JPH04122818A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は膜式抵抗を有する熱式流量センサ、とりわけ内
燃機関の吸入空気量を検出するための空気流量検出用の
熱式流量センサに関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、電子制御式内燃機関においては、基本燃料噴射
量、基本点火時期等の制御のために機関の吸入空気量は
重要な運転状態パラメータの１つである。従来、このよ
うな吸入空気量を検出するための空気流量センサ（エア
フローメータとも言う）はベーン式のものが主流であっ
たが、最近、小型、応答性が良い等の利点を有する温度
依存抵抗を用いた熱式のものが実用化されている。

さらに、温度依存抵抗を有する空気流量センサとしては
、傍熱型と、直熱型とがある。傍熱型の空気流量センサ
においては、発熱抵抗、その下流に加熱された空気流の
温度を検知するための温度依存抵抗、および発熱抵抗の
上流に加熱前の空気流の温度を検知するための温度依存
抵抗を設け、２つの温度依存抵抗の温度差が一定になる
ように発熱抵抗の電流値をフィードバック制御し、発熱
抵抗に印加される電圧により空気流量を検出するもので
ある。他方、傍熱型に比べて応答速度が早い直熱型の空
気流量センサにおいては、発熱抵抗兼加熱された空気流
の温度検知用抵抗としての膜式抵抗を設け、この膜式抵
抗と加熱前の空気流の温度を検知するための温度依存抵
抗との温度差が一定値となるように膜式抵抗の電流値を
フィードバック制御し、膜式抵抗に印加される電圧によ
り空気流量を検出するものである。

通常、膜式抵抗の発熱温度と加熱前の吸入空気温度との
差を一定値にする空気流量センサの応答性、ダイナミッ
クレンジは、膜式抵抗を含む発熱部の熱容量（ヒートマ
ス）と断熱効果の程度で決定される。すなわち、最も応
答性がよく、且つダイナミックレンジを最も大きくする
ためには、膜式抵抗を含む発熱部の質量をできる限り小
さ（し、また、その部分を理想的には完全に空気流中に
浮かんだ状態にすることである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、熱式流量センサとして空気流との熱交換
に必要な表面積を確保しつつ、膜式抵抗を含む発熱部の
質量をできる限り小さくするためには、発熱部の板厚を
小さくすることが不可避となるが、とりわけ内燃機関の
制御用に該センサを用いようとする場合は、苛酷な使用
条件（例えば高負荷運転）時に発生する衝撃気流等の外
力にょリセンサが損傷する恐れがある為、センサの薄板
化には限界があり、性能向上の妨げとなっている。

本発明は上記問題点を鑑みて、発熱部の板厚を小さくし
て応答性を向上させ、かつ耐久性に優れた熱式流量セン
サを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題を解決する手段として、本発明は流体流路中に
、膜式抵抗が形成された基板を保持部材に保持して設定
される熱式流量センサにおいて、前記基板の前記保持部
材との接合部近傍に補強部を形成したことを特徴とする
熱式流量センサ。

前記補強部は、前記基板の前記保持部材との近傍の板厚
を前記基板の接合部近傍以外の部分の板厚より大きくす
ることにより形成されたことを特徴とする特許請求の範
囲１記載の熱式流量センサを提案する。

〔作用及び効果〕

膜式抵抗が形成された基板の保持部材との接合部近傍に
補強部を形成したことにより、衝撃気流による最大応力
発生部位の初期強度が接合に伴なう残留熱応力により低
下しない、しかも基板の保持部材との接合部近傍の板厚
を大きくすることにより片持ち強度が向上する。したが
って接合部近傍以外の部分の板厚は小さくできるためセ
ンサの小型化が可能となりその応答速度が速くなる。さ
らに衝撃気流が発生しても損傷しないという優れた効果
がある。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第５図は本発明に係る熱式流量センサが適用された内燃
機関を示す全体概要図である。第５図において、内燃機
関１の吸気通路２にはエアクリーナ３および整流格子４
を介して空気が吸入される。

この吸気通路２内に計測管（ダクト）５がスティ６によ
って固定されており、その内部には、空気流量を計測す
るための温度変化に応じた抵抗値変化を示す電気抵抗材
料からなり、通電されることで発熱する発熱部が設けら
れたセンシングエレメント７およびこのセンシングエレ
メント７と同様に形成され、空気温度に応じた抵抗値変
化を示す補償抵抗体が設けられた、外気温度補償を行う
温度補償素子８が設けられている。これらセンシングエ
レメント７および温度補償素子８はハイブリッド基板に
形成されたセンサ回路９に接続されている。

センサ回路９はセンシングエレメント７の発熱部の温度
と温度補償素子８の抵抗体の温度との差が一定値になる
ように該発熱部の発熱量をフィードパツク制御し、その
センサ出力Ｖ０を制御回路１０に供給する回路と、セン
シングエレメント７を一定期間ごとに加熱する塵埃除去
用ヒータの制御回路により構成されている。

制御回路１０はたとえばマイクロコンピュータによって
構成され、燃料噴射弁１１の制御等を行うものである。

第１図は本発明に係る熱式流量センサの第１の実施例を
示す一部切り欠いた斜視図、第２図は、第１図の膜式抵
抗７および保持部材２１の要部を示す図、第３図は第２
図の１１断面図、第４図は第２図のＩＶ−ＩＶ断面図で
ある。

第１図に示すように、スティ６により吸気通路２内の略
中夫に固定されるダクト５内には、空気流方向に平行に
配置された保持部材２１．２２が固定されており、この
保持部材２１．２２にそれぞれセンシングエレメント７
、温度補償素子８が固定されており、センシングエレメ
ント７、および温度補償素子８は、保持部材２１．２２
と同様、空気流方向と平行に配置されている。すなわち
センシングエレメント７、および温度補償素子８はその
最小寸法部分、つまりその厚み部分のみが空気流に対し
て対向するように配設される。

上記センシングエレメント７は第３図の断面図に示すよ
うに、シリコン単結晶からなる薄い板状の基板７Ｉ上に
絶縁膜（例えば５ｉＯ７）７１ａを介して温度変化に応
じて抵抗値変化を示す電気抵抗材料である白金（ｐＨか
らなる抵抗パターン７２が薄膜状に形成されている。な
お、この抵抗パターン７２はＰｔを蒸着、スパッタ等に
より薄く成膜し、ケミカルまたはドライエツチングによ
り第３図に示されるようなパターン形状に形成する。こ
の抵抗パターン７２は導電部７２ａ、発熱部７２ｂ、塵
埃除去用発熱部７２ｃより成る。

そして、この抵抗パターン７２はＳｉＯ□、５ｆ３Ｎｎ
等の電気絶縁性のパッシベーション膜７４に被覆されて
いる。なお、抵抗パターン７２に対しての通電を確保す
るために、バ、シングベーション膜７４を介すことなく
パット部７６ａ、７６ｂ、７６ｃが設けられている。

また、上記センシングエレメント７は、第４図に示すよ
うに、断熱材２３との接合部近傍のみ板厚を大きくした
構成となっている。なお、この構成は、断熱材２３との
接合部近傍以外をエツチングすることにより得られる。

また基板７１の上流側の空気流と対向する面は空気流に
対して斜めに対向するようテーパ状に形成されたテーパ
部７９ａとされており、このように空気流に対して斜め
に対向させることでその端部での空気流のよどみが生じ
にくく、スムーズに流れるようになるので、基板７１へ
の浮遊粒子の付着量を少なく抑えることができる。

なお、テーパ状に形成された面は基板７１の下流側端面
にも同様に形成されているす。

なお、このテーパ部７９ａ等は基板７１に異方性エツチ
ングを施すことにより得られる。

このように形成されたセンシングエレメント７は第１図
に示すごと（、空気流に対して垂直方向に伸びるように
、保持部材２１に保持されている。

ところで、上記センシングエレメント７を保持する保持
部材２１は、アルミニウム、銅、モリブデン等の熱伝導
率が大きな材料がら構成され、望ましくはさらに比熱の
小さい材料が選定される。

また基板７１と保持部材２１との接合は第４図に示す如
く、断熱材２３の基板７１との接合側表面に予めＭｏ（
モリブデン）　１１２５　ａ、　Ｎ　ｉにッケル）ｉ［
］１２５ｂ及びＡｕ（金）ａｌｌ１２５Ｃを順次形成し
た上で、基板７１とＡｕ−３ｔ共共晶台せしめ、その後
断熱材２３の保持部材２１との接合側表面に予め形成さ
れたＭａｉｌ膜２５ｄ。

Ｎｉ薄膜２５ｅを介して保持部材２１にハンダ２５ｇを
介して接合されている。

この断熱材２３としては、熱伝導率の小さい、例えば、
ムライト、ジルコニア、ジルコン、ＳｉＯ□ガラス等が
用いられる。

又、保持部材２１は、空気の流れに対して、上流側が凹
形状の凹部２１ａが形成されている。そしてこの凹部２
１ａの範囲内にセンシングエレメント７の発熱部７２ｂ
が位置するようにセンシングエレメント７が保持部材２
１に対して設定されている。このようにすることで保持
部材２１によりセンシングエレメント７近傍の空気の流
れを乱さないようにしている。

さらに、保持部材２１にはアルミナ等からなるリード部
材３０が接着剤によって接着固定されており、このリー
ド部材３０には上記センサ回路９と電気的に接続されて
いるＡｕ等からなるリード線３１ａ、３１ｂ、３１ｃが
印刷、焼付により形成されている。そして、このリード
線３１ａ、３１ｂ、３１Ｃはそれぞれセンシングエレメ
ント７のパット部７６ａ、７６ｂ、７６ｃとワイヤボン
ディング法により形成された導電線２４ａ、２４ｂ、２
４ｃを介して電気的に接続されている。

なお、センシングエレメント７の系の過渡温度特性と温
度補償素子８の系の過渡温度特性を同一せしめるために
、実質的にセンシングエレメント７および温度補償素子
８を、同一基板材料、同一熱量、および同一寸法により
構成し、同一構成の保持部材２１．２２に対して対称的
に固定しである。

又上記センサ回路９は第６図に示すごとく計測回路部９
０と塵埃除去用ヒータ制御回路部９２とより構成されて
いる。

計測回路部９０は、フリップフロップ９０１゜トランジ
スタ９０２，９０３．オペアンプ９０５゜９０７、定電
圧発生回路９０６．ブリッジ９００を形成する発熱部７
２ｂ、温度補償素子８．及び抵抗９０８〜９０９．と抵
抗９１１等より構成されている。

以下計測回路部９０の動作を説明する。計測開始信号Ｔ
　ｉ　ａがフリップフロップ９０１のリセット端子Ｒに
入力するとトランジスタ９０２はオフし、トランジスタ
９０３がオンして計測用ブリッジ９００に一定電圧が電
源９０４より供給される。すなわち計測開始信号Ｔｉｆ
ｉに同期してブリッジ９００に一定電圧が印加され、ブ
リッジ９００内のセンシングエレメント７の発熱部７２
ｂが加熱開始される。発熱部７２ｂの温度上昇に伴ない
発熱部７２ｂの抵抗値が上昇し、ブリッジバランスが成
立すると、オペアンプ９０７の出力がオンしてフリップ
フロップ９０１がセットされトランジスタ９０２がオン
し、トランジスタ９０３がオフするため、ブリッジ９０
０への電圧印加が停止する。

その後空気流量が増加すると発熱部７２ｂの温度が低下
し、ブリッジバランスがくずれフリップフロップセット
されずにリセットされるためトランジスタ９０２がオフ
してブリッジ９００への電圧印加が再開される。ダクト
５内の空気流量はブリッジ９００への印加時間により計
測される。印加時間はフリップのＱ端子のオフ時間であ
り、このオフ時間は時間計測置Ｉｓ９１２により計測さ
れ、信号Ｔｅ５ｔとして出力されている。

一方、塵埃除去用ヒータ制御回！９２における動作は、
塵埃除去用ヒータ起動信号が単安定マルチバイブレータ
９２２を介してフリップフロップ９２１に入力すると、
トランジスタ９２３はオフするため、トランジスタ９２
４がオンしてブリッジ９２０に電圧印加が開始される。

ブリッジ９２０内の塵埃除去用ヒータ７２ｃの温度上昇
に体なう抵抗上昇によるブリッジバランスの成立時はオ
ペアンプ９２５より出力されるＯＲゲート９２６を経た
信号によりトランジスタ９２３がオンするため、ブリッ
ナ９２０への電圧の印加が停止する。

また起動信号がオフ時においても電圧の印加が停止する
。

また、塵埃除去用ヒータ７２ｃの昇温時間は抵抗体９２
７の値によって調整されている。

上記実施例によるセンシングエレメント７０強度向上効
果を調査するために、センシングエレメント７の片持ち
ぼり強度を調査した。結果を第７図に示す。また第８図
に調査方法を示す。外部応力の発生位置を、断熱材２３
とセンシングエレメント７の接合部よりはなすことによ
り、片持ちぼり強度が大幅に向上することがわかる。

また、上記実施例に於いては、第４図に示すごとく、セ
ンシングエレメント７の板厚を断熱材２３との接合部近
傍のみ厚くする構成としたが、本発明の効果は、外部応
力の発生位置と接合による残留応力の存在位置をずらす
ことにより得られることより、例えば第９図や第１０図
に示すごとき形状でも同様の効果が得られる。

また、上記実施例に於いては、基板を片側にて保持した
が、例えば、第１１図に示すごとく、基板を両端にて保
持した場合に於いても、上記実施例と全く同一の効果が
得られることは明らかである。

ところで前述した実施例では、基板７１の上流側及び下
流側端面にはテーバ状に形成されているが、使用環境に
よってはテーバの形成を省略しても良い。

又、前述した実施例では、基板７１と保持部材２１との
接合は、／１．ｕ−３ｉ接合を用いて行なわれているが
、例えばろう付等の他の接合法を用いても良い。

また、前述した実施例ではシリコン単結晶の基板７１上
にＰｔからなる膜式抵抗パターン７２を形成しているが
、この代わりにシリコン単結晶の基板７１内に拡散抵抗
を形成してもかまわない。

さらに、ｐｔに代えて、ロジウム（Ｒｈ）、あるいは白
金ロジウム（Ｐｔ−Ｒｈ）合金を基板７１上に形成して
もよい。

また、保持部材２１．２２の材質として上述したものの
他に、コバール、ＳＵＳ材、さらに高熱伝導性のＡ４２
Ｎ、ＳｉＣ等のセラミックでもよい。

さらに本発明は空気流量以外の流量センサ、例えば液体
流量センサにも適用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例である熱式流量センサを一部切り
欠いた斜視図、第２図は第１図の膜式抵抗７および保持
部材２１の要部を示す図、第３図は第２図の■−■断面
図、第４図は第２図の■■断面図、第５図は本発明実施
例の全体概要図、第６図はセンサ回路図、第７図は片持
ちぼり強度の実験結果を示す図、第８図は片持ちぼり強
度の実験方法を説明説明図、第９．１０図は他の実施例
におけるセンシングエレメントの形状を示した拡大図、
第１１図は他の実施例における膜式抵抗におよび保持部
材の要部を示す図である。 ７・・・センシングエレメント。 １・・・保持部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体流路中に、膜式抵抗が形成された基板を保持
   部材に保持して設定される熱式流量センサにおいて、前
   記基板の前記保持部材との接合部近傍に補強部を形成し
   たことを特徴とする熱式流量センサ。
2. （２）前記補強部は、前記基板の前記保持部材との近傍
   の板厚を前記基板の接合部近傍以外の部分の板厚より大
   きくすることにより形成されたことを特徴とする特許請
   求の範囲１記載の熱式流量センサ。