JP5272801B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路の内部に配設され、空気の流量を測定する空気流量測定装置に関する。

〔従来の技術〕
従来から、発熱抵抗体の放熱量を基に、空気流量を測定する熱式流量測定装置が公知であり、自動車用の内燃機関の吸入空気の流量を測定するエアフローメータとして採用されている（例えば、特許文献１参照）。

このエアフローメータ（空気流量測定装置）は、内燃機関の吸気通路内に配置されるセンサボディを有し、センサボディには吸気通路を流れる空気の一部を取り込むバイパス流路と、このバイパス流路の内部に吸入空気量を測定する流量センサが配置されている。流量センサは、半導体基板の表面に形成された薄膜抵抗体からなる発熱素子と感温素子のチップセンサ構造を有しており、チップセンサはセンサ支持部材に埋め込まれ、バイパス流路内を流れるバイパス流れの流線と直交するように配置される。

そして、このチップセンサを制御する回路を構成し、雰囲気温度に応じ一定温度で発熱する発熱素子から伝熱する上下流の感温素子の抵抗値差を電気的な信号（例えば電圧信号）で出力する。そして、この検出信号がＥＣＵに入力され、ＥＣＵによって空気流量が演算されるものである。

ここで、図５に示すように、従来例の空気流量測定装置１００におけるチップセンサ１０１およびチップ支持部材１０２の配設は、吸気通路１０３を流れる空気（メイン流れ）の一部が偏向することなく、直接に、流れ込むバイパス流路１０４の入口側に、バイパス流れと直交して、そしてバイパス流れがチップセンサ１０１およびチップ支持部材１０２の表面および裏面に沿うように流線方向と平行に配設される。

そして、さらに、チップ支持部材１０２は、図５（ｂ）に示すように、バイパス流れと直交に対向する上流側端部１０５および下流側端部１０６がテーパ状または円弧状に面取りされて、バイパス流れに乱れや剥離が生じないようになっている。従って、バイパス流れはチップセンサ１０１と直交して滑らかな流線を描き、２度のＵターン構成を経て下流側へ流出される。このとき、バイパス流れに露出されるチップセンサ１０１によって空気の流量が検出される。

〔従来技術の不具合〕
しかしながら、本構造の空気流量測定装置では、バイパス流れを偏向することなく直接にバイパス流路に流入させ、しかもチップセンサをバイパス流れの流線に直交させているので、吸気中に浮遊する吸気ダストの比較的大きくて重いものまでが流れに直交して生じるよどみ部に堆積する可能性がある。

吸気ダストの堆積は、図６（ｂ）に示すように、センサ支持部材１０２の上流側端部１０５のテーパ状部分または円弧状部分に不規則に堆積するため、バイパス流れの流線が変化し、乱れや剥離が生じ、発生した渦等が丁度チップセンサ位置と重なるとチップセンサの検出特性が変化する。図６（ｃ）は、実際の空気流量測定装置におけるダスト試験後の検出特性変化を実際の流量に対して示したグラフであるが、これによれば流量が少ない領域ほど検出特性はマイナス側に大きく変化することが判る。つまり、少流量領域で検出誤差が大きくなるという問題がある。

特開２００５−１５６５７０号公報

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、チップセンサ構造の熱式空気流量測定装置において、チップ支持部材の上下流側端部への吸気ダストの堆積を抑制することにより、空気流量の測定検出精度を向上できる空気流量測定装置を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の手段によれば、空気通路を流れる空気の一部を取り込むバイパス流路と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路の出口方向に向って流路断面積を次第に減少する絞り部と、絞り部より上流側でバイパス流路より分岐して設けられ、バイパス流路を流れる空気の流れ方向と直交するバイパス流路の所定の径方向の一方側に入口が設けられ、バイパス流路を流れる空気の一部を取り込むサブバイパス流路と、サブバイパス流路内に配設され、サブバイパス流路を流れる空気の流量を測定する流量センサと、を有する空気流量測定装置において、流量センサは、半導体基板の表面に形成された薄膜抵抗体からなる熱式流量測定素子を有し、熱式流量測定素子は、サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向と直交するように、半導体基板の長手方向を同軸とする平板状の支持部材に支持され、支持部材は、一端側で固定され他端側が自由端となる片持ち状態でサブバイパス流路内に垂下されており、かつ、支持部材は、その上流側端部が、サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向に対して一端側から他端側の自由端に向かって鋭角状に傾斜して配設されていて、サブバイパス流路を流れる空気が上流側端部の傾斜に沿って自由端側へ分流することを特徴としている。

これにより、支持部材の上流側端部には傾斜面に沿う流れが常に生じ、流れのよどみ部の生成が解消され、吸気ダストは付着することなく浮遊して流れとともに流れ去る。よって、上流側端部でのダストの堆積を抑えることができ、空気流量の測定検出精度を向上できる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の手段によれば、支持部材は、下流側端部が、上流側端部とは逆方向に傾斜して配設されており、全体として、一端側から他端側に向かって先細りとなる台形状を呈していることを特徴としている。

これにより、吸気流路にエンジン脈動による過渡的な逆流が生じた場合であっても、この逆流による吸気ダストの支持部材の下流側端部へのダストの堆積を抑えることができ、逆流する空気流量の測定検出精度を向上できる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の手段によれば、支持部材の上流側端部および下流側端部とサブバイパス流路を流れる空気の流れ方向とのなす傾斜角は、５０〜７０度であることを特徴としている。
これにより、傾斜角によるダスト堆積による劣化特性量と出力特性変化量のトレードオフの関係から、傾斜角の設定範囲は５０〜７０度が好適であると言える。この傾斜角の範囲ならば、流量測定素子の出力特性の低下を引き起こすことなくダスト堆積を防いで劣化特性量を最小値に抑えることが可能となる。

空気流量測定装置の部分断面図である（実施例１）。 空気流量測定装置の要部の流量センサを示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は流れ特性図である（実施例１）。 空気流量測定装置の流量センサの支持部材の傾斜角θに対して、ダスト堆積による劣化特性量、および出力特性変化量を併記した特性図である（実施例１）。 空気流量測定装置の構成を示し、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）は要部の流量センサの拡大詳細平面図である（実施例２）。 空気流量測定装置の構成を示し、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図であり、（ｃ）はＺ−Ｚ断面図である（従来例）。 空気流量測定装置の流量センサの作動および特性を示し、（ａ）は初期時の空気の流れであり、（ｂ）はダスト堆積時の空気の流れであり、（ｃ）はダスト試験後の検出特性変化を示した特性図である（従来例）。

この発明の最良の実施形態を、図に示す実施例１とともに説明する。

〔実施例１の構成〕
図１〜図３は、本発明の実施例１を示したもので、図１は空気流量測定装置の構成を示す部分断面図である。図２は、図１に示す空気流量測定装置の要部の流量センサを示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は流れ特性図である。図３は空気流量測定装置の流量センサの支持部材の傾斜角θに対して、ダスト堆積による劣化特性量、および出力特性変化量を併記した特性図である。

本実施例に示す空気流量測定装置１は、例えば、自動車用の内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）の吸入空気（吸気）量を計測するものであり、図１に示すように、図示しないエアクリーナと接続する空気通路を形成する吸気管２にプラグイン方式によって、着脱可能に取付けられている。

この空気流量測定装置１は、センサボディ３、流量センサ４、および回路モジュール５等から構成される。センサボディ３は、メイン流路６を形成する吸気管２の管壁に開けられた取付け孔より吸気管２の内部に挿入されている。このセンサボディ３は、円筒形状の筒状ボディ３ａと、この筒状ボディ３ａと一体に設けられる直方体形状の箱型ボディ３ｂとで構成される。筒状ボディ３ａには、吸気管２の内部を図示左側から右側に向って流れる空気（以下、メイン流れと呼ぶ）の一部を取り込むバイパス流路７と、箱型ボディ３ｂには、このバイパス流路７を流れる空気（以下、バイパス流れと呼ぶ）の一部を取り込むサブバイパス流路８とが形成されている。

バイパス流路７は、筒状ボディ３ａの先端中央部に開口する入口９と、筒状ボディ３ａの後端中央部に開口する出口１０とを有し、入口９から出口１０まで直線状に形成されている。また、バイパス流路７の出口側には、バイパス流路７の流路断面積を出口１０に向って次第に減少するテーパ形状の絞り部１４が設けられている。

サブバイパス流路８は、バイパス流路７の絞り部１４より上流側でバイパス流路７から分岐する入口１２と、バイパス流路７の出口１０の周囲に環状に形成される出口１３とを有し、入口１２と出口１３との間に空気の流れ方向が１８０度変化（Ｕターン）するＵターン部が設けられている。

流量センサ４は、サブバイパス流路８を流れる空気の流量を計測して電気的な信号（例えば電圧信号）として出力するもので、例えば、半導体基板の表面に薄膜抵抗体で形成された発熱素子および感温素子とからなるチップセンサ構造の流量測定素子を有し、これらの素子が回路モジュール５に内蔵される回路基板（図示せず）に接続されている。

この流量センサ４は、サブバイパス流路８の入口１２より下流側の所定の位置に配置されている。本実施例では、サブバイパス流路８のＵターン部の略中央に配置されているが、Ｕターン部より上流側で入口１２より下流側の直管部に配置されてもよい。

また、回路モジュール５は、センサボディ３の他端側に一体的に設けられ、吸気管２の取付け孔より外側に配置される。この回路モジュール５は、発熱素子の温度と感温素子で検出される出力を制御している。

ここで、本実施例では、本発明の流量センサ４は、チップセンサ構造の流量測定素子を支持する支持部材の上流側端部に傾斜を設け、流れによる吸気ダストの堆積を抑制したことを特徴としている。以下に、図２に基づいて詳細に説明する。

本発明の流量センサ４は、図２（ａ）に示すように、半導体基板の表面に薄膜抵抗体で形成された１個の発熱素子４１と２個の感温素子４２がそれぞれ上下流側に近接して並列に配置される流量測定素子４０と、一端側で固定され他端側が自由端となる片持ち状態でサブバイパス流路内に垂下され、流量測定素子４０を所定の位置および方向に支持する平板状の支持部材４３とから構成される。本実施例では、流量測定素子４０の長手方向が支持部材４３の長手方向と一致するように配置されているため、発熱素子４１と感温素子４２はそれぞれ直交するサブバイパス流れにその表面および裏面が露出することになる。ここで、発熱素子４１と感温素子４２のそれぞれを流れに直交させるのは各素子の検出感度を高めるためである。

また、支持部材４３の上流側端部４４は、衝突する流れに乱れや剥離が生じないようにテーパ状または円弧状に面取りがなされ、さらに、流れに対して傾斜する端部構造を有している。この傾斜は、流れがこの傾斜に衝突したときに流れの一部（分流）が傾斜の稜線に沿って上流側から下流側へ滑らかに流れるよう形成される。即ち、サブバイパス流れに直交する仮想面から流れの下流側に向かってプラス（正）の傾斜角θ（上流傾斜角θ）を形成するものである。換言すれば、支持部材４３は、上流側端部４４が、サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向に対して固定側（一端側）から他端側の自由端に向かって鋭角状に傾斜して配設されていて、サブバイパス流路を流れる空気が上流側端部４４の傾斜に沿って自由端側へと分流する。これにより、流れと直交して配置（傾斜角θ＝０に相当）する場合と異なって、流れによるよどみ部の生成が抑制される。

従って、空気中を浮遊する吸気ダストは、流れの慣性効果により比較的大きくて重いものはバイパス流路７の絞り部１４において捕集される。そして、バイパス流路７より略直角に分岐したサブバイパス流路を流れるサブバイパス流れには比較的小さくて軽い微小ダストのみが残る。そして、この微小ダストが支持部材４３の上流側端部４４に衝突しても、よどみ部が生成されないためダストは付着することなく分流とともに下流側に流されることとなる。よって、吸気ダストの堆積が抑えられる（図２（ｂ）参照）。

ここで、所定の上流傾斜角θの好適な設定範囲について説明する。
上流側端部４４を流れに対し傾斜させることは、流れの傾斜方向への分流を生じさせて、流れによるよどみ部の生成を抑え、よどみ部から派生するダスト堆積を防ぐ狙いのものであった。従って、傾斜角θを大きくすれば分流も大きくなり、大きな分流によりよどみ部の生成は完全に解消されるとともに、吸気ダストも分流側に混流して下流側に流出して堆積することはない。

図３は、発明者が実際の空気流量測定装置を使ってダスト試験したときの上流傾斜角θに対して特性結果をプロットしたもので、特性値は初期時を基準としたダスト堆積時の劣化特性量で示したものである。図３によれば、劣化特性量は傾斜角θがない場合が最も大きく、傾斜角θの増加とともに急激に減少し、傾斜角θが２０度以上で最小値に安定する特性である。

従って、ダスト堆積を防いで劣化特性量を小さくするには、流れに対する傾斜角θを２０度以上の大きな傾斜とすれば好ましいと言える。しかし、傾斜角θを大きくすると流れの分流も増加して、結果、流量測定素子４０側に流れる流量（流速）が減少するとともに流量測定素子４０と流線との交差が直交状態からズレが生じるようになる。そして、流量測定素子４０側に流れる流量の減少および流線のズレは、流量測定素子４０の検出感度を低下させることとなる。

それで、発明者は、さらに、同じ試験装置を使ってダスト試験したときの流量測定素子４０の検出感度の変化を出力特性変化量として上流傾斜角θに対してプロットして図３に併記している。これによると、出力特性変化量は傾斜角θが零のときが最も小さく、傾斜角θの増加につれて略最小値に安定して推移するが、傾斜角θが４０度を超えると出力特性変化量がマイナス側に増加する。つまり、出力特性変化量を小さく抑えるには、傾斜角θを４０度以下に抑えることが好ましい。

従って、上述した２つの特性変化量はトレードオフの関係であり、各特性変化量の所定の許容幅（図中ハッチング内）に基づいて、傾斜角θは、２０〜４０度が好適であると言える。この傾斜角θの範囲ならば、流量測定素子４０の出力特性の低下を引き起こすことなくダスト堆積を確実に防いで劣化特性量を最小値に抑えることが可能となる。
なお、上記傾斜角θの範囲（２０〜４０度）を、支持部材４３の上流側端部４４とサブバイパス流路８を流れる空気の流れ方向（サブバイパス流れ方向）とのなす傾斜角の範囲に換算すると、（９０−４０）〜（９０−２０）度＝５０〜７０度となる。

〔実施例１の作用〕
エンジンの始動により、吸気管２の内部に空気の流れ（メイン流れ）が発生すると、メイン流れの一部がセンサボディ３のバイパス流路７に取り込まれバイパス流れとなり、さらに、バイパス流れの一部がサブバイパス流路８に取り込まれる。このとき、サブバイパス流路８に配置された流量センサ４では、サブバイパス流れの流速が大きくなると、発熱素子４１の伝熱が上流側へは小さく、下流側へは大きくなり、上下流の感温素子４２の抵抗値差が大きくなる。

逆に、サブバイパス流れの流速が小さくなると、発熱素子４１の放熱量が低減するため、発熱素子４１の伝熱が上下流で均一傾向となるため、上下流の感温素子４２の抵抗値差が小さくなる。この抵抗値差に応じた電気信号（例えば電圧信号）が、回路モジュール５から外部のＥＣＵ（電子制御装置）へ出力されて、ＥＣＵにより吸気量が測定される。

そして、このとき、流量センサ４の上流側端部４４を流れに対し所定の傾斜角θだけ傾けて配置したので、上流側端部４４へのダスト堆積は抑制され、流量が少量から多量に至る範囲において、流量の検出精度が低下することなく電気信号が出力される。

〔実施例１の効果〕
本実施例では、メイン流路６を流れる空気の一部がセンサボディ３のバイパス流路７に取り込まれバイパス流れとなり、さらに、バイパス流れの一部が略直角に偏向するサブバイパス流路８に取り込まれてサブバイパス流れとなる。このサブバイパス流れに直交する向きに流量センサ４のチップセンサ構造の流量測定素子４０を配設している。そして、流量センサ４の支持部材４３の上流側端部４４をサブバイパス流れに対し所定の傾斜角θだけ傾斜して配置した。

これにより、空気中を浮遊する吸気ダストは、流れの慣性効果により比較的大きくて重いものはバイパス流路７において捕集される。そして、バイパス流路７より略直角に分岐したサブバイパス流路８を流れるサブバイパス流れには比較的小さくて軽い微小ダストのみが残る。そして、この微小ダストが支持部材４３の上流側端部４４に衝突しても、よどみ部が生成されないため付着することなく分流とともに下流側に流されることとなる。よって、吸気ダストの堆積が抑えられ、流量センサ４の検出精度が向上する。

〔実施例２の構成〕
本発明の実施例２を図４に示す。図４は、空気流量測定装置の構成を示し、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）は要部の流量センサの拡大詳細平面図である。実施例１と実質的に同一構成部分に同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

実施例１では、メイン流路６を流れる空気の一部がセンサボディ３のバイパス流路７に取り込まれバイパス流れとなり、さらに、バイパス流れの一部が略直角に偏向するサブバイパス流路８に取り込まれてサブバイパス流れとなる。このサブバイパス流れに直交する向きに流量センサ４のチップセンサ構造の流量測定素子４０を配設している。そして、流量センサ４の支持部材４３の上流側端部４４を流れに対し所定の傾斜角θだけ傾斜して配置している。

本実施例では、さらに、平板状の支持部材４３の下流側端部４５にも、上流側端部４４と同様に、流れに対して傾斜する端部構造を有していることが特徴である。本発明の流量センサ４は、図４に示すように、半導体基板の表面に薄膜抵抗体で形成された１個の発熱素子４１および２個の感温素子４２がそれぞれ上下流側に近接して並列に配置される流量測定素子４０と、この流量測定素子４０を所定の位置および方向に支持し、下流側端部４５が上流側端部４４とは逆方向に傾斜して配設され、全体として、固定側（一端側）から自由端側（他端側）に向かって先細りとなる台形状を呈している支持部材４３とから構成される（図４（ｂ）参照）。

本実施例では、流量測定素子４０の長手方向と支持部材４３の長手方向とが一致するように配置され、流量測定素子４０はそれぞれ流れに直交して露出する。そして、エンジン作動時の吸気管２に流れる空気の流れは、エンジン脈動に連動する周期的に増減する波形の変動挙動を示すが、エンジン脈動の大きさ次第では間欠的な逆流が生じる場合がある。ここで、逆流とは、エンジンの吸気管（上流側）から気筒内（下流側）へ流れる順流に対し、逆に、下流側から上流側への流れを言う。

そして、この流量測定素子４０は、大きな脈動を有するエンジンの吸気量の測定にも適用でき、流量測定はもとより、流れ方向、つまり、順流、逆流の判定も可能なものである。従って、逆流流量はマイナス流量として計測されるから、順流の計測流量から逆流流量を差し引いた演算によって正味の吸入空気量が計測される。

そして、この場合においても、逆流の計測も正確で精度よく検出できることが重要となる。このため、支持部材４３の下流側端部４５にも、上流側端部４４と同様に、衝突する流れに乱れや剥離が生じないようにテーパ状または円弧状に面取りがなされ、さらに、流れに対して傾斜する端部構造を有している。このとき、この傾斜は、逆流がこの傾斜に衝突したときに逆流の一部（分流）が傾斜の稜線に沿って滑らかに流れるよう形成されることから、逆流の流れ方向に向かってプラス（正）の傾斜角φが形成される。これは、順流であるサブバイパス流れの流れ方向に向かってマイナス（負）の傾斜角φを形成することであり、つまり、サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向と逆方向に傾斜して形成されるものである。

これにより、逆流に直交して配置する場合と異なって、よどみ部の生成が抑制される。
従って、逆流に混流する吸気ダストが支持部材４３の下流側端部４５に衝突しても、よどみ部が生成されないため分流とともに流されることとなる。よって、逆流が生じた場合にも、吸気ダストの堆積が抑えられ、流量センサ４の逆流の検出精度が向上する。

１ 空気流量測定装置
４ 流量センサ
５ 回路モジュール
６ メイン流路（空気通路）
７ バイパス流路
８ サブバイパス流路
４０ 流量測定素子（チップセンサ、熱式流量測定素子）
４１ 発熱素子（薄膜抵抗体）
４２ 感温素子（薄膜抵抗体）
４３ 支持部材
４４ 上流側端部
４５ 下流側端部
θ 上流傾斜角（傾斜角）

Claims (3)

1. 空気通路を流れる空気の一部を取り込むバイパス流路と、
   該バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路の出口方向に向って流路断面積を次第に減少する絞り部と、
   該絞り部より上流側で前記バイパス流路より分岐して設けられ、前記バイパス流路を流れる空気の流れ方向と直交する前記バイパス流路の所定の径方向の一方側に入口が設けられ、前記バイパス流路を流れる空気の一部を取り込むサブバイパス流路と、
   該サブバイパス流路内に配設され、前記サブバイパス流路を流れる空気の流量を測定する流量センサと、を有する空気流量測定装置において、
   前記流量センサは、半導体基板の表面に形成された薄膜抵抗体からなる熱式流量測定素子を有し、
   前記熱式流量測定素子は、前記サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向と直交するように、前記半導体基板の長手方向を同軸とする平板状の支持部材に支持され、
   前記支持部材は、一端側で固定され他端側が自由端となる片持ち状態で前記サブバイパス流路内に垂下されており、かつ、
   前記支持部材は、その上流側端部が、前記サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向に対して前記一端側から前記他端側の自由端に向かって鋭角状に傾斜して配設されていて、
   前記サブバイパス流路を流れる空気が前記上流側端部の傾斜に沿って前記自由端側へ分流することを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の空気流量測定装置において、
   前記支持部材は、その下流側端部が、前記上流側端部とは逆方向に傾斜して配設されており、全体として、前記一端側から前記他端側に向かって先細りとなる台形状を呈していることを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空気流量測定装置において、
   前記支持部材の前記上流側端部および前記下流側端部と前記サブバイパス流路を流れる空気の流れ方向とのなす傾斜角は、５０〜７０度であることを特徴とする空気流量測定装置。

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