JPH1077874A - 流体の流れ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車エンジンのシリンダー内に吸入される
空気量の検出を正確に行うことができなかった。 【解決手段】 半導体基板に第１、第２及び第３の熱検
知素子１８、１９、２０とヒータ２１とを設ける。第１
及び第２の熱検知素子１８、１９を空気の流れ方向にお
けるヒータ２１の一方の側と他方の側に分けて配置す
る。ヒータ２１の温度は一定になるように第３の熱検知
素子２０の出力に基づいて帰還制御する。第１及び第２
の熱検知素子１８、１９の温度差に基づいて空気の流れ
の方向を検出する。空気量はヒータ２１に対する供給電
力量に基づいて検出する。この空気量を空気の流れ方向
の出力で補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車エンジンのシリン
ダーに吸入される空気の流れを検出するために好適な流
体の流れ検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンのシリンダー内に吸入さ
れる空気量を検出するための流体の流れ検出装置とし
て、図１のようにヒートレジスタを使用した検出装置は
公知である。図１の検出装置は、円筒状のボディ部（吸
気管）１内にインターダクト２を介してヒートレジスタ
（ヒ−タ）３が配置された構造となっている。ボディ部
１の開口部４側から吸入された空気はネット５で整流さ
れた後にヒートレジスタ３を冷却する。ヒートレジスタ
３には、図示は省略しているが、帰還制御によって温度
が一定となるように外部より電力が供給されている。従
って、吸入空気量（風速×空気密度×吸気管断面積）は
外部から供給される電力量を測定することにより検出す
ることができる。この検出装置で検出された空気量はコ
ンピュータに送られ、エンジン制御に利用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の検出
装置では、エンジンスタート時にはヒートレジスタ３が
十分に加熱されるまでに比較的長い時間を要するため、
この間は空気の吸入量を正確に検出することができな
い。ヒートレジスタ３の加熱を速やかに行うためには、
ヒートレジスタ３の寸法、特に厚みを減少する必要があ
るが、機械的な強度を考慮すると１５０μｍ程度が限度
である。また、ヒートレジスタ３付近での一時的な空気
の逆流による空気の振動が生ずると吸入空気量の検出に
誤差が生ずるという欠点もあった。

【０００４】そこで、本願発明は、上述のような欠点を
解決することができる流体の流れ検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、ヒータと、前記ヒータの一方の側に配置さ
れた第１の熱検知素子と、前記ヒータの前記一方の側と
は反対の他方の側に配置された第２の熱検知素子とを有
し、前記ヒータの一方の側から前記ヒータの他方の側に
向う流体の第１の流れ方向と前記ヒータの他方の側から
前記ヒータの一方の側に向う第２の流れ方向とを前記第
１及び第２の熱検知素子の出力に基づいて検出するよう
に構成された流体の流れ検出装置に係わるものである。
なお、請求項２に示すように、ヒータの温度を検知する
ための第３の熱検知素子を設け、これを使用してヒータ
の温度を一定にするように帰還制御し、ヒータの供給電
力に基づいて流量を求めることができる。また、請求項
３に示すように、ヒータ、第１及び第２の熱検知素子を
半導体基板に形成することができる。

【０００６】

【発明の作用及び効果】各請求項の発明によれば、第１
及び第２の熱検知素子の出力に基づいて流体の流れ方向
を検出することができる。即ち、第１及び第２の熱検知
素子はヒータの一方の側と他方の側とに分けて配置され
ている。従って、ある温度の流体が第１の熱検知素子、
ヒータ、第２の熱検知素子の順の第１の方向に流れる
と、第２の熱検知素子はヒータで加熱された流体の温度
を検知することになり、第１の熱検知素子よりも高い温
度を示す出力を発生する。逆に、第２の熱検知素子、ヒ
ータ、第１の熱検知素子の順の第２の方向に流れると、
第１の熱検知素子は第２の熱検知素子よりも高い温度を
示す出力を発生する。この結果、流体の流れ方向を容易
に検出することが可能になる。また、請求項２の発明に
よれば、流量と流れ方向との両方を容易に検出すること
ができる。また、請求項３の発明によれば、半導体基板
にヒータ、少なくとも第１及び第２の熱検知素子を形成
するので、周知の半導体の微細加工技術（エッチング
等）によって十分に薄く形成することができ、ヒータ、
第１及び第２の熱検知素子の熱容量を十分に小さくする
ことができ、流れ方向、流量の測定を迅速に開始するこ
とが可能になる。

【０００７】

【実施例】次に、図２〜図６を参照して本発明の実施例
に係わる自動車エンジンのシリンダー内に吸入される空
気量及び流れ方向を検出するための流体の流れ検出装置
を説明する。

【０００８】流れ検出装置のセンサ部１０は、図２に示
すように、流れ検出用素子又はセンサチップとしての集
積化半導体チップ１１と、パイレックスガラスから成る
台座１２と、外部リード１３と、Ａｕワイヤ１４と、上
カバー１５及び下カバー１６から構成されるカバー１７
とから成る。

【０００９】集積化半導体チップ１１は、図３及び図４
から明らかなように第１、第２及び第３の熱検知素子１
８、１９、２０とヒータ２１とを含む。この半導体チッ
プ１１を更に詳しく説明すると、第１〜第３の熱検知素
子１８〜２０及びヒータ２１はシリコン半導体基板２２
に形成された半導体素子によって形成されている。半導
体基板２２は中央に薄板領域（肉薄領域又はダイアフラ
ム領域）２３を有し、この薄板領域２３を囲むようにこ
れよりも厚い肉厚領域２４を有し、中央下面に凹部が形
成されている。肉厚領域２４は薄板領域２３の機械的補
強機能を有し、台座１２に対して接合材（図示せず）で
固着されている。

【００１０】第１、第２及び第３の熱検知素子１８、、
１９、２０はＰＮ接合ダイオードであって、半導体基板
は２２のＰ形領域２５の中に不純物拡散によって形成さ
れたＮ形領域１８ａ、１９ａ、２０ａとＰ形領域１８
ｂ、１９ｂ、２０ｂとから成る。ヒータ２１は抵抗素子
であって、Ｐ形領域２５に不純物拡散で形成されたＮ形
領域２１ａから成る。

【００１１】図４に示すように半導体基板２２の上面に
は絶縁膜２６が設けられており、ここに開口が形成され
ており、第１〜第３の熱検知素子１８〜２０及びヒータ
２１の各半導体領域に接続された電極（図示せず）が設
けられている。また、絶縁膜２６の上には図３に示す端
子２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４が
設けられており、各端子２７〜３４は配線導体３５によ
って各素子の電極に接続されている。なお、図３では図
面を簡略化するために図４に示した絶縁膜２６が省か
れ、また配線導体３５が一本の線で示されている。

【００１２】センサチップとしての半導体チップ１１を
支持している台座１２は板状に形成されており、中央部
分に貫通孔１２ａが設けられている。この貫通孔１２ａ
は半導体基板２２の薄板領域２３に対向しており、後述
の外部リード１３のマウント部１３ａに隣接する空間３
６と下カバー１６に設けられた貫通孔１６ａに通じて、
半導体チップ１１の下面と台座１２の間の空間を素子外
部雰囲気につなげて、この空間に空気を閉じ込めないよ
うにするために設けられたものである。なお、もし空間
内に空気が閉じ込められると温度変化により空気が膨
張、収縮し特性変動をきたす虞れがあるが、本実施例で
はこれが防止されている。外部リード１３は、チップ１
１を支持している台座１２を固着するためのマウント部
１３ａと外部導出リード部１３ｂから構成されている。
台座１２は接着剤１２ａによってマウント部１３ａに固
着されている。外部リード１３は複数本設けられてお
り、各外部リードの外部導出リード部１３ｂとチップ１
１の端子２７〜３４との間はワイヤ１４によって周知の
ワイヤボンディング法で接続されている。絶縁物質から
成る上カバー１５は空気を流すための空気ガイド溝３７
を有している。空気ガイド溝３７は、チップ１１の少な
くとも薄板領域２３を外部に露出させるように空気の流
れ方向の一方から他方に延伸しており、図５から明らか
なように上カバー１５の一方の側面から他方の側面まで
達している。絶縁物質から成る下カバー１６には、前述
のように、貫通孔１６ａが設けられている。なお、外部
リード１３はリードフレームを切断することによって形
成されている。

【００１３】センサチップ即ち半導体チップ１１は、図
３に示すように流れ方向検出回路３８、ヒータ温度検出
回路３９及びヒータ制御駆動回路４０に接続されてい
る。ヒータ制御駆動回路４０には電力供給量検出手段４
１が接続されている。空気量補正手段４２には流れ方向
検出回路３８と電力供給量検出手段４１が接続されてい
る。

【００１４】流れ方向検出回路３８は第１及び第２の熱
検出素子１８、１９に接続されており、図３のＡ−Ａ線
に沿って矢印４３で示す第１の方向に空気が流れている
か、矢印４４で示す第１の方向とは逆の第２の方向に流
れているかを検出するものである。第１〜第３の熱検知
素子１８、１９、２０はＰＮ接合ダイオードであるの
で、この順方向電圧Ｖf の値はその温度Ｔによって変化
する。順方向電圧Ｖf の温度係数は約−２．２ｍＶ／℃
である。従って、第１〜第３の熱検知素子１８、１９、
２０としてのダイオードの順方向電圧を検出するとその
温度を知ることができる。そこで、流れ方向検出回路３
８は第１及び第２の熱検知素子１８、１９としての２つ
のダイオードの順方向電圧検出回路と２つのダイオード
順方向電圧検出回路の出力の大小を比較して方向を判定
する手段とを含む。この実施例では図３のＡ−Ａ線上に
第１の熱検知素子１８とヒータ２１と第２の熱検知素子
１９とが順次に配置されている。ヒータ２１は空気を暖
めるので、第１及び第２の熱検知素子１８、１９の内で
風下になった方の素子の温度が風上になった方の素子の
温度よりも高くなる。第１及び第２の熱検知素子１８、
１９の温度をＴ1 、Ｔ2 とすれば、Ｔ1 ＜Ｔ2 の時には
矢印４３で示すように空気は図３で左から右に流れてい
ることになり、Ｔ1 ＞Ｔ2 の時には矢印４４で示すよう
に空気は図３で右から左に流れていることになる。な
お、第１及び第２の熱検知素子１８、１９のダイオード
の順方向電圧をＶf1、Ｖf2とすれば、Ｖf1＞Ｖf2の時に
矢印４３で示す第１の方向の流れであり、Ｖf1＜Ｖf2の
時に矢印４４で示す第２の方向の流れである。従って、
流れ方向検出回路３８における流れ方向判定手段は、Ｖ
f1とＶf2とを比較し、Ｖf1＞Ｖf2の時に第１の流れ方向
を示す出力、Ｖf1＜Ｖf2の時に第２の流れ方向を示す出
力を空気量補正手段４２に送る。

【００１５】第３の熱検知素子２０は、ヒータ２１に接
近配置されている。この第３の熱検知素子２０に接続さ
れた温度検出回路３９は、第３の熱検知素子２０として
のダイオードの順方向電圧Ｖf を測定し、これに基づい
てヒータ２１の温度を示す信号を出力する。このヒータ
２１の温度はヒータの帰還制御に使用される。

【００１６】ヒータ温度検出回路３９とヒータ２１との
間に接続されたヒータ制御駆動回路４０は、ヒータ２１
の温度を一定値に保つようにヒータ２１に対する供給電
力を自動制御即ちフィードバック制御するものである。
ヒータ２１上に空気を流すとヒータ２１は空気によって
冷却される。空気の流れによってヒータ２１から奪われ
る熱量は風速及び空気密度に依存する。空気通路を流れ
る空気量は次式で示すことができる。 空気量＝空気通路断面積×風速×空気密度 従って、ヒータ２１から奪われる熱量によって空気量を
知ることができる。ヒータ２１の温度は一定に制御され
ているので、ヒータ２１から奪われる熱量はヒータ２１
に対する供給電力量によって検出することができる。ヒ
ータ制御駆動回路４０に接続された電力供給量検出手段
４１は、ヒータ２１に対する電力供給量を検出し、この
電力供給量に基づいて空気量を示す出力を発生する。

【００１７】空気の流れが常に矢印４３で示す第１の流
れ方向であれば、電力供給量検出手段４１で得た電力供
給量即ち空気量をそのままエンジンの吸気制御データと
して使用することができる。即ち、エンジンの吸入され
る酸素量は、ほぼ次式で求められる。 酸素量＝吸入空気量×２１％ しかし、流れ検出装置１０の付近で一時的に空気の逆流
が生じ、空気の振動が生じることがある。ヒータ２１は
空気の流れの方向に関係なく冷却されるので、この時の
ヒータ２１への電力供給量のみに基づいて空気量を決定
すると誤差が発生する。図３の空気量補正手段４２は上
記誤差を補正するために設けられている。

【００１８】流れ検出装置１０は、図６に原理的に示す
ように、少なくとも空気ガイド溝３７が空気通路を形成
する吸入管１の内部に位置し、空気ガイド溝３７の長手
方向即ち延伸方向が吸入管１の空気吸入方向に合致する
ように配置されている。従って、吸入管１の中の空気は
半導体基板２２の薄板領域２３の上方を流れる。なお、
流れ検出装置１０の全体を吸入管１の中に配置すること
もできる。但し、流れ検出装置１０は吸入管１の内の空
気の流れに出来るだけ逆らわないように配置する。

【００１９】本実施例の流れ検出装置１０は次の利点を
有する。 （イ） 第１及び第２の熱検知素子１８、１９によって
空気の流れ方向を容易に検出することができる。 （ロ） １つの半導体基板２２に第１〜第３の熱検知素
子１８〜２０とヒータ２１とを設けるので、センサの小
型化、低コスト化を達成することができる。 （ハ） 従来のヒートレジスタでは、機械的強度等を考
慮するとその厚みは薄くするにしても１５０μｍ程度が
限度であり、熱容量を十分に小さくすることが困難であ
った。これに対して、本実施例では、半導体基板２２に
薄板領域２３を設け、ここにヒータ２１等を設けてい
る。半導体の周知の微細加工技術（エッチング技術等）
を利用すれば、薄板領域２３の厚さを１０数μｍ程度ま
でにすることが可能である。このため、ヒータ２１の熱
容量を十分に小さくすることができ、エンジンスタート
時等にもヒータ２１を速やかに所望の温度に加熱するこ
とができ、この間の空気吸入量の検出を正確に行うこと
ができる。 （ニ） 空気の流れ方向を検出し、空気の逆流による強
い空気の振動が生じた場合には、空気吸入量の測定値を
逆流時に補正するので、正確な空気吸入量の検出が可能
である。 （ホ） 半導体基板２２には肉厚領域２４が設けられて
いるので、半導体チップ１１の機械的強度が比較的大き
い。

【００２０】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第１〜第３の熱検知素子による温度検出を、Ｐ
Ｎ接合ダイオードの順方向電圧に基づいて検出する代り
に、温度による逆方向電圧の変化に基づいて検出するこ
と、又はダイオードの順方向又は逆方向の印加電圧を一
定にし、この時のダイオード電流の増減に基づいて温度
を検知することができる。 （２） 第１〜第３の熱検知素子１８〜２０をＰＮＰト
ランジスタのコレクタ・ベース間を短絡し、ベース・エ
ミッタ間のＰＮ接合をダイオードとした構成の素子とす
ることができる。また、第１〜第３の熱検知素子１８〜
２０を半導体抵抗とし、温度によるこの抵抗値の変化を
検出して温度を検知するように構成することができる。
また、第１〜第３の熱検知素子１８〜２０を半導体素子
以外の感熱素子によって構成することもできる。 （３） ヒータ２１を半導体抵抗とせずに、ｎｐｎ又は
ｐｎｐ型トランジスタとし、このトランジスタに電流を
流すことによってトランジスタを発熱体とすることがで
きる。同様にヒータ２１をダイオードで構成することも
できる。 （４） ヒータ２１の温度制御のための温度検出を第３
の熱検知素子２０を使用して検出する代りに、第１及び
第２の熱検知素子１８、１９のいずれか一方又は両方を
使用して行うこともできる。 （５） 空気以外の流体の流れ検出にも本発明を適用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の流れ検出装置を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例に係わる流れ検出装置の縦断面
図である。

【図３】実施例の流れ検出装置の半導体チップの平面と
ここに接続された回路のブロックとを示す図である。

【図４】図３の半導体チップのＡ−Ａ線断面を原理的に
示す断面図である。

【図５】図２のＢ−Ｂ線の拡大断面図である。

【図６】図２の流れ検出装置を空気吸入管に配置した状
態を示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 半導体チップ １８、１９、２０ 第１、第２及び第３の熱検知素子 ２１ ヒータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータと、 前記ヒータの一方の側に配置された第１の熱検知素子
   と、 前記ヒータの前記一方の側とは反対の他方の側に配置さ
   れた第２の熱検知素子とを有し、前記ヒータの一方の側
   から前記ヒータの他方の側に向う流体の第１の流れ方向
   と前記ヒータの他方の側から前記ヒータの一方の側に向
   う第２の流れ方向とを前記第１及び第２の熱検知素子の
   出力に基づいて検出するように構成された流体の流れ検
   出装置。
2. 【請求項２】 流体の通路に配置されるヒータと、 前記流体の通路において前記ヒータの一方の側となるよ
   うに配置された第１の熱検知素子と、 前記流体の通路において前記ヒータの他方の側となるよ
   うに配置された第２の熱検知素子と、 前記ヒータの温度を検知する第３の熱検知素子と、 前記第３の熱検知素子によって検知された温度を一定に
   するように前記ヒータへの供給電力を帰還制御する制御
   手段と、 前記供給電力に基づいて前記流体通路における流体の流
   量を求める流量検出手段と、 前記ヒータの一方の側から前記ヒータの他方の側に向う
   流体の第１の流れ方向と前記ヒータの他方の側から前記
   ヒータの一方の側に向う第２の流れ方向とを前記第１及
   び第２の熱検知素子の出力に基づいて検出する手段とを
   備えた流体の流れ検出装置。
3. 【請求項３】 前記ヒータは半導体基板に形成された単
   一又は複数の半導体領域から成る半導体ヒータであり、
   前記第１及び第２の熱検知素子は前記半導体基板に形成
   されたＰＮ接合ダイオードであることを特徴とする請求
   項１又は２記載の流体の流れ検出装置。