JP2004347589A - ２つのヒータ抵抗を備えた流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】空気質量の、より正確で迅速な測定を実施できるようにする。
【解決手段】各ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）に、さらに１つの温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）が、ヒータ抵抗の温度を検出するために対応配置されており、かつ該別の温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）がヒータ抵抗の直接的な近傍に配置されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つのヒータ抵抗と、周囲温度を検出するための少なくとも１つの基準温度センサとを備えた流量センサに関する。

このような形式の流量センサは欧州特許出願公開第０９５５５２４号明細書から公知である。この流量センサは内燃機関により吸入される空気質量（エアマス）を検出するために使用される。上記欧州特許出願公開第０９５５５２４号明細書に記載された流量センサは２つのヒータ抵抗ならびに２つの基準温度センサを有している。基準温度センサの助けを借りて、周囲温度、もしくは流量センサに沿って擦過流動する空気の温度が検出され、厳密に言えば、ヒータ抵抗による影響なしに検出される。両ヒータ抵抗は流量センサに沿って流動する空気質量を測定するために使用される。その際、流動方向で見て第１のヒータ抵抗が、これに沿って流動する空気を温め、その結果として、流動方向で見て第２のヒータ抵抗が、所定の温度に達するために比較的僅かな加熱エネルギを必要とするという効果を利用している。流動方向で見て第１のヒータ抵抗および第２のヒータ抵抗の、異なる冷却はヒータ抵抗の電気的な抵抗の差につながる。この異なる抵抗は、流量センサに沿って擦過流動する空気質量流量に関する指標である。

ヒータ抵抗の、測定したい温度に依存した抵抗Ｒ（Ｔ）は公式
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ_０（１＋ａ・Ｔ）
に従って得られる（Ｒ_０：室温時の抵抗値、ａ：ヒータ抵抗の温度係数、Ｔ：温度）。

この方程式から明らかであることは、温度依存性の抵抗Ｒ（Ｔ）は抵抗Ｒ_０に強く依存していることである。十分な電気的な加熱出力を達成するためには、ヒータ抵抗の抵抗を小さく維持することが必要である。しかしながら、この必要性は流量センサの可能な限り高い感度および測定精度を獲得するという希望とは矛盾している。それというのも、室温時の小さな抵抗値は、温度により誘導される小さな抵抗変化を導くに過ぎないからである。

さらに、ヒータ抵抗が比較的に大きな電流により通流される場合、その高められた温度に基づいて、構造効果（Ｓｔｒｕｋｔｕｒｅｆｆｅｋｔ）およびエレクトロマイグレーション効果および／または再結晶効果が出現する。両者は抵抗値の不可逆な変化、ひいては空気質量流量の検出時の測定誤差を生ぜしめる。
欧州特許出願公開第０９５５５２４号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の流量センサを改良して、空気質量の、より正確で迅速な測定を実施できるようにすることである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、各ヒータ抵抗に、さらに１つの温度センサが、ヒータ抵抗の温度を検出するために対応配置されており、かつ該温度センサがヒータ抵抗の直接的な近傍に配置されているようにした。

本発明のように構成したことにより、機能分割が行われる。ヒータ抵抗は、所定の温度を達成するという課題だけを有しており、その一方で、ヒータ抵抗を取り巻く温度センサがヒータ抵抗の温度を測定する。それにより、温度測定を、高い電気的な抵抗を有した温度センサにより実施することが可能であって、このことは流量センサの測定精度を向上させる。さらに、前述の、電流によって誘導される構造効果および再結晶効果が温度センサにおいて出現することがないので、流量センサの測定精度は流量センサの寿命にわたってほぼ同じままである。

その際、温度センサおよびヒータ抵抗が入れ子状にほぼ環状に延在していると、有利であることが判っている。その結果、温度センサにより検出される温度がヒータ抵抗の温度にほぼ等しく、かつヒータ抵抗の温度変化と、その結果として生じる、温度センサの温度変化との間の遅延時間は可能な限り僅かになる。

本発明による流量センサの有利な構成では、各ヒータ抵抗を通る電流が別個に調整され、かつ温度センサを通る電流または電圧の差が、流量測定および流動方向の検出のために援用される。これにより、流量の迅速かつより正確な測定が可能である。それというのも、ヒータ抵抗の電流調整もしくは電圧調整が極めて迅速に実施され、かつ温度センサを通って流れる電流の差もしくは温度センサにかかっている電圧の差が大きいからである。それにより、本発明による流量センサの出力信号は大きく、かつ良好に内燃機関のエンジン制御部で評価されてさらに処理されることができる。

ヒータ抵抗を通る電流が周囲温度もしくは通流センサに沿って流動する空気の温度に関連にして調整されると有利である。その際、ヒータ抵抗の温度が一定値ΔＴの分だけ周囲温度を超えていると特に有利である。

本発明による流量センサの測定精度はさらに、温度センサがヒータ抵抗よりも遙かに大きな抵抗を有しているとさらに向上する。

本発明による流量センサの特に有利な構成では、通流センサの測定エレメントが基板を有しており、該基板によりダイヤフラムが保持され、かつ基板およびダイヤフラム上に抵抗層が存在しており、該抵抗層から、ヒータ抵抗、温度センサ、および少なくとも１つの基準温度センサが構造化されている。その際、基準温度センサが基板を横断して配置されており、かつヒータ抵抗と温度センサとが実質的にダイヤフラムを超えてまたはダイヤフラム内に配置されていると有利である。

測定エレメントのこの構成により、本発明による流量センサの製作は、流量センサの運転特性に対する不都合な影響なしに、簡単化されかつ安価に構成されることができる。

もちろん、ヒータ抵抗および温度センサならびに単数または複数の基準温度センサのコンタクト形成のための線路が抵抗層から構造化されてもよい。可能な限り均等かつ安価な熱放出を達成するために、ヒータ抵抗を形成する導体路の幅は異なっていることができる。

温度センサの評価は４点測定（Ｖｉｅｒｐｕｎｋｔｍｅｓｓｕｎｇ）またはホイートストンブリッジにより評価されることができる。

さらに、第２の基準温度センサが設けられており、かつヒータ抵抗および／または温度センサに、それぞれ１つの共通の導体路を通して電流が供給されると有利であることができる。最後に挙げた手段により、測定エレメントの所要スペースは減じられて、製作コストは節減されることができる。

本発明の別の利点および有利な構成は「図面」、「発明を実施するための最良の形態」および「特許請求の範囲」に見て取ることができる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図１には、本発明による流量センサの測定エレメントの第１の実施例が上方から見た平面図および線Ａ−Ａに沿った断面図で概略的に示されている。流量センサの測定エレメントは基板１から成っており、基板１は例えばシリコンから製作されることができる。基板１には基準温度センサＲ_Ｆａｍｂが配置されている。

基板１は切欠き３を有しており、切欠き３は熱を伝導しにくい薄膜のダイヤフラム５によって覆い張られる。ダイヤフラム５を横断して、Ｕ字形に形成された２つのヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１およびＲ_Ｈ２が基板１上にまで延びている。ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１およびＲ_Ｈ２は調整もしくは閉ループ制御される電圧源もしくは電流源（図示せず）に電気的に接続されている。

Ｕ字形のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の内側には、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１およびＲ_Ｆ，Ｈ２が配置されている。温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１およびＲ_Ｆ，Ｈ２は、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の温度を検出するために役立つ。ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の温度を可能な限り最良にかつ僅かな時間的遅延でもって検出することができるようにするために、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２はヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の直接的な近傍に配置されている。温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の電気的な抵抗はヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の電気的な抵抗より遙かに大きい。温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２は電気的に評価回路（図示せず）に接続されている。

第１の実施例では、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２ならびに温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２はダイヤフラム５を超えて延びている。温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２がダイヤフラム５を超えて突出している箇所で、温度センサの幅が、少なくともクロスバー７の領域で、ダイヤフラム５の領域に比べて遙かに広く構成されているので、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２ならびに温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２は区分７において極めて僅かな抵抗を有しているに過ぎず、それにより測定結果が受ける、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の、ダイヤフラム５の外側に位置する部分による影響は極めて僅かである。

温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２およびヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の接続部には符号９が付与されている。

矢印１１により、測定エレメントを横切って流動する空気の流動方向が暗示されている。このことは、基準温度センサＲ_Ｆａｍｂが、流れ来る空気の温度を、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２による影響を受けることなしに測定することを意味する。空気の流動方向で見て第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１は空気に吹き曝されて冷却される。同時に、空気は第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１の熱を受容し、その結果として、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２を温める。

図示されていない調整部もしくは閉ループ制御部により、第１のヒータＲ_Ｈ１の温度は設定された値に調整される。この目標値は一般に、基準温度センサＲ_Ｆａｍｂによって検出される周囲温度Ｔ_ａｍｂよりも一定の温度差ΔＴ分だけ高い。第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２は第１のヒータ抵抗と同じ温度、すなわちＴ_ａｍｂ＋ΔＴに調整される。ただし、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２は温められた空気により擦過されるので、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２において必要な加熱出力は、第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１において必要な加熱出力よりも僅かである。温度センサにおいて電圧差または電流差の形でまたは両者の組み合わせの形で表現し得る、加熱出力のこの差は、測定エレメントに沿って流動する空気の質量流量のための指標である。同時に、この差の符号から空気の流動方向を検出することもできる。

基準温度センサＲ_Ｆａｍｂ、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２ならびに温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２は、基板１およびダイヤフラム５に被着された抵抗層からエッチングにより作り出されている。これにより、簡単かつ自体公知の形式で、必要な電気的な構成部分を基板１およびダイヤフラム５上に製作することが可能である。

流量センサの本発明による測定エレメントの、図１から図９に示した実施形態の原理的な構造は実質的に同一であるので、以下にその相違についてのみ言及するが、その際、同一の符号を使用した。

図２に示した択一的な実施形態の場合、図１に示した実施例とは異なって、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１およびＲ_Ｆ，Ｈ２がヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１およびＲ_Ｈ２の外側に配置されている。

図３に示した実施例の場合、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２ならびに温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２が、その接続部９を除いて、ダイヤフラム５上に限られている。その結果として、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の幅もその全長にわたって一定である。図３に示した実施例の場合、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２はヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の内側に配置されている。

図４に示した別の実施例の場合、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２はヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の外側に配置されている。

図５に示した実施例の場合、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２はそのアースに関して１つにまとめられているので、接続部が１つ不要になる。この場合、共通のアース点は必ずしもダイヤフラム領域に位置している必要はなく、選択的にダイヤフラム５の外側にあってもよい。

図６では、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２が中央で統合されているので、この場合も１つの接続部が節減され得る。この場合も、共通のアース点がダイヤフラム５の領域に位置している必要はない。

図７に示した実施例の場合、Ｕ字形のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の両脚片は異なる幅を有している。第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１では、上流側に置かれた脚片の幅が、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２側の脚片よりも広い。第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２では、第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１側の脚片の幅が、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２の、下流側に置かれた第２の脚片よりも狭い。この手段により、ダイヤフラム５における温度分布の、改善されたシンメトリが達成されることができる。

ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２の幅および形状、やはり同様に温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の幅および形状が、例えば均等な発熱等の種々異なる要求に適合され得ることは明白である。

図８に示した実施例の場合、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２はダイヤフラム５の領域で確かに分離されているものの、接続部９ａおよび９ｂには同じ電流が供給される。この実施変化形は、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の抵抗を接続部９ｃ，９ｄもしくは９ｄ，９ｅの間の４点測定により求めるために特に適している。

図９に示した実施例の場合、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２の抵抗の評価はホイートストンブリッジ（図示せず）により実施され得る。この目的のために、温度センサＲ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２に対して付加的にさらに別の抵抗１３，１５が設けられており、これらの抵抗１３，１５には１つの共通の接続部９ｂを介して電圧が供給される。

図１０には、図１〜図９に示した測定エレメントの評価のための回路の回路図が示されている。第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１にかかっている電圧Ｕ_Ｈ１ならびに第２のヒータ抵抗にかかっている電圧Ｕ_Ｈ２は調整もしくは閉ループ制御される。このことは第１のブリッジ回路１７および第１の差動増幅器１９を介して行われる。この回路により、第１のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１にかかっている電圧Ｕ_Ｈ１は、ヒータ抵抗Ｒ_Ｈ１が所望の温度Ｔ＝Ｔ_ａｍｂ＋ΔＴを有するように調整される。同様な形で、第２のブリッジ回路２１および第２の差動増幅器２３を介して、第２のヒータ抵抗Ｒ_Ｈ２にかかっている電圧Ｕ_Ｈ２は調整される。電圧Ｕ_Ｈ１，Ｕ_Ｈ２は減算素子２５に供給され、減算素子２５はそこから出力電圧Ｕ_Ａを発生する。この出力電圧Ｕ_Ａは、測定エレメントに沿って流動する空気質量流量のための指標であると共に、流量センサの出力信号であり、評価回路内で、または内燃機関のエンジン制御部（図示せず）により処理されることができる。

「発明を実施するための最良の形態」、「図面」および「特許請求の範囲」で挙げた全ての特徴が、個別的にも相互の組み合わせでも、本発明の本質を成すものであることができることは自明である。

内部に位置する温度センサを備えた流量センサの、本発明による測定エレメントの第１の実施例を示す図である。 外部に位置する温度センサを備えた第２の実施例を示す図である。 図１および図２に示した測定エレメントの変化形を示す図である。 図１および図２に示した測定エレメントの変化形を示す図である。 ヒータ抵抗の、１つの共通のアース接続部を備えた測定エレメントを示す図である。 温度センサの、１つの共通のアースを備えた測定エレメントを示す図である。 ヒータ抵抗の、局所的に異なる幅を有した変化形を示す図である。 ４点測定のための温度センサの配置を備えた測定エレメントを示す図である。 ホイートストンブリッジに接続され得る温度測定センサを備えた測定エレメントを示す図である。 本発明による流量センサの実施例の回路図である。

符号の説明

１ 基板、 ３ 切欠き、 ５ ダイヤフラム、 ７ クロスバー、 ９ 接続部、 １１ 流動方向、 １３ 抵抗、 １５ 抵抗、 １７ 第１のブリッジ回路、 １９ 第１の差動増幅器、 ２１ 第２のブリッジ回路、 ２３ 第２の差動増幅器、 ２５ 減算素子、 Ｒ_Ｆａｍｂ 基準温度センサ、 Ｒ_Ｈ１ ヒータ抵抗、 Ｒ_Ｈ２ ヒータ抵抗、 Ｒ_Ｆ，Ｈ１ 温度センサ、 Ｒ_Ｆ，Ｈ２ 温度センサ、 Ｕ_Ｈ１ 電圧、 Ｕ_Ｈ２ 電圧

Claims (14)

1. ２つのヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）と、周囲温度を検出するための少なくとも１つの基準温度センサ（Ｒ_Ｆａｍｂ）とを備えた流量センサにおいて、各ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）に、さらに１つの温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）が、ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）の温度を検出するために対応配置されており、かつ該別の温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）がヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）の直接的な近傍に配置されていることを特徴とする、２つのヒータ抵抗を備えた流量センサ。
2. 温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）とヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）とが入れ子状にほぼ周回している、請求項１記載の流量センサ。
3. 各ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）を通る電流が別個に調整され、かつ温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）を通る電流の差または温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）にかかっている電圧の差が、流量測定および流動方向の検出のために援用される、請求項１または２記載の流量センサ。
4. ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）を通る電流が周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）に関連して調整される、請求項２記載の流量センサ。
5. ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）が、予め決められた値（ΔＴ）の分だけ周囲温度（Ｔ_ａｍｂ）を超えている温度に調整される、請求項３記載の流量センサ。
6. 温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）がヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）よりも大きな抵抗を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の流量センサ。
7. 測定エレメントが基板を有しており、該基板（１）によりダイヤフラム（５）が保持され、かつ基板（１）およびダイヤフラム（５）上に抵抗層が存在しており、該抵抗層から、ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）、温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）、および少なくとも１つの基準温度センサ（Ｒ_Ｆａｍｂ）が構造化されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の流量センサ。
8. 基準温度センサ（Ｒ_Ｆａｍｂ）が基板（１）を横断して配置されており、かつヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）と温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）とが実質的にダイヤフラム（５）を横断して配置されている、請求項７記載の流量センサ。
9. ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）および温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）のコンタクト形成のための線路が設けられており、該線路が抵抗層から構造化されている、請求項７または８記載の流量センサ。
10. ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）を形成する導体路の幅が部分的に異なって選択される、請求項７から９までのいずれか１項記載の流量センサ。
11. 温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）が４点測定またはホイートストンブリッジにより評価される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の流量センサ。
12. 流量センサが空気質量流量の検出のために使用される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の流量センサ。
13. 第２の基準温度センサ（Ｒ_{Ｆａｍｂ，２}）が設けられている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の流量センサ。
14. ヒータ抵抗（Ｒ_Ｈ１，Ｒ_Ｈ２）および／または温度センサ（Ｒ_Ｆ，Ｈ１，Ｒ_Ｆ，Ｈ２）に、それぞれ１つの共通の導体路を通して電流が供給される、請求項１から１３までのいずれか１項記載の流量センサ。

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