JPH11230802A

JPH11230802A - 熱式空気流量素子及び熱式空気流量計

Info

Publication number: JPH11230802A
Application number: JP2957298A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Yamada; 雅通山田; Kaoru Uchiyama; 内山　　薫; Izumi Watanabe; 渡辺　　泉; Keiichi Nakada; 圭一中田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、汚損の影響を受けることな
く、計測精度の向上した熱式空気流量素子及び熱式空気
流量計を提供することにある。【解決手段】熱式空気流量素子１００は、空洞部１１２
を有する半導体基板１１０の上に電気絶縁膜１５０を介
して形成された発熱抵抗体１２０を備えている。発熱抵
抗体１２０の上は、保護膜で保護されている。保護膜１
６０の上には、光触媒薄膜１７０が形成される。発光手
段１８０からの光によって、光触媒薄膜１７０の触媒作
用が活性化され、付着した汚染物質が除去される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量素子
及び熱式空気流量計に係り、特に、内燃機関の吸入空気
量を測定するのに好適な熱式空気流量素子及び熱式空気
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車などの内燃機関の吸入
通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量計とし
ては、熱式のものが、質量空気量を直接検知できること
から主流となってきている。熱式空気流量計によって検
出された空気流量信号を用いて、内燃機関の電子制御燃
料噴射装置は、燃料噴射量を制御している。

【０００３】熱式空気流量素子としては、例えば、特表
平３ー５０２９６６号公報に記載されているように、半
導体基板上に、半導体マイクロマシニング技術により製
造された空気流量素子が、コストが低減でき且つ低電力
で駆動することが出来ることから注目されている。

【０００４】半導体基板を用いた熱式空気流量素子は、
半導体基板に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体と測温抵抗
体を形成し、これら抵抗体の表面を保護膜で覆うととも
に、発熱抵抗体と測温抵抗体が形成された領域の下側の
半導体基板に空洞を形成するようにして構成されてい
る。熱式空気流量素子は、被測定空気流の空気温度を測
温抵抗体により計測し、計測された空気温度より発熱抵
抗体の温度が一定温度高くなるように加熱電流が供給さ
れ、発熱抵抗体の近傍に配置された他の測温抵抗体によ
り空気流の冷却効果による温度勾配の変化を検出するこ
とにより空気流量を計測する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電気絶
縁膜と、発熱抵抗体及び測温抵抗体と、保護膜とによっ
て構成された従来の半導体基板を用いた熱式空気流量素
子においては、素子の厚さが約２μｍと薄く構成されて
いるため、自動車の内燃機関の様に過酷な環境に適用し
た場合、空気流に含まれる水分，油分，ダスト等が保護
膜表面に付着すると熱容量が大きくなり、かかる汚損の
影響を受けやすく、計測精度が低下するという問題があ
った。

【０００６】本発明の目的は、汚損の影響を受けること
なく、計測精度の向上した熱式空気流量素子及び熱式空
気流量計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、空洞部を有する半導体基板と、こ
の基板上に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体
と、この発熱抵抗体の上に形成された保護膜とを有する
熱式空気流量素子において、上記保護膜の上であって、
上記空洞部の上の領域に形成された光触媒薄膜を備える
ようにしたものである。かかる構成により、光触媒薄膜
の上に付着した汚染物質は、光触媒薄膜の触媒作用によ
り除去され、計測精度を向上し得るものとなる。

【０００８】（２）上記目的を達成するために、本発明
は、空洞部を有する半導体基板と、この基板上に電気絶
縁膜を介して形成された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体
の上に形成された保護膜とから構成される熱式空気流量
素子を空気流通通路に配置した熱式空気流量計におい
て、上記熱式空気流量素子は、上記保護膜の上であっ
て、上記空洞部の上の領域に形成された光触媒薄膜を備
え、さらに、上記光触媒薄膜に光を照射する発光手段を
備えるようにしたものである。かかる構成により、発光
手段からの発光により、光触媒薄膜の触媒作用が活性化
され、光触媒薄膜の上に付着した汚染物質は、光触媒薄
膜の活性化作用により除去され、計測精度を向上し得る
ものとなる。

【０００９】（３）上記（２）において、好ましくは、
上記光触媒薄膜は、二酸化チタンを主体とする薄膜によ
って形成するようにしたものである。かかる構成によ
り、光触媒薄膜として、二酸化チタンを用いることによ
り、光触媒作用が強く、付着した汚染物質を効果的に除
去し得るものとなる。

【００１０】（４）上記（３）において、好ましくは、
上記発光手段は、ｐｎ接合型の窒化ガリウム系半導体か
らなる発光ダイオードとしたものである。発光手段とし
て、ｐｎ接合型の窒化ガリウム系半導体からなる発光ダ
イオードを用いることにより、発光効率が高く、光触媒
薄膜をさらに活性化して、汚染物質を効果的に除去し得
るものとなる。

【００１１】（５）上記（２）において、好ましくは、
上記発光手段は、空気流通通路の内壁埋め込まれた構造
としたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図６を用いて、本発
明の一実施形態による熱式空気流量素子を用いた熱式空
気流量計の構成について説明する。最初に、図１及び図
２を用いて、本実施形態による熱式空気流量素子の構成
について説明する。図１は、本発明の一実施形態による
熱式空気流量素子の平面図であり、図２は、図１のＡ−
Ａ’断面図である。

【００１３】本実施形態による熱式空気流量素子１００
は、シリコン基板１１０の上に形成された上流側発熱抵
抗体１２０Ａと、下流側発熱抵抗体１２０Ｂと、測温抵
抗体１２０Ｃと、空気温度測温抵抗体１２０Ｄとを備え
ている。上流側発熱抵抗体１２０Ａは、吸入空気流Ａｉ
ｒの方向（順流）に対して、上流側に配置されており、
下流側発熱抵抗体１２０Ｂは、上流側発熱抵抗体１２０
Ａの下流側に配置されている。測温抵抗体１２０Ｃは、
発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂの温度を検知するもので
ある。空気温度測温抵抗体１２０Ｄは、吸入空気の温度
を測定するものである。シリコン基板１１０の大きさ
は、例えば、図示の例では、短辺が２ｍｍであり、長辺
が６ｍｍ程度の小型なものである。

【００１４】上流側発熱抵抗体１２０Ａと、下流側発熱
抵抗体１２０Ｂと、測温抵抗体１２０Ｃとは、図２を用
いて後述するように、シリコン基板１１０に形成された
空洞部１１２の上に形成されている。

【００１５】シリコン基板１１０の端部には、端子電極
１３０Ａ，１３０ＡＢ，１３０Ｂ，１３０Ｃ１，１３０
Ｃ２，１３０Ｄ１，１３０Ｄ２が形成されている。上流
側発熱抵抗体１２０Ａの一端は、引出線１４０Ａによっ
て端子電極１３０Ａに接続され、上流側発熱抵抗体１２
０Ａと下流側発熱抵抗体１２０Ｂの接続点は、引出線１
４０ＡＢによって端子電極１３０ＡＢに接続され、下流
側発熱抵抗体１２０Ｂの一端は、引出線１４０Ｂによっ
て端子電極１３０Ｂに接続されている。測温抵抗体１２
０Ｃの両端は、それぞれ、引出線１４０Ｃ１，１４０Ｃ
２によって端子電極１３０Ｃ１，１３０Ｃ２に接続され
ている。また、空気温度測温抵抗体１２０Ｄの両端は、
それぞれ、引出線１４０Ｄ１，１４０Ｄ２によって端子
電極１３０Ｄ１，１３０Ｄ２に接続されている。

【００１６】さらに、本実施形態においては、上流側発
熱抵抗体１２０Ａと下流側発熱抵抗体１２０Ｂと測温抵
抗体１２０Ｃと空気温度測温抵抗体１２０Ｄとの表面
は、光触媒作用を有する光触媒薄膜１７０で覆われてい
る。光触媒薄膜１７０は、少なくとも、空洞部１１２の
面積を覆うように形成され、端子電極１３０を除く範囲
に形成されている。また、光触媒薄膜１７０の上部に
は、光触媒薄膜１７０を活性化するための紫外線を照射
する発光手段１８０が配置されている。

【００１７】次に、図２を用いて、本実施形態による熱
式空気流量素子１００の断面構造について説明する。図
２は、図１のＡ−Ａ断面を示している。

【００１８】シリコン基板１１０の上には、電気絶縁膜
１５０が形成される。電気絶縁膜１５０としては、二酸
化ケイ素（ＳｉＯ₂）若しくは、窒化ケイ素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）が用いられる。また、電気絶縁膜１５０として
は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の上に窒化ケイ素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）を積層されたものでもよい。電気絶縁膜１５０と
して、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ
₄）を積層したものを用いると、二酸化ケイ素は、シリ
コン基板に比べて熱膨張係数が約１／１０と小さいた
め、シリコン基板より熱膨張係数の若干大きく、しか
も、機械的強度が高い窒化ケイ素を用いることにより、
シリコン基板１１０と電気絶縁膜１５０の間の熱応力を
低減して、強度を向上することができる。

【００１９】電気絶縁膜１５０の上に、多結晶ケイ素
（ＰｏｌｙーＳｉ）に不純物をドープした半導体薄膜に
よって抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄ
が形成される。抵抗体１２０としては、多結晶ケイ素の
半導体薄膜の代わりに、白金（Ｐｔ）等の金属薄膜を用
いてもよく、また、多結晶ケイ素半導体薄膜と白金（Ｐ
ｔ）等の金属薄膜を、抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂ，１２
０Ｃ，１２０Ｄ毎に各々使い分けてもよいものである。

【００２０】抵抗体１２０の上に、保護膜１６０が形成
される。保護膜１６０としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ
₂）若しくは窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が用いられる。ま
た、保護膜１６０としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）
と窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を積層したものとすることも
できる。保護膜１６０は、吸入空気中に含まれる油や水
等の異物から抵抗体１２０を保護するために形成され
る。

【００２１】さらに、保護膜１６０の上に、光触媒薄膜
１７０が形成される。光触媒薄膜１１としては、二酸化
チタン（ＴｉＯ₂）の薄膜が用いられる。その膜厚は、
発光手段１８０から照射される紫外線１８０Ａの波長以
下とし、約０．３μｍ以下の膜厚としている。

【００２２】光触媒薄膜１１としては、二酸化チタン
（ＴｉＯ₂）の他に、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴ
ｉＯ₃）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）、硫化カドニウム（ＣｄＳ）、硫化亜鉛（Ｚ
ｎＳ）等が考えられるが、光触媒作用の強さ，化学的安
定性，耐摩耗性及びコストの面から、二酸化チタン（Ｔ
ｉＯ₂）を主体とする構成が最も適切である。

【００２３】また、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）薄膜の形
成法としては、コロイドを電気絶縁膜１５０の表面に薄
く塗布し、電気泳動法にて沈着させて焼成する方法、真
空蒸着法、真空スパッタリング法、ＣＶＤ（気相成長）
法等が用いられる。

【００２４】また、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）薄膜は多
結晶構造となっているが、結晶構造としては、ルチル型
とアナターゼ型が存在するが、アナターゼ型の方が光触
媒作用が高活性であり、ルチル型のものを用いている。

【００２５】ここで用いた二酸化チタン（ＴｉＯ₂）薄
膜１７０は、４２０ｎｍ以下の波長の紫外線に対して吸
収性を示し、特に３８０ｎｍの波長近傍にて吸収スペク
トルピークを持っており、この波長にてとりわけ光触媒
作用が得られる。

【００２６】光触媒薄膜１７０の上部には、発光手段１
８０が配置されている。発光手段１８０としては、紫外
線を照射する発光ダイオードを用いている。発光手段１
８０は、光触媒薄膜１７０に紫外線１８０Ａを有効に照
射できるよう、熱式空気流量素子１００の上に配置され
る。

【００２７】二酸化チタン（ＴｉＯ2）薄膜１７０は、
３８０ｎｍの波長近傍にて吸収スペクトルピークを持っ
ているため、発光手段１８０としては、少なくとも３８
０ｎｍの波長近傍の紫外線を発光する発光ダイオードを
用いる。

【００２８】発光手段１８０としては、窒化ガリウム
（ＧａＮ）系、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系、硫化亜鉛（Ｚ
ｎＳ）系、硫化セレン（ＳｅＳ）系等の半導体材料によ
る少なくとも紫外線を発光する発光ダイオードにより実
現可能であるが、特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系が最
も発光効率が高いものである。

【００２９】また、発光手段１８０としては、発光スペ
クトルの比較的広い発光ダイオードの他に、発光スペク
トルが急峻なレーザダイオード或いは小型の紫外線発光
ランプも考えられるが、小型化の可能性、消費電力及び
コストの点から、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオ
ードが最適である。

【００３０】また、シリコン基板１１０の中央部であっ
て、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂ及び測温抵抗体１２
０Ｃの下の領域には、空洞部１１２が形成される。空洞
部１１２は、シリコン基板１１０を異方性エッチングす
ることにより、電気絶縁膜１５０との境界面まで形成さ
れる。空洞部１１２を形成することにより、発熱抵抗体
１２０Ａ，１２０Ｂ及び測温抵抗体１２０Ｃは、電気絶
縁膜１５０と保護膜１６０とによって支持される構造と
なり、空洞部１１２により熱絶縁された構造となるた
め、空洞部１１２の所にシリコン基板が存在する場合に
比べて、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂ及び測温抵抗体
１２０Ｃからなる空気流量を測定するセンサ部分の熱容
量を小さくして、熱式空気流量素子の応答性を向上する
ことができる。

【００３１】次に、同じく図２を用いて、本実施形態に
よる熱式空気流量素子の製造プロセスについて説明す
る。シリコン基板１１０上に、電気絶縁膜１５０とし
て、二酸化ケイ素薄膜を約Ｏ．５μｍの厚さで、熱酸化
あるいはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方
法で形成する。

【００３２】次に、抵抗体１２０を形成するために、多
結晶ケイ素の半導体薄膜を約１μｍの厚さで、ＣＶＤ等
の方法で形成し、さらに、不純物元素としてリンを熱拡
散またはイオン注入によりドーピングする。その後、公
知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定の形状
に形成し、反応性イオンエッチング等の方法により、半
導体薄膜をパターンニングすることにより、各抵抗体１
２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄを形成する。

【００３３】次に、端子電極１３０をアルミニウムで形
成した後に、端子電極１３０以外の部分に、保護膜１６
０として、二酸化ケイ素薄膜約０．５μｍの厚さで熱酸
化あるいはＣＶＤ等の方法で形成する。

【００３４】次に、光触媒薄膜１７０として、二酸化チ
タンの薄膜が、紫外線１８０Ａの波長程度の約０．３μ
ｍ以下の膜厚になるように、保護膜１６０上に、少なく
とも空洞１１２の面積を覆い、且つ端子電極１３０を除
く範囲に形成される。

【００３５】最後に、シリコン基板１１０の裏面より、
二酸化ケイ素若しくはエッチング選択比の高い窒化ケイ
素をマスク材として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエ
ッチング液を用いて、異方性エッチングにより空洞部１
１２を形成し、ダイシングすることにより熱式空気流量
素子１００が得られる。

【００３６】次に、図３を用いて、本実施形態の熱式空
気流量素子に用いる光触媒薄膜の作用について説明す
る。図３は、本発明の一実施形態による熱式空気流量素
子に用いる光触媒薄膜の作用の説明図である。なお、図
２と同一符号は、同一部分を示している。

【００３７】熱式空気流量素子１００は、内燃機関の吸
気通路に配置されるため、測定対象の空気とともに、水
分や油分等の汚染物質が流入し、熱式空気流量素子１０
０の表面に、汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊が付着する。

【００３８】汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊が付着すると、
熱式空気流量素子１００のセンサ部（空洞部１１２の上
に形成された電気絶縁膜１５０と抵抗体１２０と保護膜
１６０の部分）の熱容量が増加するため、応答性が低下
する。また、空気流量の測定は、抵抗体１２０からの発
熱が空気流Ａｉｒによって奪われることによって行われ
るが、汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊が付着すると、熱伝搬
状態が変わり、抵抗体１２０からの発熱が空気流Ａｉｒ
によって奪われるよりも、電気絶縁膜１５０を介して半
導体基板１１０に熱伝導する量が多くなる。従って、汚
染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊が付着すると、測定精度が低下
することになる。

【００３９】そこで、本実施形態においては、光触媒薄
膜１７０を保護膜１６０の表面に形成しているため、汚
染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊は、光触媒薄膜１７０の表面に
付着する。このような状態において、発光手段１８０か
ら紫外線１８０Ａを光触媒薄膜（二酸化チタン薄膜）１
７０に照射すると、二酸化チタン薄膜内に光励起された
正孔及び電子の光触媒作用により超親水性及び超親油性
を示し、水分、油分等の汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａの塊は、
二酸化チタン薄膜１７０の表面にて、粘性が低下して、
膜状の汚染物質Ｃｏｎｔ−Ｂとして、薄く広がると伴
に、空気流Ａｉｒにより容易に下流に流れ、熱式空気流
量素子１００の表面から除去される。また、このとき、
空気流Ａｉｒから水分、油分等の汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａ
内に取り込まれていた有機或いは無機のダスト等も水
分、油分と一緒に除去される。

【００４０】また、紫外線１８０Ａが照射された二酸化
チタン薄膜１７０の光触媒作用には、強い酸化，還元作
用があり、汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａが、油分或いは有機物
質である場合には、これを分解し、一部は分解ガスＣｏ
ｎｔ−Ｃとして空気流Ａｉｒと伴に下流に流れ去る。

【００４１】さらに、熱式空気流量素子１００の発熱抵
抗体１２０Ａ，１２０Ｂに加熱電流を通電すると、二酸
化チタン薄膜１７０及び汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａが加熱さ
れ、光触媒作用が加速され、より効果的に汚染物質Ｃｏ
ｎｔ−Ａの除去が可能となる。

【００４２】以上のようにして、熱式空気流量素子１０
０の表面に光触媒薄膜１７０を形成し、発光手段１８０
を熱式空気流量素子１００上に配置し、紫外線１８０Ａ
を照射することにより、汚染物質Ｃｏｎｔ−Ａを除去で
き、熱式空気流量素子１００の信頼性が向上し、測定精
度を向上することができる。

【００４３】なお、熱式空気流量素子１００を、内燃機
関の吸入空気量の計測に用いる場合には、熱式空気流量
素子１００は吸気管内に配置されるため、光触媒薄膜１
７０を活性化するための発光手段１８０は必要である
が、熱式空気流量素子１００を、他の空気流量測定等に
用いる場合には、熱式空気流量素子１００を配置する配
管を紫外線を透過する部材により構成し、太陽からの紫
外線を用いて、光触媒薄膜１７０を活性化することによ
り、発光手段１８０は不要となる。

【００４４】次に、図４を用いて、本実施形態による熱
式空気流量素子を用いた熱式空気流量計の回路構成につ
いて説明する。図４は、本発明の一実施形態による熱式
空気流量素子を用いた熱式空気流量計の回路図である。

【００４５】上流側発熱抵抗体１２０Ａ及び下流側発熱
抵抗体１２０Ｂは、電流検出抵抗２１０と直列に接続さ
れており、トランジスタ２２０を介して、電源２３０か
ら加熱電流が供給される。加熱電流は、電流検出抵抗２
１０の両端電圧（電位Ｅａ）として、制御回路３００の
入力回路３００Ａに取り込まれ、空気流量の検出に用い
られる。入力回路３００Ａは、Ａ／Ｄ変換器を含んでい
る。また、上流側発熱抵抗体１２０Ａ及び下流側発熱抵
抗体１２０Ｂの両端電圧（電位Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ）は、
それぞれ、制御回路３００の入力回路３００Ａに取り込
まれ、空気流の方向の検出に用いられる。

【００４６】測温抵抗体１２０Ｃと空気温度測温抵抗体
１２０Ｄは、抵抗２４０，２４５とともに、図示するよ
うに、ブリッジ回路を構成している。ブリッジ回路の各
辺の中点電圧（電位Ｅｄ，Ｅｅ）は、それぞれ、制御回
路３００の入力回路３００Ａに取り込まれる。制御回路
３００のＣＰＵ３００Ｂは、上流側発熱抵抗体１２０Ａ
及び下流側発熱抵抗体１２０Ｂから熱で加熱された測温
抵抗体１２０Ｃによって検出される温度（Ｔｈ）が、空
気温度測温抵抗体１２０Ｄによって検出される空気温度
（Ｔａ）よりも一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ＝１５０
℃）となるように制御する。ＣＰＵ３００Ｂは、出力回
路３００Ｃから制御信号をトランジスタ２２０に出力し
て、トランジスタ２２０をオン／オフして、発熱抵抗体
１２０Ａ，１２０Ｂを流れる電流を制御して、発熱抵抗
体１２０Ａ，１２０Ｂの発熱量を制御する。

【００４７】また、発光手段１８０は、トランジスタ２
５０を介して、電源２３０に接続されている。制御回路
３００のＣＰＵ３００Ｂは、出力回路３００Ｃを介し
て、トランジスタ２５０を制御して、発光手段１８０の
発光／停止を制御する。

【００４８】なお、メモリ回路３１０には、所定の補正
値が記憶されており、制御回路３００は、この補正値を
用いて空気流量と空気温度の補正演算を行い、出力回路
３００Ｃから空気流量Ｑと空気温度Ｔａの信号を出力す
る。

【００４９】次に、図４に示した回路の動作について説
明する。最初に、本実施形態による熱式空気流量素子の
空気流量検知動作について説明する。上流側発熱抵抗体
１２０Ａ及び下流側発熱抵抗体１２０Ｂは、トランジス
タ２２０を介して電源２３０から加熱電流が供給されて
おり、発熱する。上流側発熱抵抗体１２０Ａ及び下流側
発熱抵抗体１２０Ｂの温度（Ｔｈ）は、これらの抵抗体
１２０に近接して配置されている測温抵抗体１２０Ｃに
より検出され、電位Ｅｄとして、制御回路３００に入力
する。一方、吸入空気通路に流入する吸入空気の温度
（Ｔａ）は、空気温度測温抵抗体１２０Ｄにより検出さ
れ、電位Ｅｅとして、制御回路３００に入力する。制御
回路３００は、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂの温度
（Ｔｈ）が、吸入空気の温度（Ｔａ）に対して、所定温
度ΔＴｈ（例えば、１５０℃）だけ高くなるように、ト
ランジスタ２２０をオン／オフして、発熱抵抗体１２０
Ａ，１２０Ｂに供給する加熱電流を制御する。測温抵抗
体１２０Ｃの温度が設定値よりも低い場合には、制御回
路３００は、トランジスタ２２０をオンして、測温抵抗
体１２０Ｃの温度が設定値よりも高い場合には、制御回
路３００は、トランジスタ２２０をオフする。発熱抵抗
体１２０Ａ，１２０Ｂから奪われる熱量は吸入空気の量
に比例するため、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂを加熱
する加熱電流の値が、空気量に対応した値となる。そこ
で、電流検出抵抗２１０の両端電圧（電位Ｅａ）が制御
回路３００に入力して、加熱電流を検出し、メモリ回路
３１０に記憶されている補正値を用いて補正した後、空
気流量Ｑとして出力する。また、空気温度測温抵抗体１
２０Ｄの電圧（電位Ｅｅ）は、制御回路３００に入力し
て、メモリ回路３１０に記憶されている補正値を用いて
補正した後、空気温度Ｔａとして出力する。

【００５０】次に、本実施形態による熱式空気流量素子
による空気流Ａｉｒの方向検知動作について説明する。
空気流Ａｉｒの流量が零のときは、上流側発熱抵抗体１
２０Ａと下流側発熱抵抗体１２０Ｂの間に温度差は生じ
ない。それに対して、図１に示したような空気流Ａｉｒ
の方向（順流）の場合には、上流側発熱抵抗体１２０Ａ
の方が、下流側発熱抵抗体１２０Ｂより空気流Ａｉｒに
よる冷却効果が大きく、また、上流側発熱抵抗体１２０
Ａ，１２０Ｂは直列接続であり、同じ加熱電流が流れて
いるため、発熱量は一定であることから、上流側発熱抵
抗体１２０Ａの温度が、下流側発熱抵抗体１２０Ｂより
低い値となる。また、空気流Ａｉｒが、図示する方向と
逆（逆流）の場合には、先程の場合とは反対に、下流側
発熱抵抗体１２０Ｂの方が上流側発熱抵抗体１２０Ａよ
り空気流Ａｉｒによる冷却効果が大きく、下流側発熱抵
抗体１２０Ｂの方が上流側発熱抵抗体１２０Ａの温度よ
りも低くなる。

【００５１】そこで、制御回路３００は、上流側発熱抵
抗体１２０Ａの両端電圧（電位Ｅｃと電位Ｅｂ）と、下
流側発熱抵抗体１２０Ｂの両端電圧（電位Ｅｂと電位Ｅ
ａ）を比較して、両抵抗体の温度（抵抗値）を比較する
ことにより、空気流の方向を検知する。

【００５２】また、発光手段１８０は、制御回路３００
からの制御信号によってトランジスタ２５０がオンする
ことにより、電源２３０から通電されて、発光する。制
御回路３００は、空気流量を計測している動作時間外
に、トランジスタ２５０をオンして、発光手段１８０を
発光させる。空気流量を計測している動作時間外とは、
例えば、空気流量計の計測開始前まである。自動車のキ
ースイッチをオンすると、制御回路３００も動作を開始
し、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂへの通電が開始する
が、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂが所定の温度（空気
温度よりも１５０℃高い温度）になって、空気流量の計
測が可能になるまでは、例えば、１００ｍｓ程度を要す
る。そこで、キースイッチのオン直後から、発光手段１
８０を発光させ、熱式空気流量素子１００の表面に付着
した汚染物質の光触媒薄膜の作用による除去を開始し、
熱式空気流量計が計測動作を開始するまでの間発光させ
る。また、制御回路３００は、空気流量計の計測終了後
に、発光手段１８０を発光させるようにしてもよいもの
である。さらに、空気流量計からエンジン制御装置への
信号の取り込みは、例えば、１ｍｓ毎のように間欠的に
行うため、信号取り込みを行っていないタイミングで間
欠的に発光手段１８０を発光させるようにしてもよいも
のである。

【００５３】制御回路３００は、トランジスタ２５０に
パルス電流を供給して、発光手段１８０にパルス電流を
流すようにしているので、トランジスタ２５０に出力す
るパルス信号のパルス幅を制御することにより、発光手
段１８０の発光強度を制御することができる。

【００５４】さらに、制御回路３００は、発光手段１８
０を制御して発光させているときは、トランジスタ２２
０をオンして、発熱抵抗体１２０Ａ，１２０Ｂに電流を
通電し、光触媒薄膜及び汚損物質を加熱することで光触
媒作用を加速する。このとき、発熱抵抗体１２０Ａ，１
２０Ｂに流す電流は、空気流量計測時の加熱電流よりも
大きくすることで、加熱を促進することができる。

【００５５】ここで、紫外線１８０Ａの照射を空気流量
を計測している動作時間にて行わない理由は、紫外線１
８０Ａの直接照射及び光触媒薄膜１７０の触媒作用によ
る発熱により、抵抗体１２０の温度が上昇し、空気流量
の計測精度に誤差を与えるためである。従って、紫外線
１８０Ａの照射は、空気流量計の計測開始（始動）前、
終了後、または計測時間のタイミングにて各計測時間の
間に間欠的に行われる。

【００５６】次に、図５及び図６を用いて、本実施形態
による熱式空気流量計を内燃機関の吸気管に取り付けた
状態について説明する。

【００５７】図５は、本発明の一実施形態による熱式空
気流量計の内燃機関の吸気管への取付状態を示す断面図
であり、図６は、図５のＢ−Ｂ’断面図である。

【００５８】図５に示すように、熱式空気流量素子１０
０は、支持体３８０の端部に取り付けられている。支持
体３８０の上には、制御回路３００も固定されており、
熱式空気流量素子１００と制御回路３００は、リード線
等によって接続されている。さらに、支持体３８０の他
端部には、支持体３９０が固定されている。熱式空気流
量素子１００，制御回路３００，支持体３８０，及び支
持体３９０は、一体化されており、インサート型の熱式
空気流量計を構成している。

【００５９】自動車等の内燃機関の吸気通路４００の中
には、空気流の一部を流通する副通路４１０が設けられ
ている。吸気通路４００の側壁には、支持体３８０が挿
入可能な開口が形成されており、先端に熱式空気流量素
子１００を備えた支持体３８０が、この開口内に挿入さ
れ、支持体３９０を用いて、吸気通路４００に固定され
る。このとき、熱式空気流量素子１００は、副通路４１
０の中に挿入される。

【００６０】図６に示すように、支持体３８０は、空気
流Ａｉｒに対して端面が略流線形に形成されており、熱
式空気流量素子１００は、その薄膜形成面が支持体３８
０の表面とほぼ同一高さで、且つ副通路４１０の中心軸
に一致するように埋込まれる。

【００６１】また、副通路４１０には、窪み４１２が形
成されており、この窪み４１２内に発光手段１８０が埋
め込まれている。発光手段１８０は、支持体３８０に固
定された制御回路３００に電気的に接続されている。副
通路４１０の窪み４１２に埋込まれた発光手段１８０
は、空気流Ａｉｒに直接晒されないように、副通路４１
０の内壁面より低く、また熱式空気流量素子１００の光
触媒薄膜１７０に紫外線１８０Ａを有効に照射できるよ
うに、熱式空気流量素子１００の上方に配置される。こ
こで、通常では吸入空気は、図示した空気流Ａｉｒの方
向に流れており、ある内燃機関の条件によって、逆の方
向（逆流）に吸入空気が流れる。

【００６２】なお、以上の説明では、熱式空気流量素子
は、図１に示したような発熱抵抗体及び測温抵抗体から
成る構成として説明したが、この構成とは異なる直熱方
式，傍熱方式，温度差検知方式等の方式においても、半
導体基板上に発熱抵抗体を形成した熱式空気流量素子及
び熱式空気流量計に対しても、同様に、適用できるもの
である。

【００６３】以上説明したように、熱式空気流量素子の
表面に光触媒薄膜を形成し、また、発光手段からこの光
触媒薄膜に紫外線を有効に照射できるよう配置したこと
により、自動車の内燃機関の様に過酷な環境に適用した
場合においても、空気流に含まれる水分，油分，ダスト
等による表面汚損の影響を低減し、応答性が高く、且つ
精度を向上することができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、熱式空気流量素子及び
熱式空気流量計は、汚損の影響を受けることなく、計測
精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による熱式空気流量素子の
平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。

【図３】本発明の一実施形態による熱式空気流量素子に
用いる光触媒薄膜の作用の説明図である。

【図４】本発明の一実施形態による熱式空気流量素子を
用いた熱式空気流量計の回路図である。

【図５】本発明の一実施形態による熱式空気流量計の内
燃機関の吸気管への取付状態を示す断面図である。

【図６】図５のＢ−Ｂ’断面図である。

【符号の説明】

１００，１００Ａ，１００Ｂ…熱式空気流量素子１１０…シリコン基板１１２…空洞部１２０Ａ…上流側発熱抵抗体１２０Ｂ…下流側発熱抵抗体１２０Ｃ…空気温度測温抵抗体１２０Ｄ…測温抵抗体１３０…端子電極１５０…電気絶縁膜１６０…保護膜１７０…光触媒薄膜１８０…発光手段３００…制御回路３８０，３９０…支持体４００…吸入空気通路４１０…副通路

フロントページの続き (72)発明者渡辺泉茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者中田圭一茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空洞部を有する半導体基板と、この基板上
に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と、この発
熱抵抗体の上に形成された保護膜とを有する熱式空気流
量素子において、上記保護膜の上であって、上記空洞部の上の領域に形成
された光触媒薄膜を備えたことを特徴とする熱式空気流
量素子。
【請求項２】空洞部を有する半導体基板と、この基板上
に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と、この発
熱抵抗体の上に形成された保護膜とから構成される熱式
空気流量素子を空気流通通路に配置した熱式空気流量計
において、上記熱式空気流量素子は、上記保護膜の上であって、上
記空洞部の上の領域に形成された光触媒薄膜を備え、さらに、上記光触媒薄膜に光を照射する発光手段を備え
たことを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項３】請求項２記載の熱式空気流量計において、上記光触媒薄膜は、二酸化チタンを主体とする薄膜によ
って形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項４】請求項３記載の熱式空気流量計において、上記発光手段は、ｐｎ接合型の窒化ガリウム系半導体か
らなる発光ダイオードであることを特徴とする熱式空気
流量計。
【請求項５】請求項２記載の熱式空気流量計において、上記発光手段は、空気流通通路の内壁埋め込まれた構造
を有することを特徴とする熱式空気流量計。