JP3583773B2 - 熱式空気流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、発熱抵抗体を用いて空気流量を計測する熱式空気流量計に係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するのに好適な空気流量計に関する。
【従来の技術】
【０００３】
自動車などの内燃機関の吸気通路に設置される空気流量計は、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。
【０００４】
このような熱式空気流量計は、空気流量測定素子として、例えば、吸入空気と直接或いは間接的に熱交換する発熱抵抗体及び空気流量測定時の空気温度の変化を補償する抵抗体（温度補償抵抗或いは感温抵抗体或いは測温抵抗体と呼ばれることもある）等を用いて、発熱抵抗体と温度補償抵抗との温度差が一定になるように発熱抵抗体に流れる電流を制御し、この電流値を電気信号に変換することで空気流量を測定している。
【０００５】
発熱抵抗体や温度補償抵抗は、温度依存性を有する抵抗体であり、今日では、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細加工技術を用いて、基板表面に薄膜状の空気流量用の抵抗領域を形成する技術が提案され、この方式は、熱式空気流量計を比較的容易に、しかも大量生産方式で生産できることから、経済性があり、また、低電力で駆動できるものとして注目されてきている。
【０００６】
半導体式の空気流量測定素子としては、例えば、特表平９−５０３３１０号公報に開示されている。この従来例は、内燃機関の吸気質量を測定するための質量測定装置において、センサエレメントとして、半導体、例えばシリコンウエハにエッチング処理を施すことでダイヤフラム状のセンサ領域を形成し、このセンサ領域に複数の抵抗層（一つは温度依存性を有する測定抵抗、一つは上記測定抵抗を加熱する発熱抵抗）を形成している。また、流動媒体の温度を補償するための媒体温度抵抗については、上記した発熱抵抗の熱的影響を避けるために、質量測定装置のケーシングの外面に配置している。
【０００７】
その他の従来例としては、例えば、特開２０００−２８４１１号公報に開示されるようにシリコン、アルミナ、ガラス等の基板の一端に発熱体及びこの発熱体により加熱される流量測定用の感温体を形成した流量検知部と、流量測定の空気温度補償を行なう感温体を形成した温度検知部とを形成し、基板の一部及び出力端子をモールディングによる被覆部材で被覆したものが提案されている。また、この従来例には、温度検知部が流量検知部の熱的影響を避けるために、流量検知部と温度検知部との間にスリットを設ける技術が提案されている。
【０００８】
上記したように、熱式空気流量計においては、空気流量測定素子として、発熱抵抗体や温度補償のための抵抗を使用している。
【０００９】
内燃機関に関しては、その空気流量値に基づき燃料供給制御を行われるが、そのほかに吸気温度センサを用いて吸気温度を種々の自動車制御に利用することが考えられている。例えば、点火時期制御、ターボチャージャーの過給圧制御、急加速時における燃料噴射量のリミッタ制御、触媒が活性温度に達したか否かの判断等が挙げられる。
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、吸気温度センサと空気流量計との一体化を可能にすることで、センサの部品点数やコスト削減、取付作業や取付スペースの合理化を図り、しかも吸気温度センサの精度を良好に保持できる空気流量計を提供することにある。
【００１１】
さらに、吸気温度検知素子（用途については特に問わない）を空気流量計と一体化する場合に、吸気温度検知素子と熱式の空気流量測定素子とを共通の支持体に実装させても、空気流量測定素子の発熱抵抗体や回路部及びエンジンからの熱的影響を十分になくして、吸気温度測定精度を高め、しかも、吸気中に含まれる水分、ガソリン蒸気、エンジンオイル、ブローバイガスに含まれる亜硫酸ガス、窒素酸化物等の金属腐食を発生させる環境下に置かれても、吸気温度検知素子の健全性を維持できる熱式空気流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、吸気温度センサに用いられる吸気温度検知素子を備え、該吸気温度検知素子を前記空気流量測定素子と共に一つのガラスセラミック製等の支持体に実装して吸気通路内に位置させた。また、前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とを、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続し、これらの電気的接続部を樹脂により封止した。
【００１３】
さらに支持体のうち、吸気管の管壁から遠ざかる方の一部の両面が吸気管を流れる空気流により熱を奪われ易くした構造とし、この熱を奪われる支持体面に前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とを配置した。
【００１４】
さらに、次のような発明を提案する。
【００１５】
一つは、熱式空気流量計において、吸気温度検知素子を備え、この吸気温度検知素子と前記空気流量測定素子とが一つのガラスセラミック製或いはセラミック製の支持体に実装されて吸気通路内に位置しており、前記支持体は、前記吸気管の管壁に取り付けたホルダーにより片持ちされ、前記吸気温度検知素子は、前記支持体における片持ちされる側と反対側の一端で且つ前記空気流量測定素子よりも前記ホルダーから遠ざかる位置に配置されるようにした。また、空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部が樹脂により封止されている。
【００１６】
もう一つは、前記支持体は、前記吸気管の管壁から遠ざかる方の一部の両面が吸気管を流れる空気流により熱を奪われ易くした構造とし、この熱を奪われる支持体面に前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とを配置したものを提案する。
【００１７】
もう一つは、前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、前記支持体に個別に設けた窪みに実装されて、前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部が樹脂により封止されているものを提案する。
【発明の実施の形態】
【００１８】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１９】
まず、本発明の第１実施例に係る熱式空気流量計を説明する。
【００２０】
第１図に示すように、本例における空気流量計１００は、空気流量測定素子２０のほかに吸気温度センサとして機能する吸気温度検知素子１を備えるものであり、この吸気温度検知素子１と空気流量測定素子２０とが一つのガラスセラミック製の支持体１０に実装されて、吸気通路（吸気管）４２a内の副通路４１に位置している。
【００２１】
副通路４１は、通路壁の一部（壁体）４１ａがホルダー４０と一体に形成され、残りの通路壁（壁体）４１ｂが通路壁４１ａと合わさることで副通路４１が構成されている。
【００２２】
支持体１０は、吸気管壁４２に取り付けたホルダー（流量計ハウジング）４０により片持ちされ、吸気温度検知素子１は、支持体１０における片持ちされる側と反対側の一端で且つ空気流量測定素子２０よりもホルダー４０から遠ざかる位置に配置されている。また、吸気温度検知素子１は、第３図に示すように空気流量測定素子２０よりも空気の流れ方向に対して上流側に配置されている。
【００２３】
第２、第３図に示すように、空気流量測定素子２０と吸気温度検知素子１とは、支持体１０に配設した導体１１および１２と電気的に接続され、これらの電気的接続部３１ａおよび１２′が絶縁性の樹脂２により封止されている。樹脂２は、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂、ガラス材のいずれか一つである。
【００２４】
本例では、支持体１０を後述するように積層基板により構成し、上記導体１１については積層基板表面に形成するが、導体１２については積層基板１０の層間に介在させており、その一端が積層基板１０に設けたバイアホール１０ａを介して吸気温度検知素子１の設置位置に露出し、この導体露出部が電気的接続部１２′になっている。吸気温度検知素子１の接続態様の詳細は、第５図を用いて後述する。
【００２５】
導体１２の他端は、バイアホール１０ｂを介して積層基板１０上の回路部における端子１６と電気的に接続されている。ここでは、導体１１を表層導体、導体１２を内層導体と称することもある。
【００２６】
発熱抵抗体２２及び感温抵抗体２３等の端子２７（第４図に示す）は、金線などのワイヤボンディング３１ａにより支持体１０側の導体１１（端子９１〜９４）と電気的に接続されている。
【００２７】
副通路（吸気測定通路）４１は、筒状をなしてホルダー４０の一端（先端）に設けられ、ホルダー４０の他端には、フランジ４３及びコネクタケース４４が設けられている。支持体１０のうち空気流量測定素子２０及び吸気温度検知素子１を設けた領域Ｓ（第３図）は、副通路４１内に臨んでいる。コネクタケース４４のピン端子４４ａは、その一端がホルダー４０に導かれて、支持体１０に設けた端子１６とワイヤ３１ｄを介して接続されている。
【００２８】
ホルダー４０及び副通路４１は、吸気管壁４２に設けた取付孔４５を通して吸気通路４２a内にセットされており、空気流量計１００は、フランジ４３を介して吸気管壁４２に取り付けられている。
【００２９】
ここで、第２、第４図を用いて熱式の空気流量測定素子２０について説明する。
【００３０】
空気流量測定素子２０は、半導体微細加工技術により作製され、単結晶シリコン基板２８上に電気絶縁層２１を形成し、その上に少なくとも1つの発熱抵抗体２２及び感温抵抗体２３がパターン形成されている。これらの抵抗体形成領域は、第３図では、符号のＳの領域に相当する。シリコン基板２８のうち発熱抵抗体２２を形成した領域の下部（裏面）には、単結晶シリコン基板２８を電気絶縁層２１まで異方性エッチングにより除去した空洞部２６が形成される。このような構造をなすことにより、発熱抵抗体２２を熱的に絶縁することによって、省電力により抵抗を発熱させることが可能となり、空気流速との熱交換を利用した空気流量検出が可能となる。
【００３１】
上記空気流量測定素子２０の製造プロセスについて説明する。単結晶シリコン基板２８上に電気絶縁層２１として二酸化シリコン層を熱酸化あるいはCVD（Chemical Vapor Deposition）等の方法で形成後、窒化シリコン層をCVD等の方法で形成する。次に多結晶シリコン層をCVD等の方法で形成し、不純物としてリン（P）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、多結晶シリコン層をパターニングすることにより発熱抵抗体２２、感温抵抗体２３等を形成する。
【００３２】
次に、保護層２９として窒化シリコン層をCVD等の方法で形成後、二酸化シリコン層をCVD等の方法で形成する。その後、前述した方法と同様に保護層をパターニングし、電極２７を形成する部分の保護層２９を取り除く。次に、アルミニウム層を形成し、エッチングによりパターンニングを行う。最後に、空洞部２６を形成するために、単結晶シリコン基板２８の発熱抵抗体２２を形成していない面にCVD等の方法により窒化シリコン層を形成し、パターニングを行う。その後、異方性エッチングを行い、空洞部２６を形成し、ダイシングによりチップに分割する。分割された空気流量測定素子２０は、例えば長辺が6mm、短辺が2.5mm、厚さが0.3mm程度である。
【００３３】
次に支持体１０となる積層基板の製造工程について説明する。ここでは、支持体１０は、ガラスセラミック製積層基板である。
【００３４】
まず、厚さ0.1〜0.3mm程度のグリーンシート状態のガラスセラミック板を所望の枚数だけ密着して重ね、加圧して積層させる。支持体１０の表面には、空気流量測定素子２０を配置するための窪み１３ａを設けるが、この窪み１３ａは、グリーンシート状態で積層基板の任意の枚数に対し打抜き型により所望の形状に打抜いておくことにより、形成される。
【００３５】
空気流量測定素子２０は、窪み１３ａ内に接着剤３０を介して実装される。窪み１３ａの深さは、この接着剤３０の厚みも配慮して、空気流量測定素子２０の表面と支持体（積層基板）１０の表面が一致するように設定する。これは支持体１０と空気流量測定素子２０の表面が一致せずに段差がある場合には、この段差により空気流が乱れて出力特性が不安定になるためである。接着剤３０は、エポキシまたはシリコーン系の接着剤を使用している。
【００３６】
その接着態様は、シリコン基板２８の裏面の一部を窪み１３ａ内の底面に接着するものであり、シリコン基板２８の裏面のうち接着されていない箇所は、窪み１３ａの底面との間に空隙を確保している。このようにすることで、発熱抵抗体２２に対する支持体１０の熱絶縁性を空洞２６との協働によりさらに高めており、また、発熱抵抗体２２の熱量と空気流量の熱交換性能を高めている。
【００３７】
支持体１０の表面又は裏面には、必要があれば空気流量の電子回路に必要な抵抗膜１４を形成する。
【００３８】
吸気温度検知素子１は、小型化を図れるチップ形のサーミスタを使用しており、
例えばMnO-CoO-NiO系スピネル、MnO-CoO系スピネルZrO２系固体電解質Al2O3-スピネル複合等の材料から成り、大きさは1.6×0.8×0.8（ｍｍ）、1.0×0.5×0.5（ｍｍ）等のものがある。このようなチップ型の吸気温度検知素子1を使用することにより、熱式空気流量測定素子２０と同様にチップマウンタを使用して同時に積層基板10に実装することが可能である。
【００３９】
第５図に示すように吸気温度検知素子１は、その両端に電極１ａ，１ｂが設けてあり、これらの電極１ａ，１ｂが支持体（積層基板）１０の表面に設けた導体膜（電気的接続部）１２′にはんだ８０を介して電気的に接続されている。既述したように導体膜１２′は、バイアホール１５を介して支持体１０の内層導体１２につながっている。はんだ８０のパターンは、他の回路部品17と同様に印刷などにより形成することが可能であり、従って生産性を下げることなく吸気温度検知素子1を支持体に電気的に接続することができる。
【００４０】
支持体１０のうちホルダー４０に片持ちされる側の一面に、空気流量計測に関する電子回路部１９が形成されている。この電子回路部１９は、ＩＣチップ１８、抵抗１７などの部品により構成され、この電子回路部１９がホルダー４０内に封止されている。
【００４１】
支持体１０は、その裏面が接着剤４７を介してホルダー４０の内面に固定され、電子回路部１９側はシリコーンゲルなどにより樹脂封止されている。
【００４２】
この電子回路部１９と熱式空気流量測定素子２０との回路図を第７図に示す。第７図に示すように、発熱抵抗体２２と感温抵抗体２３は、抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して出力が取出され、オペアンプを介してフィードバック回路を形成することにより、発熱抵抗体２２が感温抵抗体２３に対して一定温度高くなるように制御される。
【００４３】
支持体（積層基板）１０の表・裏面の導体１１と各内層導体１２は、それぞれバイアホール１５により接続される。このように、積層基板１０の内層導体１２を使用して熱式空気流量測定素子を制御するための回路を構成することにより、回路をコンパクトにまとめることができ、空気流量計の小型化に貢献することができる。
【００４４】
空気流量測定素子２０は、前述したように2×6×0.3mm程度の大きさであるため、第１図に示すように副通路４１の中央に空気流量測定素子２０を配置すると、樹脂２がない場合には、電気的接続部３１ａが空気中に剥き出しとなり、また、吸気温度検知素子１もその電気的接続部１２′が空気中に晒される。そのため、上記した電気的接続部は、吸気中に含まれる水分、ガソリン蒸気、エンジンオイル、ブローバイガスに含まれる亜硫酸ガス、窒素酸化物等により金属腐食を発生させる環境下に置かれることになる。本実施例では、上記した電気的接続部を樹脂封止により直接吸入空気に晒されない構造とすることにより、上記した腐食を回避することができる。
【００４５】
また、封止樹脂部２は、低熱伝導性のガラスセラミック製の支持体１０上に形成され、これらの樹脂２は、ホルダー４０や副通路４１の管壁とは離されているので、エンジンや空気流量計の電子回路部から発生する熱などが樹脂部材を介して吸気温度検知素子１や空気流量測定素子２０に伝わるのを防止することができる。
【００４６】
仮に、封止樹脂２がホルダー４０などの空気流量計の樹脂部と接触してしまうと、次のようなことが懸念される。例えば極寒地域において自動車が放置された直後にエンジン始動する場合、高温地域において連続で自動車が運転される場合などでは、熱式空気流量計の環境温度が−30〜100℃以上と広範囲に変化する。この時、空気流量計のハウジングを介して吸気温度素子に上記環境温度の熱伝導があると、吸気温度検知素子は、吸気温度を正確に測定することが困難となる。本実施例では、上記構造をなすことにより、このような不具合を防止できる。
【００４７】
第１図に示すように、空気流量測定素子２０を副通路４１の中央に配置し、接続線３１ａ部分をエポキシ等の樹脂２により封止した場合には、空気流量測定素子２０の表面が支持体１０の表面とほぼ同一平面をなすこと、および樹脂２が膜状をなして電気的接続部３１ａ付近をなだらかに覆うので、電気的接続部が副通路４１の壁面近くに位置しても、この壁面近くを流れる吸入空気流の流れの乱れを抑えることができる。したがって、空気流量測定精度を良好に維持することができる。
【００４８】
樹脂２の封止する方法としては、印刷、ポッティング等の方法がある。印刷法はポッティング法に比べると、個々の封止形状バラツキが小さくなる。前述したように封止部分は空気流に晒され、かつ空気流量測定素子２０の近傍に形成されるため、形状バラツキが小さい方が空気流量計測のばらつきが小さくなる。
【００４９】
空気流量計１００は、エンジン，環境温度変化の影響により前述したように−30〜130℃程度の温度変化環境下に置かれる。したがって、空気流量計１００に実装される吸気温度検知素子1が吸入空気温度を正確に検出するためには、この温度変化影響を極力小さくすることが望ましい。そのためには、吸気温度検知素子1への熱伝導経路である支持体１０は、低熱伝導率の低い材料が望ましい。ここで、本発明に使用の支持体であるガラスセラミック基板１０の熱伝導率は約3〜4W／m・K程度である。例えば通常のセラミック基板の熱伝導率は約21W／m・K程度、ステンレスは15W／m・K程度のであるため、ガラスセラミック基板10に吸気温度検知素子1を実装する構造は非常に有効である。
【００５０】
特に本実施例では、吸気温度検知素子１をガラスセラミック基板（支持体）１０のうちホルダー４０から遠く離れた位置に配置するので、空気流量計から伝わる吸気温度検知素子１に伝わる伝熱量を極力小さくすることができる。
【００５１】
吸気温度検知素子1は、空気流量測定素子２０の表面の空気流を乱さない場所に設置する必要がある。そのためには、吸気温度検知素子1の配置位置は、第１図に示すように支持体１０の先端部が望ましく（換言すれば、空気流に対して吸気温度検知素子１と空気流量測定素子２０とがオーバーラップしないようにするのが望ましく）、また、吸気温度検知素子1は、空気流量測定素子２０の熱影響を受けないためには空気流量測定素子２０よりも上流側に設置することが望ましい。
【００５２】
このように吸気温度検知素子１を、支持体１０の先端部に配置する場合には、その反対側の端部に設けた電極１６と上記吸気温度検知素子１との間の配線スペースを支持体１０の表面面積を大きくすることなく確保することが課題となるが、この課題については、本実施例のように積層基板１０の特徴である内層導体１２を使用することにより達成することができる。
【００５３】
また、副通路４１内はメインの吸気通路４２ａに比べると流速が大きいため、吸気温度検知素子1の冷却効果が大きい。従って、吸気温度検知素子1を空気流量計の支持体１０に実装して、副通路４１に配置することは吸気温度検知素子1の精度を上げるために有効な手段である。
【００５４】
吸気温度検知素子1と表層導体１２′は、既述したように樹脂２０により封止することが可能なので、耐久性を著しく向上させることができる。また、チップ型の吸気温度検知素子1を使用することにより、封止領域を非常に小さくすることが可能であるため、樹脂封止しているにもかかわらず樹脂封止を行わない場合と同等の性能を得ることができる。
【００５５】
第６図に本実施例に係る空気流量計１００を使用するガソリンエンジン等の内燃機関のシステム図を示す。
【００５６】
第６図に示すように、エンジンの吸気通路４２ａには、空気流量計１００、エアクリーナー１０２、吸気通路４２ａ、スロットル角度センサ１０３、アイドルスピードコントロールバルブ１０４、スロットルボディ１０５が装備されている。１０６は、吸気マニホールドである。
【００５７】
吸気通路４２ａを流れる吸入空気１０１は、副通路中において、空気流量計１００により空気流量が計測され、吸気温度検知素子1により吸気温度が検知される。空気流量信号は電圧または周波数により、吸気温度信号は電圧により車両コントロールユニット１０７に取り込まれる。
【００５８】
空気流量信号は、インジェクタ１０８、回転速度計１０９、エンジンシリンダ１１０、排気マニホールド１１１、酸素濃度計１１２から構成される燃焼部構造およびサブシステムの制御に用いられる。
【００５９】
吸気温度信号は、前述したように、例えば、点火時期制御、ターボチャージャーの過給圧制御、急加速時における燃料噴射量のリミッタ制御、触媒が活性温度に達したか否かの判断などに使用される。
【００６０】
なお、図示はしないが、ディーゼルエンジンシステムの場合も、基本構成はガソリンシステムとほぼ同じであり本発明の熱式空気流量計測装置を適用することが可能である。
【００６１】
支持体１０の態様は、上記実施例のものの他に種々のものが考えられる。構造的には、上記実施例と共通する点が多く、ここでは、特に相違点についてのみ述べる。
【００６２】
第８図に示す第２実施例では、支持体（積層基板）１０の表面に、空気流量測定素子２０を配置する窪み１３ａを設けるほかに、窪み１３ｂを設け、その窪み１３ｂの中に吸気温度検知素子１を実装することにより、封止後に積層基板１０の表面に露出する吸気温度検知素子１の高さを低くすることができる。
【００６３】
上記構造によれば、支持体１０表面の空気流の乱れが少なくなるため、空気流量測定素子２０表面での空気流の乱れが減少し、流量計測精度を向上する。
【００６４】
第９図に示す第３実施例も第８図の実施例と同様に、支持体１０の表面に吸気温度検知素子１の窪み１３ｂを設けるが、本例では、吸気温度検知素子１の厚さを窪み１３ｂの深さ以下とし、それにより、樹脂封止後の吸気温度検知素子１表面が積層基板１０表面とほぼ同等とすることが可能になり、このようにすれば、支持体１０表面における空気流の乱れを減少させるに最も効果的である。この窪み１３ｂは、空気流量測定素子２０を実装する窪み１３ａを形成する際に同時に形成することができるため、生産性を損なうことなく形成することが可能である。
【００６５】
第８、９図に示すように、窪み１３ｂに吸気温度検知素子１を実装する場合には、他の回路部品１７，１８などを実装するために行うはんだ印刷面（表層導体）との間に段差ができることから、他の回路部品１７，１８などのはんだパターンと同時に吸気温度検知素子１のはんだパターンを形成することが困難となる。この改良例を第１０図に示す。
【００６６】
第１０図に示す第４実施例では、支持体１０における窪み１３ｂ（吸気温度検知素子１の実装位置）の周辺の支持体表面に内層導体１２の一端１２′をバイアホール１０ａを介して露出させる。この露出部分１２′は、支持体表面に形成される導体膜よりなり、この導体膜１２′と吸気温度検知素子１とを金線等のワイヤ３１ｂでボンディングにより接続している。吸気温度検知素子１は、窪み１３ｂの底面に接着剤３０を介して取り付けられる。
【００６７】
このようにすれば、上記したはんだパターン形成に関する課題をクリアでき、しかも、空気流量測定素子２０と積層基板表層導体１１をボンディングする時に吸気温度検知素子１のボンディングを同時作業を行うことができるため、生産性を損なうことなく吸気温度検知素子１を電気的に接続することができる。
【００６８】
吸気温度検知素子１の表面が空気流量測定素子２０の表面と同一又はそれ以下の場合には、吸気温度検知素子１からの接続線３１ｂ高さを空気流量測定素子２０からの接続線３１ａ高さと同等またはそれ以下にすることができる。従って吸気温度検知素子１と空気流量測定素子２０の封止樹脂２の高さを同じにすることが可能となる。
【００６９】
この場合、空気流量測定素子２０の電気的接続部３１ａと、吸気温度検知素子１の電気的接続部３１ｂとを、同時に先に延べた印刷法により樹脂封止できるため、前述したように封止形状のバラツキが小さくなり、高精度な熱式空気流量計１００を生産することが可能となる。
【００７０】
第１１図に示す第５実施例も、吸気温度検知素子１と支持体１０に設けた表面導体１２′とをワイヤボンディング３１ｂにより接続するものであるが、本例では、表面導体１２′の面を支持体１０のトップ表面よりも低くなるように段差面を形成した。このようにすることで、ワイヤボンディング３１ｂを窪み１３ｂ内に位置させることが可能になり、このワイヤボンディング（電気的接続部）を封止する樹脂２の表面を積層基板１０表面とほぼ同等とすることができる。
【００７１】
封止樹脂２としては、耐環境性、特にガソリンやエンジンオイル等の非極性溶剤に対する耐膨潤性に優れているものが適しており、先に挙げたエポキシ樹脂以外にもフッ素樹脂などが挙げられる。特にフッ素樹脂は硬化後も樹脂自身がエポキシ樹脂に比較して柔らかいため、接続線３１ａ、３１ｂにかかるストレスが小さくなる利点がある。ただし、柔らかいために樹脂封止後の取扱い性はエポキシ樹脂より悪くなる。
【００７２】
小型実装可能なチップ型の吸気温度検知素子１を使用することによって、ほとんど新たな生産設備を導入すること無く、吸気温度検知素子１を支持体１０に実装することが可能となるため、信頼性の高い吸気温度検知素子付の空気流量計を生産することができる。特に、第１０図の構成においては、空気流量測定素子２０と吸気温度検知素子１とを同様の組立工程とすることができ、生産性を向上させることができる。
【００７３】
第１２図は、本発明の第６実施例に用いる支持体１０及びその上に配置される空気流量計部品及び吸気温度検知素子の平面図、第１３図はその縦断面図である。
【００７４】
本実施例においても、吸気温度検知素子１は窪み１３ｂに実装され、空気流量測定素子１は、窪み１３ａに実装される。吸気温度検知素子１と支持体１０上の導体１２′の電気的接続態様は、第１０図の実施例と同様である。
【００７５】
さらに、本実施例では、支持体１０における吸気温度検知素子１の電気的接続部３１ｂ、および空気流量測定素子２０の電気的接続部３１ａを一箇所にまとまるように配置して、これらの電気的接続部３１ａ，３１ｂを一箇所の樹脂２によりまとめて封止している。
【００７６】
上記の構造をなすために、窪み１３ａと１３ｂとを空気の流れ方向に対して垂直方向に並ぶように配置し、支持体１０表面の各窪み１３ａ，１３ｂの間に各素子１，２０を電気的に接続するための電極９１〜９６を設ける構造とし、また空気流量素子２０の向きも今までの実施例とは逆向き（空気流量測定素子２０の電極２７を吸気温度検知素子１に向いた側にする）に配置した。このようにすることにより、樹脂２で封止する個所を１つにまとめることができ、空気流量計の生産性をさらに向上させることができる。
【００７７】
吸気温度を正確に測定するためには、前述したように支持体１０から吸気温度検知素子１へ与えられるのエンジンや空気流量計回路部１９の熱影響を極力少なくすることが望ましい。
【００７８】
支持体１０の材質として既述したガラスセラミック製を用いた場合には、そのままでも吸気温度検知素子１へのエンジンや空気流量計回路部（空気流量測定素子２０を含む）からの熱的影響を十分に排除できるが、以下の実施例に示すように種々の熱伝導抑制策を施すことにより、吸気温度検知素子１の精度を良好に確保することができる。以下の実施例では、ガラスセラミックよりも熱伝導率の高い通常のセラミック材を使用した場合であっても、上記した熱的影響を十分に排除することができる。
【００７９】
第１４図は、第７実施例に係る支持体１０の裏面を示す一部省略平面図、第１５図はそのＡ−Ａ縦断面図である。
【００８０】
本実施例では、空気流量計やエンジンからの熱が支持体１０を介して吸気温度検知素子１に熱伝導されるのを抑制するために、支持体１０の裏面に多数のスリット５０を設置している。このようにすることにより、吸気温度検知素子１の精度を向上させることができる。
【００８１】
支持体１０の表面には、空気流を乱す凹凸が無いことが望ましいので、スリット５０は、支持板１０の裏面側に形成することが望ましい。また、支持体１０の吸気温度検知素子１裏面に窪み１３ｃを設けることにより、同じく熱伝導影響を低減することが可能である。溝５０及び窪み１３ｃは熱式空気流量測定素子２０を実装するための窪み１３ａを形成する手法と同様の手法で形成することが可能であるため、生産性を損なうことなく形成することが可能である。
【００８２】
溝５０は、空気流量測定素子２０表面の空気流を乱さない位置であれば支持体１０の表面側に形成しても構わない。第１６図に示す第８実施例に係る支持体１０は、溝５０を支持体１０の表面に形成した例であり、吸気温度検知素子１の周囲と空気流量測定素子２０の設置位置よりも支持体片持ち側に溝５０を設けている。溝５０は、支持体１０表面から裏面まで貫通させるほうが熱伝導阻止の効果が大きい。
【００８３】
熱伝導阻止のためには第１７図に示す第９実施例に示すように、支持体１０表面に多数のスルーホール５１を設置しても同様の効果が得られる。スルーホール５１は積層基板１０に前述したバイアホール１５を設ける際に同時に形成することが可能である。ここで、第１７図に示す熱式空気流量測定素子２０の場合はスルーホール５１を設けることにより、耐汚損性の向上を図ることができる。以下にその理由を説明する。
【００８４】
まず、本実施例における熱式空気流量測定素子２０について第１８図を説明する。本実施例では、発熱抵抗体２２と温度補償用の感温抵抗体２３は、第１９図に示すようにフィードバック回路を形成している。この回路構成は、既述した第７図のものと同様であり、発熱抵抗体２２は感温抵抗体２３に対して一定温度高くなるように制御される。
【００８５】
さらに本実施例では、発熱抵抗体２２を挟んで、その上流側に感温抵抗体２４を配置し、下流側に感温抵抗体２５を配置しており、これらの感温抵抗体２４，２５は、発熱抵抗体２２からの熱伝達を受けてある温度になる。空気流が無い場合には上，下流の感温抵抗体２４，２５はそれぞれほぼ同じ温度となっている。この状態は第２０図の破線の温度分布で表される。ここで、空気流がある場合には上流側の感温抵抗体２４は空気流により冷却され、下流側の感温抵抗体２５は上流からの熱を受け易くなるため、第２０図の実線で示す温度分布となり、上，下流側の感温抵抗体２４，２５間に温度差が生じる。この温度差は空気流量の関数となるため、温度差量を検出することにより空気流量を検出することが可能である。すなわち、本実施例は、上記した温度差により上，下流の感温抵抗体値が変化するため、第１９図に示すようにブリッジ回路を構成することにより、温度差を電圧差に変換して空気流量とすることができる。
【００８６】
ここで熱式空気流量測定素子２０は先にも延べたように吸入空気に晒される構造であるため、空気流に含まれる汚染物質が長期間の使用により熱式空気流量測定素子２０表面に堆積する。その結果、空気流量計１００の出力特性が変化し、第１８図に示す熱式空気流量測定素子の場合には、第２０図に示すように高流量域で特性がマイナスにシフトする。
【００８７】
これは、汚損物質の付着により発熱抵抗体２２からの感温抵抗体２４、２５への熱伝導量が大きくなり、感温抵抗体２４、２５から空気への熱伝達量が小さくなることから温度差が生じ難くなるためと推測される。
【００８８】
ここでスルーホール５１が形成されていると、汚損物質が付着していない場合には、第２２図に示すようにスルーホール５１にも空気が流れる。しかし、汚損物質が付着すると、第２３図に示すようにスルーホール５１が汚損物質で埋るため、その分基板表面を流れる空気が実質的に増加するため、空気流量測定素子２０に汚損物質が付着しても、空気流量計の流量出力特性は第２１図に示すように改善される。
【００８９】
上記した実施例では、支持体１０は、ガラスセラミック材のように低熱伝導率で積層基板を使用したが、支持体１０については、ホルダー（空気流量計ハウジング）４０から吸気温度検知素子１への熱伝導を防止する構造であれば、積層基板でなくともよい。
【００９０】
第２４図は、支持体（積層基板）１０に代わって単層基板の支持体６０を使用した実施例に関するもので、その（ａ）は支持体６０を上面からみた一部省略平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）はそのｃ−ｃ線断面図である。
【００９１】
支持体６０も例えばガラスセラミック材により構成される。
【００９２】
この場合、空気流量測定素子２０を実装する窪み１３ａ、吸気温度検知素子１を実装する窪み１３ｂ、その他、既述した溝５０、窪み１３ｃ等は型により形成することが可能である。
【００９３】
前述した支持体６０の材料が、ガラスセラミックのように低熱伝導率の材料であれば、熱伝導を抑制するための溝５０や窪み１３ｃと組み合わせることによって、吸気温度素子１を支持体６０の片持ち側に配置しても、熱影響を受け難い高性能な吸気温度検知素子付の熱式空気流量計測装置を製造することが可能となる。
【００９４】
第２５図は、本発明の第１１実施例に係るもので、（ａ）は、その支持体６０を上からみた一部省略平面図であり、（ｂ）は、そのＤ−Ｄ線断面図である。
【００９５】
本実施例の支持体６０もガラスセラミックの単層基板を使用するものであり、吸気温度素子１については、支持体６０の先端に配置している。吸気温度素子１のリード線（導体）１２′は、支持体６０の表面に形成されるが、この導体１２′をガラスにより覆うことにより、導体の耐食性を高め、このようにすれば、吸気温度素子1を支持体６０上で任意の位置に設置することが可能である。
【００９６】
上記各実施例では、吸気温度検知素子１をチップ形サーミスタを用いたが、これに代わって第２６図の実施例に示すように、支持体１０上に印刷抵抗により吸気温度検知素子１を形成することも可能である。また、このように吸気温度検知素子１が印刷抵抗の場合には、その電気的接続部の封止部２を樹脂に代わってガラスで封止してもよい。
【００９７】
第２７図は、本発明の第１３実施例を示す縦断面図である。本実施例において、既述した各実施例との相違点は、一つは、支持体１０（或いは支持体６０）をホルダー４０により片持ちするのに代えて、ホルダー４０と副通路４１の壁体４１ａとによって両端支持した点にある。もう一つは、支持体１０のうち吸気管壁４２から遠ざかる方の一部の両面が吸気管を流れる空気流により熱を奪われ易くした構造とし、この熱を奪われる支持体面に空気流量測定素子２０と吸気温度検知素子１とを配置した点にある。
【００９８】
ここでは、副通路の壁体４１ａに開口部４００を設け、開口部４００の縁に支持体１０を両端保持する突起４１ａ′，４１ａ″を形成する。支持体１０のうち空気流量測定素子２０及び空気温度検知素子１を配置した側と反対側の面は、開口４００を通して吸気通路４２ａ内に臨む。本実施例によれば、支持体１０のうち空気流量測定素子２０及び吸気温度検知素子１を設けた側は、副空気通路４１内を流れる空気流により熱を奪われ、その反対側は開口４００を介して吸気通路４２ａ内を流れる空気流により熱を奪われる。
【００９９】
その結果、支持体１０をホルダー及び副通路壁体により両端支持する構造であっても、支持体１０の空気冷却効果を期待でき、吸気温度検知素子１に吸気管壁からのエンジンの熱や発熱抵抗体の熱などが伝達されるのを有効に防止することができる。
【０１００】
第２８図は、本発明の第１４実施例を示す縦断面図である。本実施例において、既述した各実施例との相違点は、支持体１０のうち副通路４１に位置する部分については、その支持体一面（吸気温度検知素子１及び吸気流量測定素子２０がある側と反対の面）を副通路壁体４１ａの内面で受けるようにした点と、この支持体一面を受ける副通路壁体４１ａの外面に放熱板（放熱フィン）４０１などの放熱部材を設けた点にある。
【０１０１】
本実施例の構成においても、支持体１０のうち空気流量測定素子２０及び吸気温度検知素子１を設けた側は、副空気通路４１内を流れる空気流により熱を奪われ、その反対側は放熱フィン４０１を介して吸気通路４２ａ内を流れる空気流により熱を奪われる。したがって、第１３実施例と同様の効果を奏し得る。
【０１０２】
放熱フィン４０１を設ける壁体４１ａの外面には、内側に向けて凹ませた凹部４０２を形成し、この凹部４０２に放熱フィン４０１を嵌めこんで取り付けている。このようにして、放熱フィン４０１が吸気通路４２ａの空気流の障害とならないようにしてある。
【０１０３】
第２９図は、本発明の第１５実施例を示す縦断面図である。
【０１０４】
本実施例も支持体１０を両端支持する構造を採用しているが、支持体１０のうち副通路４１に位置する両面は、第１図の実施例同様に吸気管（副通路）を流れる空気流により熱を奪われ易くした構造にしている。支持体１０は、その一端がホルダー４０により保持され、他端が副通路壁体４１ａの一端に設けた突起４０３により保持されている。突起４０３は、支持体１０先端を受け入れる部分４０３′が段差をなして、段差４０３′が支持体実装時に支持体１０を受けとめて位置合わせできるようになっている。
【０１０５】
本実施例においても、支持体１０の空気冷却効果を期待でき、吸気温度検知素子１に吸気管壁からのエンジンの熱や発熱抵抗体の熱などが伝達されるのを有効に防止することができる。
【０１０６】
なお、上記各実施例では、吸気温度検知素子１として空気流量計測と別目的に使用する吸気温度センサに適用するものを例示したが、支持体１０や支持体６０に温度補償用の測温抵抗体２３を同様の手法により配置することも可能である。
【０１０７】
また支持体１０や支持体６０は、樹脂基板でも構成可能であり、ガラスエポキシ，フェノール樹脂，ポリイミド等の樹脂基板の単層基板又は積層基板においても本発明を適用することは可能である。
【発明の効果】
【０１０８】
本発明によれば、吸気温度センサ（吸気温度検知素子）に対する熱式空気流量計やエンジンからの熱的影響を十分に抑制して、吸気温度センサと熱式空気流量計との一体化を可能にする。そのため、計測系の部品点数やコスト削減、取付作業や取付スペースの合理化を図り、しかも吸気温度センサの精度を良好に保持できる空気流量計を提供することができる。
【０１０９】
しかも、吸気温度検知素子は、吸気中に含まれる水分、ガソリン蒸気、エンジンオイル、ブローバイガスに含まれる亜硫酸ガス、窒素酸化物等の金属腐食を発生させる環境下に置かれても、耐食性を有して健全性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る熱式空気流量計を内燃機関の吸気通路に装着した状態を示す縦断面図。
【図２】第１実施例に用いる支持体（積層基板）に空気流量測定素子及び吸気温度検知素子などを実装した状態を示す縦断面図。
【図３】図２の平面図。
【図４】上記実施例に用いる空気流量測定素子の平面図。
【図５】上記実施例に用いる吸気温度検知素子の実装状態を透視して示す斜視図。
【図６】上記実施例の空気流量計を搭載したエンジンシステムの概要図。
【図７】上記実施例に用いる空気流量計の電気回路図。
【図８】本発明の第２実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す縦断面図。
【図９】本発明の第３実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す縦断面図。
【図１０】本発明の第４実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す縦断面図。
【図１１】本発明の第５実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す縦断面図。
【図１２】本発明の第６実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す平面図。
【図１３】第６実施例の縦断面図。
【図１４】本発明の第７実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を支持体の裏面からみた一部省略平面図。
【図１５】図１４のＡ−Ａ線断面図
【図１６】本発明の第８実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す一部省略平面図。
【図１７】本発明の第９実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す一部省略平面図。
【図１８】第９実施例に用いた空気流量測定素子の平面図。
【図１９】第９実施例に用いる空気流量計の電気回路図。
【図２０】第９実施例における空気流量測定素子上の温度分布を示す説明図。
【図２１】第９実施例に用いるスルーホール付き空気流量測定素子とスルーホール無しの空気流量測定素子の経時的な出力特性変化を示す線図。
【図２２】第９実施例の汚損物質付着前の支持体上を流れる空気の状態を示す説明図。
【図２３】第９実施例の汚損物質付着後の支持体上を流れる空気の状態を示す説明図。
【図２４】（ａ）は本発明の第１０実施例に用いる支持体への計測素子実装状態を示す一部省略平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）はそのＣ−Ｃ線断面図。
【図２５】（ａ）は本発明の第１１実施例に用いる支持体への計測素子実装状態を示す一部省略平面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図。
【図２６】本発明の第１２実施例に用いる支持体に計測素子を実装した状態を示す一部省略平面図。
【図２７】本発明の第１３実施例を示す縦断面図。
【図２８】本発明の第１４実施例を示す縦断面図。
【図２９】本発明の第１５実施例を示す縦断面図。

Claims (16)

1. 発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、
   吸気温度センサに用いる吸気温度検知素子を備え、該吸気温度検知素子を前記空気流量測定素子と共に一つの支持体の同一面に実装して吸気通路内に位置させており、前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部がポッティングまたは印刷法により樹脂封止されていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、
   吸気温度検知素子を備え、この吸気温度検知素子と前記空気流量測定素子とが一つの支持体の同一面に実装されて吸気通路内に位置しており、
   前記支持体は、前記吸気管の管壁に取り付けたホルダーにより保持され、且つこの支持体の前記吸気管の管壁から遠ざかる方の一部の両面が吸気管を流れる空気流により熱を奪われ易くした構造とし、この熱を奪われる支持体面に前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とが配置され、
   前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部がポッティングまたは印刷法により樹脂封止されていることを特徴とする熱式空気流量計。
3. 発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、
   吸気温度検知素子を備え、この吸気温度検知素子と前記空気流量測定素子とが一つの支持体の同一面に実装されて吸気通路内に位置しており、
   前記支持体は、前記吸気管の管壁に取り付けたホルダーにより片持ちされ、前記吸気温度検知素子は、前記支持体における片持ちされる側と反対側の一端で且つ前記空気流量測定素子よりも前記ホルダーから遠ざかる位置に配置され、
   前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部がポッティングまたは印刷法により樹脂封止されていることを特徴とする熱式空気流量計。
4. 発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、
   吸気温度検知素子を備え、この吸気温度検知素子と前記空気流量測定素子とが支持体に実装されて吸気通路内に位置しており、且つ前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、前記支持体に個別に設けた窪みに実装されて、前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、これらの電気的接続部が樹脂により封止されていることを特徴とする熱式空気流量計。
5. 前記支持体のうち前記ホルダーに片持ちされる側の一面に、空気流量計測に関する電子回路部が形成され、この電子回路部が前記ホルダー内に封止されている請求項３記載の熱式空気流量計。
6. 前記空気流量測定素子は、半導体微細加工により半導体基板表面に少なくとも前記発熱抵抗体を形成し、該半導体基板における前記発熱抵抗体の形成領域の裏面に空洞を形成してなる半導体型素子であり、
   前記支持体は、積層基板により構成され、この積層基板の一部を切り欠いて前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とを設置するための窪みが個別に形成され、これらの窪みに前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とが配設されている請求項１から５のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
7. 前記支持体は積層基板からなり、その層間に前記吸気温度検知素子の導体膜が介在し、前記導体膜の一端が前記吸気温度検知素子の設置位置或いはその近くに露出して、この導体膜の一端と前記吸気温度検知素子とが電気的に接続され、前記導体の他端が前記支持体上に設けた端子と電気的に接続されている請求項１から６のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
8. 前記吸気温度検知素子は、前記空気流量測定素子よりも空気の流れ方向に対して上流側に配置されている請求項１から７のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
9. 前記支持体は、ガラスセラミック製或いはセラミック製である請求項１から８のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
10. 前記電気的接続部を封止する樹脂は、エポキシ樹脂、フッ素含有樹脂、ガラス材のいずれか一つである請求項１から９のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
11. 前記吸気温度検知素子の表面が前記空気流量測定素子の表面とほぼ同一の平面、あるいは前記吸気温度検知素子の表面が前記空気流量測定素子の表面よりも低くなるように実装されている請求項１から１０のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
12. 前記支持体における前記吸気温度検知素子の電気的接続部、および前記空気流量測定素子の電気的接続部を一箇所にまとまるように配置して、これらの電気的接続部を一箇所の樹脂によりまとめて封止している請求項１から１１のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
13. 前記支持体には、前記ホルダーのケースを介して伝達される熱伝導経路にスリット或いはスルーホールを配設してなる請求項１から１２のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
14. 前記支持体における前記吸気温度検知素子の設置位置の裏面に窪みを設けている請求項１から１３のいずれか１項記載の熱式空気流量計。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の熱式空気流量計とエンジンと前記吸気温度検知計の出力に基づいて前記エンジンを制御する制御装置とを備えた内燃機関の制御システム。
16. 発熱抵抗体を有する熱式の空気流量測定素子を吸気通路内に配置して、吸気通路内を流れる空気流量を計測する熱式空気流量計において、
    吸気温度検知素子を備え、該吸気温度検知素子を前記空気流量測定素子と共に一つの支持体に実装して吸気通路内に位置させており、前記空気流量測定素子と前記吸気温度検知素子とは、それぞれ前記支持体に配設した導体と電気的に接続され、
    前記支持体は積層基板からなり、その層間に前記吸気温度検知素子の導体膜が介在し、前記導体膜の一端が前記吸気温度検知素子の設置位置或いはその近くに露出して、この導体膜の一端と前記吸気温度検知素子とが電気的に接続され、前記導体の他端が前記支持体上に設けた端子と電気的に接続され、
    前記空気流量測定素子及び前記吸気温度検知素子の電気的接続部が樹脂により封止されていることを特徴とする熱式空気流量計。

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