型で成型された回路パッケージ３０１は、寸法精度の高く副通路２０８のばらつきを低減できるため、高精度な熱式流量計１を実現することができる。

（実施例２）
図５Ａは、実施例２に係る熱式流量計１の回路パッケージ３０１の背面図である。５Ｂは、図５Ａに係る回路パッケージ３０１の左側面図である。図５Ｃは、図５Ａに係る回路パッケージ３０１の樹脂材３１１を取り除いた背面図である。図５Ｄは、図５Ａに係るリードフレーム３１０の正面図である。図５Ｅは、図５Ａに係る回路パッケージ３０１を筐体１０２に搭載した正面図である。

図４Ｃに示す例では、回路パッケージ３０１の凹部溝３１４に配置される一対の傾斜部３１６が、流量計測部３００を間に介して互いに非対称の形状を有するのに対し、図５Ａに示す例では、流量計測部３００を間に介して互いに対称の形状を有している。例えば、図５Ｅに示すように第１溝部２０５により形成された副通路２００に回路パッケージ３０１を設置した場合、第１溝部２０５の形状に沿って直線的に安定した流れを流量計測部３００に導入できることができる。そのため、流量計測精度の高い熱式流量計１を実現することができる。また、副通路２００を流れる被計測気体５の流れに逆流成分をもつ脈動流が発生した場合、対称構造とすることで正確な流れ向きを流量計測部３００に導入することができ、脈動誤差の少ない流量計測精度の高い熱式流量計１を実現することができる。

アウターリード３１２は、各種物理量センサの入出力にデジタル対応するために、本数が増加されて構成されている。これより、一つの仕様で各種物理量センサの要求仕様に応じて対応することができるため、共通の回路パッケージ３０１で多品種の熱式流量計１を実現することができる。

換気孔３１３は、リードフレーム３１０に接地された換気溝３１７を通じて流量計測部３００の裏面に空洞部を連通されて構成される。また、換気溝３１７は、接着性のフィルム３１８により封止されて、樹脂材３１１によりモールドされることで連通孔が固定されている。

換気孔３１３は、副通路２００を流れる第１溝部２０５とは別の区画された凹部溝２１７に設置され、被計測気体５の圧力導入孔となるスリット２１６を介して連通されている。凹部溝２１７は、副通路２００を介して主通路７を流れる被計測気体５に曝されるため、アウターリード３１２を保護するために浸透性の作用の強い汚損物（腐食ガス、液体等）を保護するゲル、接着剤等のシール材で保護した構成としてもよい。

本実施形態のような構成では、副通路２００を流れる被計測気体５に汚損物（塵埃や水滴）などが侵入した場合、換気孔３１３に直接付着することを軽減することができる。これにより、流量計測精度及び耐汚損性を向上させた熱式流量計１を実現することができる。

（実施例３）
図６は、実施例３に係る熱式流量計１の回路パッケージ３０１の背面図である。図７は、図６の流量計測部３００の露出形態を変更した背面図である。図８Ａは、流量計測部３００と回路部品３０６を一体化させた場合の回路パッケージ３０１の背面図である。図８Ｂは、図８Ａに係る回路パッケージ３０１の凹部溝３１４の形状を変更した背面図である。図８Ｃは、図８Ａに係る回路パッケージ３０１の下面図である。図８Ｄは、図８Ｃに係るアウターリード３１２を変更した下面図である。

図６は、図５Ａに示す回路パッケージ３０１のアウターリード３１２を更に増設した例を示す。アウターリード３１２は、回路部品３０６、流量計測部３００、温度計測部３０２、圧力計測部３０３、湿度計測部３０４等の複数のデバイスとの入出力手段として使用されている。アウターリード３１２の中には、熱式流量計１の入出力と無関係である、部品調整用の調整ピン３１９や不要なダミーピン３２０、あるいは通常使用時の信号のやりとりには用いられない端子が設けられており、流量計測部３００の検出面側に一度折り曲げられ直線的な形状で構成されている。

ダミーピン３２０と調整ピン３１９と通常使用時の信号のやり取りには用いない端子の少なくとも一つは、基板１０１に対する回路パッケージ３０１の位置決めを果たす位置決め部として用いられる。調整ピン３１９や不要なダミーピン３２０は、基板１０１との接合の際、圧入されて固定される。そのため、調整ピン３１９や不要なダミーピン３２０は、回路パッケージ３０１を基板１０１に位置決めするための仮固定する役目を果たす。例えば、調整ピン３１９や不要なダミーピン３２０の先端部は、プレスフィットを目的とした保持形状を形成してもよい。また、更に位置決め精度を向上させるために、回路パッケージ３０１に位置決め機構となる凹凸部３２１を形成してもよい。

本実施形態のような構成では、回路パッケージ３０１を基板１０１に寸法精度良く設置することができ、副通路２０８の寸法高精度化により高精度な熱式流量計１を実現することができる。

上述の実施例１では、支持体である回路パッケージ３０１が、流量検出素子の一部を樹脂材３１１で一体に封止する構成を例に説明したが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、流量検出素子を回路パッケージに一体に封止せず、別個に取り付ける構成についても同様に本発明を適用できる。例えば、支持体が、回路部品と、回路部品が搭載されるリードフレームと、入出力端子の一部と、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージの構成を有しており、かかる樹脂パッケージの上に流量検出素子を別個に設置する構成にも適用できる。

図７は、図６の流量計測部３００を一体成型せずに露出した例を示す。回路パッケージ３０１は、リードフレーム３１０に、複数の計測部を制御する回路部品３０６や、回路保護用としたコンデンサ等の電子部品３０５等の回路部品が搭載されており、流量計測部３００を収納するための凹部溝３２５を形成して樹脂材３１１により封止され構成されている。樹脂成型された回路パッケージ３０１の凹部溝３２５には、流量計測部３００が配置され、ワイヤーボンディングでリードフレーム３１０ないし回路部品３０６に接続される。更に、ワイヤーボンディングを保護するために浸透性の作用の強い汚損物（腐食ガス、液体等）から保護するシール材３２２で保護されて構成される。また、凹部溝３２５と流量計測部３００に実装時に隙間を設置することで、アスペクト比の高いコの字形状の換気スリット３２３を構成することができる。

本実施形態のような構成では、副通路２００を流れる被計測気体５に汚損物（塵埃や水滴）などが侵入した場合、アスペクト比の高いコの字形状の換気スリット３２３により完全閉塞するおそれを緩和されることができる。これにより、流量計測精度及び耐汚損性を向上させた熱式流量計１を実現することができる。

また、例えば、流量検出素子と回路部品とを一体化させた１チップとする構成についても適用することができる。例えば、流量検出素子は回路部品と一体に形成されたものであり、支持体は、流量検出素子の一部と、流量検出素子が搭載されるリードフレームと、入出力端子の一部と、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージであり、流量検出素子の検出面が樹脂パッケージの表面から露出している構成についても適用できる。

図８Ａに、図６の流量計測部３００と回路部品３０６を一体化させた１チップの構成を有する回路パッケージ３０１の例を示す。回路パッケージ３０１は、リードフレーム３１０に、流量計測部３００と回路部品３０６を一体化させた流量計測チップ３２４と、回路保護用としたコンデンサ等の電子部品３０５等の回路部品が搭載されている。また、回路パッケージ３０１の少なくとも一部を露出させた状態で樹脂材３１１により封止され構成されている。これにより、回路パッケージ３０１をより小型化でき、基板１０１に実装している電子部品３０５を従来サイズで成立させることができる。

本実施形態のような構成では、回路パッケージ３０１の小型化による製造上の取り数の増加、実装のコモディティ化により工数の削減やハンドリング性が向上でき、安価な熱式流量計１を実現することができる。また、回路パッケージ３０１の小型化により、ハウジング１００ないし筐体１０２のサイズを小さく構成することでき、主通路７の気体の流れを阻害しない低圧力損失の熱式流量計１を実現することができる。

図８Ｂは、回路パッケージ３０１の凹部溝３１４の形状を変更した例を示す。回路パッケージ３０１には、樹脂材３１１から流量計測部３００が露出され、副通路２０８を構成するための凹部溝３１４が形成されている。凹部溝３１４の形状は、流量計測部３００を中心として、副通路２０８を流れる被計測気体５の流れ軸方向に対して、左右非対称な形状で傾斜部３１５、傾斜部３１６が構成されている。傾斜部３１５及び傾斜部３１６は、流量計測部３００を間に介して凹部溝３１４の軸方向一方側と他方側とで形状が非対称となっている。副通路２００を流れる被計測気体５の流れに逆流成分をもつ脈動流が発生した場合、左右非対称な構造とすることで順逆の空気の取り込み量を調整することができる。これにより、主通路７を流れの変化に応じて脈動流で発生する誤差傾向を調整することができる。

本実施形態のような構成では、脈動時に発生する誤差傾向を調整することで流量計測精度の高い熱式流量計１を実現することができる。

図８Ｃは、図８Ａの下面図を示しており、図８Ａのアウターリード３１２を変更した例を示す。回路パッケージ３０１の端部から突出するアウターリード３１２は、流量計測部３００面側に接続部をもつように、一部を蛇腹状に折り曲げられ、基板１０１と接続されている。図８Ｄの実施例では、アウターリード３１２がコの字のように折り曲げられて構成されており、図８Ｃに示す回路パッケージ３０１よりも更に小型化することができる。また、アウターリード３１２の曲げ形状や先端部の接続形状は、緩やかなＲ形状としてもよい。

本実施形態のような構成では、回路パッケージ３０１の更なる小型化により、ハウジング１００ないし筐体１０２のサイズを小さく構成することでき、主通路７の気体の流れを阻害しない低圧力損失の熱式流量計１を実現することができる。

図９は、本実施形態における熱式流量計の他の構成例を概念的に説明する断面図である。
本実施例の熱式流量計は、導電性材料であるアルミニウム合金製のベース１０６と、ベース１０６との間に副通路２００を形成するハウジングカバー１０７と、ベース１０６に取り付けられて副通路２００内に流量計測部３００を支持する支持体３０１とを有している。そして、流量計測部３００は、流量検出素子の検出面がベース１０６に対向配置されている。また、支持体３０１から突出するリードフレーム３１０のアウターリード３１２は、コネクタターミナル１０５に溶接点Ｓで溶接により直接接合されている。

上述の各実施例では、リードフレームを基板１０１のグランド配線に半田接続する構成について説明したが、本実施例では、図９に示すように、リードフレームをターミナル端子に溶接して直接接合した構成としているので、接続強度をより高くすることができる。そして、ワイヤーボンディングを省略することができ、部品点数の削減及び製造作業の簡素化を図ることができる。

また、上述の各実施例では、流量検出素子の検出面に対向する位置に、グランド配線３０９を有する基板１０１を配置した構成について説明したが、本実施例では、導電性材料からなるベース１０６を配置する構成とした。かかる構成とすることにより、グランド配線をめっきして形成する必要がなく、製造作業の簡素化を図ることができる。

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 熱式流量計
５ 被計測気体（流体）
７ 主通路
１００ ハウジング
１０１ 基板
１０２ 筐体
１０３ フランジ
２００ 副通路
２０１ 入口
２０２ 出口
２０３ 排出口
２０７ 分岐溝部
２０８ 副通路
２０９ 副通路
２１５ シール材
３００ 流量計測部
３０１ 回路パッケージ
３０２ 温度計測部
３０３ 圧力計測部
３０４ 湿度計測部
３０５ 電子部品
３０６ 回路部品
３０７ 接着剤
３０９ グランド配線
３１０ リードフレーム
３１１ 樹脂材
３１２ アウターリード
３１３ 換気孔
３１４ 凹部溝（ガイド部）
３１５ 傾斜部
３１６ 傾斜部

Claims (14)

1. 主通路に取り付けられる熱式流量計であって、
   前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、
   該副通路内に配置される流量検出素子と、
   該流量検出素子を支持する支持体と、
   該支持体が固定される回路基板と、を有し、
   前記支持体は、前記流量検出素子の一部と、前記流量検出素子が搭載されるリードフレームと、入出力端子の一部と、回路部品と、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージを有しており、
   前記入出力端子は、前記支持体を前記回路基板に固定する固定部を構成し、
   前記流量検出素子は、前記被計測気体の流量を検出する検出面を有し、該検出面が前記樹脂パッケージの表面から露出しており、該検出面が前記回路基板に対向して配置される熱式流量計。
2. 主通路に取り付けられる熱式流量計であって、
   前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、
   該副通路内に配置される流量検出素子と、
   該流量検出素子を支持する支持体と、
   該支持体が固定される回路基板と、を有し、
   前記支持体は、回路部品と、該回路部品が搭載されるリードフレームと、入出力端子の一部と、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージを有しており、
   前記入出力端子は、前記支持体を前記回路基板に固定する固定部を構成し、
   前記流量検出素子は、前記被計測気体の流量を検出する検出面を有し、該検出面が前記回路基板に対向して配置される熱式流量計。
3. 主通路に取り付けられる熱式流量計であって、
   前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、
   該副通路内に配置される流量検出素子と、
   該流量検出素子を支持する支持体と、
   該支持体が固定される回路基板と、を有し、
   前記流量検出素子は、回路部品が一体に形成されたものであり、
   前記支持体は、前記流量検出素子の一部と、前記流量検出素子が搭載されるリードフレームと、入出力端子の一部と、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージを有しており、 前記入出力端子は、前記支持体を前記回路基板に固定する固定部を構成し、
   前記流量検出素子は、前記被計測気体の流量を検出する検出面を有し、該検出面が前記樹脂パッケージの表面から露出しており、該検出面が前記回路基板に対向して配置される熱式流量計。
4. 主通路に取り付けられる熱式流量計であって、
   前記主通路を流れる被計測気体の一部を取り込む副通路と、
   該副通路内に配置される流量検出素子と、
   該流量検出素子を支持する支持体と、
   該支持体が固定される回路基板と、を有し、
   前記支持体は、前記流量検出素子の一部と、前記流量検出素子が搭載される導電性のリードフレームと、を樹脂材で一体に封止した樹脂パッケージを有しており、
   前記リードフレームは、前記支持体を前記回路基板に固定する固定部を構成し、
   前記流量検出素子は、前記被計測気体の流量を検出する検出面を有し、該検出面が前記回路基板に対向して配置される熱式流量計。
5. 前記支持体は、前記副通路のうち、前記回路基板との協働により形成される通路部分を、該通路部分の両端に連続する他の通路部分よりも断面積の小さい流路とするためのガイド部を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱式流量計。
6. 前記ガイド部は、前記樹脂パッケージの端部から前記流量検出素子の検出面に向かって移行するにしたがって、徐々に前記流路の断面積が狭まるように、前記回路基板に接近する方向に傾斜する傾斜部を備える請求項５に記載の熱式流量計。
7. 前記ガイド部は、前記樹脂パッケージの端部から前記流量検出素子の検出面に向かって移行するにしたがって、徐々に前記流路の断面積が狭まるように、立体的に絞られている請求項５に記載の熱式流量計。
8. 前記ガイド部は、前記検出面を間に介して対称形状ないし非対称の形状を有することを特徴とする請求項５に記載の熱式流量計。
9. 前記支持体は、前記回路基板に対する位置決めを果たす位置決め部を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱式流量計。
10. 前記位置決め部は、ダミーピンと、調整ピンと、通常使用時の信号のやり取りには用いない端子の少なくとも一つにより構成される請求項９に記載の熱式流量計。
11. 前記樹脂パッケージは、前記入出力端子を複数有しており、該複数の入出力端子が前記回路基板に半田により接続されて固定さ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熱式流量計。
12. 前記回路基板は、前記流量検出素子の検出面に対向する位置に、GND電位の配線が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱式流量計。
13. 前記GND電位の配線は、めっき保護されていることを特徴とする請求項１２に記載の熱式流量計。
14. 前記回路基板に、前記流量検出素子以外の少なくとも一つの物理センサと回路部品が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。

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