JP2000146654A - 熱式質量流量計 - Google Patents

熱式質量流量計

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JP2000146654A
JP2000146654A JP10323501A JP32350198A JP2000146654A JP 2000146654 A JP2000146654 A JP 2000146654A JP 10323501 A JP10323501 A JP 10323501A JP 32350198 A JP32350198 A JP 32350198A JP 2000146654 A JP2000146654 A JP 2000146654A
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JP
Japan
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flow sensor
mass flow
combustion engine
internal combustion
thermal mass
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JP10323501A
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English (en)
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Nobuhisa Kato
修久 加藤
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量検出を中断させることなく、簡単な構成
で付着物の付着防止,除去を図る。 【解決手段】 発熱抵抗2などを持ち内燃機関の空気量
を検出する熱式流量センサ1の裏面に、電極6,8と圧
電素子7からなる超音波振動子9を設け、この振動子9
を励振することでセンサ1にバルク弾性波を伝搬させ、
弾性波による放射圧を利用して付着物の付着防止,除去
を行なう。発熱抵抗2に特別な操作を加えないから、流
量測定を中断させる必要もない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、測温抵抗の抵抗
値変化を利用して、流体の質量流量を検出する熱式質量
流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関が吸入する空気量を検出するに
は、通常熱式空気流量センサが用いられる。図4はかか
る流量センサを示す平面図である。すなわち、導電性材
料から構成される発熱抵抗2、この発熱抵抗2と隣り合
い流れに対して上流側に測温抵抗3、下流側に測温抵抗
4、発熱抵抗2の熱の影響を受けずに流体温度を測定す
る流体測温抵抗5が、シリコンまたはセラミックス等の
絶縁材料基板に形成され、流量センサチップ1を構成し
ている。発熱抵抗2は流体測温抵抗5に対し、一定の動
作温度に維持される。流体に流れが生じたとき、下流の
測温抵抗4が温められて抵抗値が変化するのを利用する
か、または発熱抵抗2の抵抗値変化にもとづき流量を検
出する。流れの方向は上流,下流の測温抵抗3,4の変
化の差から検出するようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】かかる流量センサは、
その表面に汚れが付着すると熱容量が変化するため、応
答性の低下,精度低下などの問題がある。そのため、従
来から、(1)流体の流れがない状態のとき、発熱抵抗
に流れる電流を増大させて発熱温度を上昇させ、汚れで
ある水,油分,塵埃等を蒸発させるか、動作温度を上昇
させて塵埃の付着媒体である水,油分を蒸発させる。ま
たは、(2)汚れが流量センサの表面に付き難くなるよ
う、流量センサが設置される流通路を複雑な形状にす
る。などの対策が施されている。
【0004】しかし、上記(1)の対策の結果、流量セ
ンサの発熱抵抗の寿命を低下させるという新たな問題が
発生する。また、汚れを蒸発させるために、発熱抵抗を
加熱する電流操作を実施するため、流量測定を中断する
必要がある。上記(2)の対策の結果、圧力損失が大き
くなって内燃機関に負担が掛かるだけでなく、コスト高
になるという問題がある。したがって、この発明の課題
は、簡単な構成で、流量測定を中断することなく、流量
センサの表面に汚れが付着するのを防止または除去する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項1の発明では、通電されて所定温度に加熱
される発熱抵抗を有し内燃機関の空気量を検出する質量
流量センサと、超音波発生手段とを備え、この超音波発
生手段によって前記質量流量センサを超音波振動させる
ことにより、前記質量流量センサ表面の汚れの付着の防
止、または除去を行なうようにしている。上記請求項1
の発明においては、流体の流れる方向と、超音波によっ
て発生する力の向きとを互いに対向させないようにして
いる(請求項2の発明)。
【0006】上記請求項1または2の発明においては、
前記超音波発生手段を、質量流量センサと一体的に、か
つ検出対象となる流体の流れを乱さないように配置する
ことができる(請求項3の発明)。上記請求項1ないし
3のいずれかの発明では、前記超音波発生手段を、バル
ク弾性波を発生するものとすることができ(請求項4の
発明)、または、前記超音波発生手段を、質量流量セン
サが設置された面に表面弾性波を発生するものとするこ
とができる(請求項5の発明)。
【0007】上記請求項1ないし5のいずれかの発明で
は、前記質量流量センサを一定周期、または連続して超
音波振動させ、流量検出を中断させないことができ(請
求項6の発明)、または、前記内燃機関が所定の駆動状
態になったとき、または内燃機関の変量が所定値以上に
なったとき、質量流量センサを超音波振動させることが
できる(請求項7の発明)。上記請求項7の発明にいう
前記駆動状態は、内燃機関の点火スイッチが遮断された
後、またはスターターがオフした後、若しくは内燃機関
の駆動が終了したときの少なくとも1つであることがで
き(請求項8の発明)、または、前記変量としては、内
燃機関のスタート回数または停止回数、内燃機関の運転
時間、内燃機関の回転数、自動車の走行距離のいずれか
であることができる(請求項9の発明)。
【0008】上記請求項1ないし5のいずれかの発明で
は、前記質量流量センサの汚染度を検出する汚染度検出
手段を設け、汚染度が所定値以上になったときに、質量
流量センサを超音波振動させることができる(請求項1
0の発明)。この請求項10の発明においては、前記汚
染度検出手段は、質量流量センサにより検出される空気
流量を積分して空気量を形成する積分手段からなること
ができ(請求項11の発明)、または、前記汚染度検出
手段は、燃料流量を検出する燃料流量検出手段と、燃料
量を形成する積分手段とからなることができる(請求項
12の発明)。
【0009】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の第1の実施の形
態を示す断面図で、図4のA−A断面図を示す。つま
り、平面図は図4と同じであるが、その裏面が図1に示
すように従来のものと異なっている。すなわち、流量セ
ンサチップ1の裏面(図1の右側)に、振動子電極6を
スパッタ等により形成し、その上に圧電素子7を、超音
波の周波数を高くするために例えばスパッタリングによ
り圧電薄膜として形成し、その上に振動子電極8を形成
して超音波振動子9を設け、これにより流量センサチッ
プ1を超音波振動させるようにした点が特徴である。
【0010】ところで、或る物体に超音波を放射する
と、音響パワーの放射圧pによる力Fを受けることが知
られており、この発明はこの発生力Fを利用して付着の
防止または除去を図るものである。まず、その原理につ
き以下に説明する。超音波の伝播方程式は、次式で表わ
される。 超音波の伝播方程式:u=A・exp(αx)expj
(ωt−kx) ここに、A:超音波振幅、ω:角振動数、k=ω/
l :超音波の波数、Vl :音速、α=k2 ・η/2ρ
l :減衰定数、η:付着物の粘度、ρ:付着物の密度 放射圧p〔N/m2 〕=1/2・ρ・ω2 ・A2 単位体積当たりの発生力F〔N/m3 〕=ρ・α・ω2
・A2
【0011】いま、具体的な例として、例えば、密度
ρ:1×103 〔Kg/m3 〕、音速Vl :1500
〔m/s〕、粘度η:1.008×10-3〔Pa・s〕
の直径10〔μm〕の水滴に対し、振幅A:10〔Å〕
の超音波周波数を印加したときの発生力F(N)は、図
2に示すようになる。なお、同図縦軸の発生力Fの1.
0E−2〜1.0E−20は1.0×10-2 〜1.0
×10-20 であることを示す。つまり、図2は超音波周
波数f=100〔MHz〕以上になると、重力以上の力
が付着物に与えられることを示している。ただし、超音
波により発生した発生力にもとづく除去効果は、付着物
表面の状態、付着物の量,種類等によって多大な影響を
受けるので、これらを総合的に勘案して決定することが
望ましい。
【0012】そして、上記超音波振動子9を励振するこ
とにより、流量センサチップ1に例えばバルク弾性波を
伝搬させることができる。この伝搬した超音波による発
生力により、測定流体中に含まれる水分,油分,塵埃な
ど、流量センサチップ1の表面に付着した物質を飛散さ
せることができる。なお、流量センサチップ1の表面
は、望ましくは疎水性,疎油性とし、付着物の付き難い
構造にする。図1の場合、超音波により発生する力の方
向は、流体の流れの方向に対して90度であり、従って
除去した物質を流量センサチップ1に対向する対向板1
0に付着させることにより、再度流量センサチップ1の
表面に付着するのを防止することができる。また、上記
のような関係であれば、超音波振動子9が流体の流れを
乱すおそれもない。
【0013】ところで、流量センサチップ1に付着する
物質は微量である。そこで、超音波振動子9を常時、ま
たは一定の時間間隔で励振するようにすれば、付着物が
流量センサチップ1に付着する前に飛散除去可能とな
り、流量測定精度にも問題となるような影響を与えない
ようにすることができる。また、このような操作をして
も測温抵抗3,4,5および発熱抵抗2に流量測定以外
の電気的操作をしていないので、流量測定を中断させる
必要もない。超音波による付着物除去の操作を、内燃機
関の駆動状態や変量と連動させたり、流量センサの汚染
度と連動させることも可能である。
【0014】図3はこの発明の第2の実施の形態を示す
構成図で、同図(a)は平面図、同図(b)はそのB−
B断面図である。図示のように、流量センサチップ1の
表面側に圧電素子7をスパッタリング等によって形成
し、その上にすだれ状電極11を形成した超音波振動子
12を用いる点、つまり一方の面にのみ流量センサと超
音波振動子を配置した点が特徴である。なお、流量セン
サチップ1の表面を、望ましくは疎水性,疎油性とし、
付着物の付き難い構造にするのは図1の場合と同様であ
る。
【0015】このような構成において、超音波振動子1
2を励振することにより、発熱抵抗2,測温抵抗3,4
が存在する流量センサチップ1の表面に表面弾性波を伝
搬させることができる。流量センサチップ1の表面に付
着物が存在する場合、表面を伝搬する表面弾性波は付着
物に漏洩波として伝搬し、或る決まった角度に超音波に
よる力が発生し、付着物を飛散させる。超音波振動子1
2の設置位置を適宜調整することにより、超音波による
力の方向を流体の流れに対して調整し、飛散した物質が
再度流量センサチップ1の表面に付着するのを防止する
ことができる。また、その飛散する方向に図1と同様の
対向板を設けておけば、除去した物質を付着させること
ができる。なお、超音波振動子12の厚さは十分に薄く
し、設置位置も考慮して、流体の流れを乱すことのない
ようにすることが望ましい。
【0016】なお、図3の例においても、、超音波振動
子を常時または一定の時間間隔で励振すること、このよ
うな操作によって流量測定を中断させる必要がないこ
と、超音波による付着物除去の操作を、内燃機関の駆動
状態や変量と連動させたり、流量センサの汚染度と連動
させることが可能なのも図1の場合と同様である。ま
た、上記内燃機関の駆動状態としては、内燃機関の点火
スイッチが遮断された後、またはスターターがオフされ
た後、若しくは内燃機関の駆動が終了したときが考えら
れ、また、内燃機関の変量としては、スタート回数また
は停止回数、運転時間、回転数、自動車の走行距離など
が考えられる。
【0017】さらに、流量センサの汚染度は空気量や燃
料量から推定でき、したがって、検出された空気流量値
を利用するか、または燃料流量検出手段を設け、それぞ
れに対して空気流量または燃料流量を積算する積算手段
を設け、この積算値を所定値と比較するなどして汚染度
を測定し、所定値を越えていたら空気流量検出手段を超
音波振動させることができ、これにより付着物を除去す
ることができる。
【0018】
【発明の効果】この発明によれば、下記のような効果を
期待できる。 (1)流量センサと超音波振動子を一体構造にできるの
で、構造が簡単となり低コスト化が可能となる。 (2)超音波の発振周波数は圧電素子の厚さ、または、
すだれ状電極間隔で変更でき設計が容易である。 (3)特に、請求項5の発明では、流量センサチップの
片面だけに発熱抵抗,測温抵抗および超音波振動子を形
成できることから、製造時のハンドリングが容易であ
り、低コストに製作可能である。 (4)特に、請求項5の発明では、流量センサチップの
片面にだけ電極パッドを有しており、電極取り出しが容
易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す断面図であ
る。
【図2】超音波発生力および重力の周波数特性説明図で
ある。
【図3】この発明の第2の実施の形態を示す構成図であ
る。
【図4】従来例を示す平面図である。
【符号の説明】
1…流量センサチップ、2…発熱抵抗、3,4,5…測
温抵抗、6,8…振動子電極、7…圧電素子、9,12
…超音波振動子、10…対向板、11…すだれ状電極。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 通電されて所定温度に加熱される発熱抵
    抗を有し内燃機関の空気量を検出する質量流量センサ
    と、超音波発生手段とを備え、この超音波発生手段によ
    って前記質量流量センサを超音波振動させることによ
    り、前記質量流量センサ表面の汚れの付着の防止、また
    は除去を行なうことを特徴とする熱式質量流量計。
  2. 【請求項2】 流体の流れる方向と、超音波によって発
    生する力の向きとを互いに対向させないことを特徴とす
    る請求項1に記載の熱式質量流量計。
  3. 【請求項3】 前記超音波発生手段を、質量流量センサ
    と一体的に、かつ検出対象となる流体の流れを乱さない
    ように配置することを特徴とする請求項1または2のい
    ずれかに記載の熱式質量流量計。
  4. 【請求項4】 前記超音波発生手段を、バルク弾性波を
    発生するものとすることを特徴とする請求項1ないし3
    のいずれかに記載の熱式質量流量計。
  5. 【請求項5】 前記超音波発生手段を、質量流量センサ
    が設置された面に表面弾性波を発生するものとすること
    を特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の熱式
    質量流量計。
  6. 【請求項6】 前記質量流量センサを一定周期、または
    連続して超音波振動させ、流量検出を中断させないこと
    を特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の熱式
    質量流量計。
  7. 【請求項7】 前記内燃機関が所定の駆動状態になった
    とき、または内燃機関の変量が所定値以上になったと
    き、質量流量センサを超音波振動させることを特徴とす
    る請求項1ないし5のいずれかに記載の熱式質量流量
    計。
  8. 【請求項8】 前記駆動状態は、内燃機関の点火スイッ
    チが遮断された後、またはスターターがオフした後、若
    しくは内燃機関の駆動が終了したときの少なくとも1つ
    であることを特徴とする請求項7に記載の熱式質量流量
    計。
  9. 【請求項9】 前記変量としては、内燃機関のスタート
    回数または停止回数、内燃機関の運転時間、内燃機関の
    回転数、自動車の走行距離のいずれかであることを特徴
    とする請求項7に記載の熱式質量流量計。
  10. 【請求項10】 前記質量流量センサの汚染度を検出す
    る汚染度検出手段を設け、汚染度が所定値以上になった
    ときに、質量流量センサを超音波振動させることを特徴
    とする請求項1ないし5のいずれかに記載の熱式質量流
    量計。
  11. 【請求項11】 前記汚染度検出手段は、質量流量セン
    サにより検出される空気流量を積分して空気量を形成す
    る積分手段からなることを特徴とする請求項10に記載
    の熱式質量流量計。
  12. 【請求項12】 前記汚染度検出手段は、燃料流量を検
    出する燃料流量検出手段と、燃料量を形成する積分手段
    とからなることを特徴とする請求項10に記載の熱式質
    量流量計。
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