JPH07122587B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 この発明は、内燃機関の機関吸入空気流量を計測するの
に好適な流量センサに関する。

《従来技術》 従来のこの種流量センサとしては、「油圧と空気圧」第
15巻、第７号、第19頁〜22頁に記載された熱線式流量計
が知られている。

これは第６図に示す如く、バイパス流路内に小型で機械
的強度の大きい巻線型熱線プロープ20および温度プロー
プ21を配置するようなされているもので、これにより、 （１）振動、熱衝撃、バックファイヤ等の自動車独自の
使用環境に対する機械的強度の向上、 （２）小型化と高量産化、 （３）高速応答性の確保等、 が、図られるようになされている。

《発明が解決しようとする問題点》 しかしながら、上記の如き流量センサにあっては、流量
検出素子としての熱線プローブ20は、流体の通路の一部
に配置されるよう構成されているので、自動車のエンジ
ンの吸入空気のように、 （１）気筒の開閉に起因する脈動流が発生する場合、 （２）吸気通路の直線部分がスペース上の制約から充分
にとれないとともに曲り部分が多いため流速分布が常時
変動し、かつ該流速分布が非対称な分布となるような極
めて不安定な流れの場合、測定精度が極めて悪化すると
いう問題点があった。

《発明の目的》 この発明は、上位問題点に鑑み、不安定な流れを有する
流体の場合でも、精度よくその流量を検出することので
きる流量センサを提供することを目的とする。

《問題点を解決するための手段》 流体の通路に流量検出素子を配置して該流体の流量を検
出する流量センサにおいて、 上記流量検出素子はハニカム形状の開口部を有する金属
薄膜と絶縁薄膜を積層した薄膜抵抗よりなるとともに、
流体の流れ方向に略直交して全流路を覆うべく配置され
ていることを特徴とする。

《実施例の説明》 以下、車両用流量センサとして好適な本発明の実施例を
図面に基づいて説明する。

第１図（ａ）は、本発明に係る流量センサの第１の実施
例を示す断面図であり、流体通路10の流れ方向Ｒに直交
して温度センサ２および流量センサ１が設けられてい
る。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である
が、温度センサ２は、アルミナ等のセラミックスよりな
る棒状体2bの中央部表面にサーミスタ素子2aを装着して
設けられている。

また第１図（Ｃ）は、第１図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図で
あるが、流量センサ１は流体通路10の全流路を覆うべく
円形に設けられているとともに、この中央部分は流量検
出素子1aよりなるハニカム形状のセルによって構成さ
れ、このセルの空間部1cを介して流体が通過するような
されている。

また、同図において1bは流量センサ１の周辺部に設けら
れた支持体で、ダクト３を介して流量センサ１を支持す
るようなされている。

次に上記流量センサ１の製作手順を第２図に基づいて説
明する。

まず、50〜100μｍの厚さを有するニッケル、アルミニ
ウムまたは鉄係合金からなる金属箔５を製作する（同図
（ａ））。

次にこの金属箔５上に、二酸化ケイ素等の絶縁材からな
る絶縁薄膜６および白金、タングステンまたはニッケル
等の抵抗材料からなる金属薄膜７を順次スパッタリング
法により蒸着形成する（同図（ｂ））。

なお、上記金属箔５上に絶縁薄膜６を形成するには、１
〜３μｍ程度の厚みで二酸化ケイ素等よりなる絶縁材の
薄膜（図示せず）を、スパッタリング法により複数枚積
層し、これにより５〜10μｍの厚みを有する絶縁薄膜６
を形成するようなされている。

そして次に、上記金属薄膜７上に、所定の間隔をもって
導電性ペースト８を20〜50μｍの厚さで塗布する（同図
（ｃ））。

こうして、金属箔５上に絶縁薄膜６および金属薄膜７が
積層されるとともに導電性ペースト８が塗布された同図
（ｃ）に示す単位積層体50が得られると、この単位積層
体50をさらに複数個積層する（同図（ｄ））。

ところで、この場合、最上層および最下層に配置される
単位積層体50には、（ｃ）に示す如く金属薄膜７に接続
して金属箔帯状電極９が設けられ、図示しない外部電極
への出力端子となるようなされている。

そしてこの状態で、両側から矢印Ｐ方向の荷重を印加
し、所定の温度で乾燥させる。

こうして一定時間経過後、積層体50の一端を引き延ば
し、これによりハニカム形状の流量検出素子1aが得られ
る（同図（ｅ））。

次に、このハニカム形状の流量検出素子1aの周辺部に支
持体1bを挿入し（第１図（ｃ）参照）、これにより流量
センサ１ができあがることになる。

本発明に係る流量センサは上記の如く構成されている
が、次にその作用を説明する。

流量センサ１を構成する流量検出素子1aの金属薄膜層
（薄膜抵抗材）７がもつ電気抵抗は次式で与えられる。

Rw＝Rw₀（１＋αTw） （１） ここで、Twは金属薄膜層７の温度、Rw₀は基準温度例え
ば０℃における金属薄膜層７の抵抗値、αは金属薄膜層
７の抵抗温度係数である。

ところで、今この金属薄膜層７に電流ｉを供給したと
き、流速ｖの流体に伝達される熱量Ｑは次式で与えられ
る。

ここで、σは流体の密度、Ｓは金属薄膜層７の表面積、
Taは流体の温度、C₁,C₂は定数である。

したがって、今上記（２）式からも明らかな如く、 （Tw−Ta）・S/Rw の値を、流体の温度Taに依存しないように電気的に制御
すれば、電流ｉは流体の密度と流速の積、すなわち質量
流量のみに依存する関数として表わされるとともに、上
記電流ｉを求めることにより、質量流量が求まることに
なる。

なお、 （Tw−Ta）・S/Rw の値を一定にする制御方法としては、よく知られている
ように流体の温度Taを検出するセンサの信号を用いるこ
とにより種々なされる。

次に流量センサ１を構成するハニカム状の流量検出素子
1aの構造面からの作用を説明する。

流量検出素子1aは、第１図に示す如く、流体通路10の流
れ方向Ｒと直交して全流路を覆うべく設けられていると
ともに、流体の流れ方向Ｒに平行に一定の厚みを有する
よう設けられている。

ところで、エンジンの流体通路を流れる流体は、空間的
には時間的にも不安定な流れを形成しながら流れてい
る。

第３図（ａ）は、流体通路を流れる流体Ｓの空間的変動
を模式的に示したものである。

エンジンの吸気流量は、流体通路のスペース上の制約
で、通路の直線部が充分な長さをとれないとともに曲り
部が多いため、極めて流れが不安定なものとなる。

第３図（ａ）は、流れ方向と直交する断面における流体
Ｓの流速分布を経時的変化に従って図示することで、上
記空間的な流れの不安定さを示したものである。

一方、第３図（ｂ）は、流量の時間的変動を示したもの
である。

エンジンの吸気流量には、気筒の開閉時間に同期した吸
気脈動が生ずる。

この吸気脈動の大きさは、スロットル開度が大きい吸気
側と気筒側との圧力差が小さい状態になるほど大きくな
る。

第３図（ｂ）に示したものは、スロットル開度の全開時
における、各種のエンジン回転数の吸気脈動を模式的に
示したものである。

第３図（ａ），（ｂ）に示す如く、エンジンの吸気は、
時間的にも空間的にも流れの状態が常時変動していると
いう極めて不安定な流れである。

こうした不安定な流れを、平均的な流量として常時正し
く計測するためには、流れ方向に直交して流路全域を覆
うべく流量検出素子を配設することが望ましい。

そこで、本実施例では、上記の如くハニカム構造を有す
る金属薄膜素子を流体の流れに直交して流路全体を覆う
べく設けた。

これにより、流体の流れ状態が時々刻々変わる場合で
も、流体通路内の流量を精度よく検出できることにな
る。

一方、流量検出素子はハニカム状なので、セルの中空部
は開口されている。このため、検出素子による流体の圧
力損失を招くおそれもない。

ところで、流路全体に流量検出素子を設ける方法として
は、例えば白金線やタングステン線をメッシュ状に配設
させる方法が考えられる。

しかし、この方法では、線の機械的強度を確保するため
のメッシュの保持方法が困難であったり、コスト高にな
るという欠点があり、自動車用としては不適当である。

一方、第６図に示す熱線プローブ20や本実施例に示す流
量センサ１を流路の複数箇所に設け検出精度の向上を図
る方法も考えられるが、複数の検出素子を使用すること
により圧力損失の増大を招くという欠点や、空間的な流
れ変動を平均化して精度よく流量を検出するためには、
相当数の検出素子を配置する必要があり、コスト高にな
るという欠点があり、自動車用としては好ましくない。

次に、本発明の第２の実施例を第４図および第５図に基
づいて説明する。

なお、上記第１の実施例と同一部材には同一符号を付
し、その詳細説明は省略する。

この例では、流量センサ１は、円盤状の金属箔５上に絶
縁薄膜６および薄膜抵抗材としての金属薄膜７が積層し
て設けられているとともに、表面には貫通孔1Cが多数設
けられている。

そして上記貫通孔1Cは、流量センサ１の表面積に対して
３割以上の開口率をもって設けられ、流体の通過に際し
圧力損失がないよう構成されている。

第５図には、この実施例における流量センサ１の製作手
順が示されているが、使用される材料や厚みは第１の実
施例と同様である。

すなわち、この例では、まず円盤上の金属箔５を製作す
るとともに、円形貫通孔1Cをエッチング法により多数設
ける（同図（ａ））。

次に、この金属箔５上に、絶縁薄膜６（図示せず）およ
び金属薄膜７を順次スパッタリング法により積層形成す
るとともにさらに外周部にはニッケルよりなる一対の電
極部金属薄膜9A、9Aを積層する。また、同時に貫通孔1c
の設けられる該当箇所はエッチング法により貫通させる
（同図（ｂ））。

そして、金属箔帯状電極9A、9A上にはハンダ付により金
属箔帯状電極9,9を設ける（同図（ｃ））。

そして、最後に周辺部に支持体1bを取付け、本例におけ
る流量センサ１ができあがることになる（同図
（ｄ））。

本発明の第２の実施例は上記の如く、流路に直交して流
量センサ１を設けるとともに、この流量センサ１には流
体の流れを円滑にするための多数の貫通孔1Cを設けるよ
うなされている。

このため、流れの状態が常時変化している流体の流量を
その圧力損失を招くことなく精度よく検出することがで
きることになる。

《発明の効果》 本発明に係る流量センサは、上記のごとく、流量検出素
子はハニカム形状の開口部を有する金属薄膜と絶縁薄膜
を積層した薄膜抵抗材よりなるとともに、流体の流れ方
向に略直交して全流路を覆うべく配置されている。

このため、流体の通過に対して圧力損失を招くことはな
く、不安定な流れを有する流体の場合でも、精度よくそ
の流量を検出することができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流量センサの第１の実施例の断面
図、第２図は第１の実施例の製作手順説明図、第３図は
流体の流れの変動を示す説明図、第４図は本発明の第２
の実施例の断面図、第５図は第２の実施例の製作手順説
明図、第６図は従来例における流量センサの説明図であ
る。 １……流量センサ 1a……流量検出素子 ２……温度センサ 2a……サーミスタ素子 ５……金属箔 ６……絶縁薄膜 ７……金属薄膜 ９……金属箔帯状電極 10……流体通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の通路に流量検出素子を配置して該流
   体の流量を検出する流量センサにおいて、 上記流量検出素子はハニカム形状の開口部を有する金属
   薄膜と絶縁薄膜を積層した薄膜抵抗材よりなるととも
   に、流体の流れ方向に略直交して全流路を覆うべく配置
   されていることを特徴とする流量センサ。