JPH0758212B2 - 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、流体通路を流れる気体等の流量、例えば内
燃機関における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、例えば第７図に示す
ように、バイパス流路内に小型で機械的強度の大きい巻
線型熱線プローブ120および温度プローブ121を配置する
ようにしたものがある。しかし、これによれば流量検出
素子としての熱線プローブ120が流体の通路の一部に配
置されているので、自動車のエンジンの吸入空気量を計
測する場合、次のような問題がある。

すなわち、気筒の開閉に起因する脈動流が発生するた
め、計測精度が低下する。また、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、流速分布のパターンが常時変動し、かつ該
流速分布のパターンが流体通路の流れ方向の中心軸に対
し非対称な曲線となり、これがため極めて不安定な流れ
となり、外乱要因となる。

こうした時間的および空間的に流れが変動する不安定な
流れを精度よく計測することを目的として、本出願人は
先に特願昭63−119041号として第８図に示す新しい流量
センサ31を出願した。

この流量センサ31は、その中央部分に金属箔製の流量検
出素子31aよりなるハニカム形状のセルを有し、このセ
ルの空間部31cを介して流体が通過するようになってお
り、周辺部には支持体31bが設けられている。

《発明が解決しようとする問題点》 しかしながら、このような流量センサにあっては、金属
箔からなるハニカム状の流量検出素子であったため、自
動車のエンジンルームという振動環境の苛酷な状況下で
使用するには、充分な機械的強度を有しない。また、金
属箔にスパッタリングによって絶縁層および抵抗層を形
成し、これをハニカム構造体に形成するという複雑な工
程を経なければならず、製造コストが高くなるという問
題点があった。

この発明は、このような問題点に着目してなされたもの
で、機械的強度に優れ製作が容易な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》 この目的を達成するため本発明は、流量センサの流量検
出素子を径の異なる複数の同心状の筒体より構成し、こ
の筒体の内側、外側の少なくとも一つに、検出素子面と
なる薄膜抵抗層部を形成し、筒体の軸方向が流体の流れ
方向と一致するよう筒体を配置したことを特徴とする。

この発明において、筒体の横断面形状は流体の通路断面
形状と対応するもので、例えば円形、だ円形および角形
等が含まれる。筒体には金属材料からなる上記抵抗層部
が直接または間接的に形成される。

この場合、上記抵抗層部を筒体の内周面もしくは外周面
に直接形成するか、あるいは複数の同心構造の筒体の間
に、断面形状が波形であって筒状に形成されたバネ部材
を配置し、このバネ部材の表面に上記抵抗層部を形成す
ればよい。

流量センサを設置するときは、流量検出素子が流体の流
れ方向に略直交して全流路を覆うように配置し、これに
より検出効率を高める。

《作用》 本発明における流量検出素子は、同心状の筒構造体から
なっているため、機能面では空間的な流れ変動を平均化
することができる一方、構造面では機械的強度が大きく
振動環境の苛酷な条件下に耐えられるようになる。ま
た、製作面では筒体に薄膜抵抗層を直接または間接的に
湿式法によって容易に形成することができ、安価に量産
可能となる。

《実施例》 以下、この発明を図面に基づいて説明する。

この発明の一実施例を第１図により説明すると、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。温度センサ２は、アルミナ等
からなるセラミックスの棒状体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。

第２図は第１図のII−II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、この内側部分は複数の流量検出素子1bより
なる断面波形状の円筒状セル（５）によって構成されて
いる。このセル（５）の空間部1cを介して流体が通過す
るようになされている。また、流量検出素子1bは、同心
円筒状の保持体1aの間隙に圧入されることによって、流
体通路10中に固設されている。

次に、上記流量センサ１の製作手順を第３図に基づいて
説明する。

まず、0.3〜0.5mm程度の板厚を有するリン青銅板等のバ
ネ材を用いて、断面が波形の筒形状セル５を製作する
（第３図ａ）。

次に、アルミナ等のセラミックスの微粒子を有機溶媒と
ガラス質とで分散させてペーストとし、このペーストを
スクリーン印刷法によって、セル５上の所定位置に所定
形状で10〜20μｍの厚さとなるよう塗布する。この後、
予め決めた温度と時間との関係に基づいて、乾燥および
焼付けを行い、絶縁層６を形成する（同図ｂ）。

さらに、白金などの金属粉体を有機溶媒とガラス質とで
分散させてペーストとし、このペーストを前述と同じよ
うにスクリーン印刷法によって上記絶縁層６上の所定位
置に所定形状で10μｍ程度の厚さとなるよう塗布する。

この後、この金属ペースト材を、予め決めた温度と時間
との関係に基づいて乾燥および焼付けを行い、厚みが0.
2〜0.5μｍ程度の薄膜層７を形成する（同図ｃ）。

このようにして得られたセル５を、第２図に示すように
同心円筒の複数の保持体1aの間隙に圧入する。なお、保
持体1aはプラスチック材やあるいはアルミニウムなどの
金属材料で製作されている。

ところで、この場合セル５と他のセル５との金属的接続
は、図示しない別の金属箔帯状の電極で金属薄膜層７を
介して接続されているとともに、図示しない外部の出力
端子とも接続されている。

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1b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を構成する断面波形の流量検出素子
1bの構造面からの作用を説明する。

流量検出素子1b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
ように設けられている。

ところで、エンジンの流体通路10を流れる流体は、空間
的にも時間的にも不安定な流れを形成しながら流れてい
る。

第４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。

また第４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４図（ｂ）は、流量の時間的変動を示したもの
であって、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。

また第４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。

したがって、第４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、上記の如く流体の通路断面が波
形の形状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ものであり、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、流量検出素子は断面波形状なので、セルの中空部
は開口されている。このため、該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、流路全体に流路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。

この点、本実施例では断面が波形状の流量検出素子を用
いているので、比較的容易に機械的強度を確保できる。

第５図（ａ）は、本発明の他の実施例に係る流量センサ
の断面図であって、流体通路10内の流れ方向Ｒに直交し
て温度センサ２および流量センサ11が設けられている。

第５図（ｂ）は、第５図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であっ
て、温度センサ２は第１図と同様に、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。このサーミスタ素子2a
は、有機溶媒等で分散したサーミスタ機能を有するセラ
ミックス材を塗布した後、乾燥および焼付けによって上
記棒状体2bの所定位置に所定形状で形成されている。

また第５図（ｃ）は、第５図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図で
あって、流量センサ11は流体通路10の全流路を覆うべく
断面円形に設けられているとともに、この内側部分は、
流量検出素子11bを有する複数個の同心構造の円筒管11a
によって構成され、この円筒管11aの空間部11eを介して
流体が通過するようになされている。

さらに同図において11dは、流量センサ11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11を支
持するようになされている。

また11cは、流量センサ11を構成する複数の同心状円筒
管11aを連結し、これを支持体11dに結合する流量センサ
11の連結棒であり、ここでは金属からなる棒状体が使用
されている。

さらにまた第５図（ｄ）は、流量センサ11の構成を示す
説明図であり、円筒管11aの表面に絶縁層11b−１が形成
され、さらにこの上に抵抗層11b−２が形成されてい
る。こうした抵抗層11b−２は、円筒管11aの流れ方向に
ついて少なくともその中央位置より後流側、すなわち下
流側に形成されており、円筒管11aにより多少の整流効
果を発生させるようにしている。

なお、この円筒管11aは、ここでは金属からなる薄肉の
円筒管部材が使用されている。

次に、上記流量センサ11の製作手順を第６図に基づいて
説明する。

まず、1mm程度の厚さを有するアルミニウムや鉄系合金
からなる薄肉の金属円筒管11aを製作する（第６図
（ａ））。

次に、この円筒管11a上にアルミナ等の絶縁材料からな
る絶縁層11b−１を形成する。これは有機溶媒等を媒体
として、アルミナ等の絶縁材料の微粒子を分散したペー
ストを用い、これを第６図（ｂ）に示すような所定位置
に所定形状になるように、スクリーン印刷法によって10
〜20μｍ程度の厚さの膜を塗布する。この後、所定の時
間と温度の条件下に乾燥および焼付けを行い、アルミナ
等よりなる厚さ２〜５μｍ程度の厚膜を形成する（同図
（ｂ））。

次に、この上に絶縁層11b−１を形成したのと同じ方法
で、抵抗層11b−２を形成する。この抵抗層11b−２は、
白金等の金属材料の粉末を有機溶媒等の媒体によって分
散させたペーストであって、このペーストをスクリーン
印刷法によって10μｍ程度の厚さの膜になるように塗布
する。

この後、乾燥および焼付けによって0.2〜1.0μｍ程度の
厚さの金属薄膜による抵抗層11b−２を形成する（同図
（ｃ））。

そして次に、予め円筒管11aに設けられた貫通孔（図示
せず）を介して金属製連結棒12を円筒管11aに挿入し、
前記抵抗層11b−２と連結棒12との接触部に導電ペース
トを塗布し乾燥させ、金属抵抗層11b−２を電気的に接
続する。この場合、連結棒12の上端および下端は、図示
しない外部電極への出力端子となるようにされている。

次に、この連結棒12の上端および下端に、プラスチック
材からなるセンサ支持体11dを挿入し、製品としての流
量センサ11が最終的に作成されることになる。

本実施例に係る流量センサは、上記の如く構成されてい
るが、その作用は上記実施例と同様である。

すなわち、本実施例では、上記の如く複数の円筒構造を
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、流量検出素子は円筒状なので、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。

また、所要厚さの円筒構造を採用しているので、機械的
強度を確保するための保持方法も容易であり、コスト低
減を図ることができる。その他の利点は前記実施例と同
様の効果を有することは勿論である。

《発明の効果》 以上説明してきたように、この発明によれば、下記のよ
うな優れた効果を有する。

筒体上に抵抗層を担持させた構造であるため、機械的
強度が向上し、例えば振動の環境が苛酷である場所、例
えばエンジンの振動を直接に受ける自動車のエンジンル
ームであっても長期にわたって使用することが可能であ
る。

また、ハニカム構造体に比べて筒体なので流量センサ
自体の構造が大幅に簡素化される。

しかも、流量検出素子が湿式法による薄膜素子として
製作できるため、コスト低減が図れる。

さらに、スクリーン印刷法を採用できるため、絶縁層
および抵抗薄膜層部分の形状精度が高く、膜の特性偏差
が少なくなる。

流体の流れ方向に略直交して全流路を覆うよう流量検
出素子を配置するため、不安定な流れを有する流体を測
定対象とした場合でも、流れ変動を平均化して精度よく
流量検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る流量センサを示す断面
図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図（ａ）〜
（ｃ）は第１図の流量センサの製作工程図、第４図
（ａ）は流体の流れの変動を説明する流体変動分布図、
第４図（ｂ）は同流体の流量−時間特性図、第５図
（ａ）は本発明の他の実施例に係る流量センサを示す断
面図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、
第５図（ｃ）は第５図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、第５図
（ｄ）は第５図（ａ）の流量センサの要部を示す拡大斜
視図、第６図（ａ）〜（ｄ）は第５図（ａ）の流量セン
サの製作工程図、第７図は流量センサが設置されるバイ
パス流路を示す断面図、第８図は従来の流量センサを示
す断面図である。 1,11……流量センサ 1b,11b……流量検出素子 1a,11a……円筒状保持体（筒体） ２……温度センサ 7,11b−２……金属薄膜層（抵抗層部） 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、径の異なる複数の同心状筒体をそ
   の軸方向が流体の流れ方向と平行となるように配置し、
   かつ前記筒体に薄膜抵抗層部を設けたことを特徴とする
   流量センサ。