JPH08313318A - 感熱式流量検出装置 - Google Patents
感熱式流量検出装置Info
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- JPH08313318A JPH08313318A JP7119960A JP11996095A JPH08313318A JP H08313318 A JPH08313318 A JP H08313318A JP 7119960 A JP7119960 A JP 7119960A JP 11996095 A JP11996095 A JP 11996095A JP H08313318 A JPH08313318 A JP H08313318A
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Abstract
ともに、流量変動に対する応答性と計測精度を改善す
る。 【構成】 流量検出素子の発熱部における温度依存性抵
抗膜の表面積を基板面積の50%以上にするとともに発
熱部抵抗をリード部抵抗の5倍以上とし、接続部のボン
ディングワイヤを保持部材内部に埋設して、流量検出素
子の保持部材以外の部分を流路中に配設した。
Description
量を測定する流量検出装置に関し、特に感熱式流量検出
素子(以下、単に検出素子と呼ぶ)の構造および寸法配
分の最適化に関するものである。
料噴射装置においては、空燃比制御のために、エンジン
への吸入空気流量を精度よく計測することが必要であ
る。最近空気流量検出装置として、小形で質量流量信号
が得られ応答性のよい感熱式流量検出装置(以下、単に
流量検出装置と呼ぶ)が使用されている。流量検出装置
は流体の通路内部に電気的に加熱する発熱体を配設し、
発熱体の抵抗が温度によって変化することを利用して、
流体通路内部の流速または流量を流体の流れにともなう
発熱体の冷却効果により検出するものである。発熱体と
しては、ガラスあるいはセラミックなどの平板状の絶縁
性基板(以下、単に基板と呼ぶ)上に白金などの温度依
存性抵抗膜(以下、単に抵抗膜と呼ぶ)を形成したもの
が一般的であり、この発熱体の一端あるいは両端を断熱
支持し検出素子として用いる。
記載された従来の検出素子の構造を示す。発熱体1は図
に示すように、基板2の表面に抵抗膜3を形成し、発熱
部3a、リード部3b、電極部3cのパターンを形成し
てある。保持部材51 は金属表面に絶縁膜を塗布したも
ので、空気流と平行に配置し、発熱体1の長手方向の一
端を断熱部材を介して接着固定してある。発熱体1を接
着固定した近傍の絶縁膜上には導電膜71 が形成してあ
り、ボンディングワイヤ6によって発熱体1の電極部3
cとを接続している。検出素子ではこのようにして発熱
部3aから保持部材51 へ流れる熱量を抑制している。
抵抗膜3の抵抗は温度によって変化するため、抵抗膜3
に流す加熱電流を抵抗膜3の抵抗が一定になるよう制御
することにより抵抗膜3の平均温度を一定に保持する。
しかし、検出素子の耐振動性、耐衝撃性などの点から支
持部材51 と断熱部材との接触面積はある程度大きくし
なければならない。保持部材51 は上述のとおり金属で
できており、熱伝導率が大きいため、発熱体1を電流で
加熱すると発熱体1から保持部材51 へ流れる熱量が無
視できないレベルになる。リード部3bの抵抗は抵抗膜
3の全抵抗に比べて比較的大きく、加熱時にこの部分で
生じるジュール熱が大きい。このため、リード部3bの
温度が高く、リード部3bから保持部材51 へ流れる熱
量が多くなるため、被測定流体(以下、単に流体と呼
ぶ)の流量検出精度や応答性を悪化させている。また、
ボンディングワイヤ6は流体にさらされているため異物
との衝突や振動などによる破損が生じる可能性が高く、
信頼性に欠けるという問題がある。
構造を示す。上述した検出素子と同様に基板2の表面上
に抵抗膜3が形成され、発熱部3a、電極部3cのパタ
ーンが形成してある。そして、発熱体1は熱伝導率の小
さい耐熱性樹脂の保持部材5に挿入・固定してある。タ
ーミナルピン7と電極部3cの間をボンディングワイヤ
6で接続し抵抗膜3と接続している。ボンディングワイ
ヤ6およびターミナルピン7の抵抗は抵抗膜3のそれに
比べて非常に小さくしてある。発熱体1を熱伝導率の小
さい耐熱性樹脂の保持部材5で固定しているため、上述
したものに比べて、発熱体1から保持部材5を通して流
体へ流れる熱量は小さい。また、抵抗の比較的大きい膜
状のリード部をもたないために前述したようなリード部
での発熱による問題は発生しない。しかし、ターミナル
ピン7およびボンディングワイヤ6が流体にさらされて
いるため、異物の衝突や振動による損傷の可能性は高く
信頼性に欠ける。さらに、発熱体1の固定部近傍で流体
の流れに乱れが生じ、流量検出の安定性や特性のばらつ
きが生じるといった点で問題があった。さらにまた、取
扱いの不注意などで、発熱体1がその固定部近傍で折損
する場合があるが、そのような場合でもボンディングワ
イヤを介して電気的に接続が保たれることがあり、流量
検出装置の故障診断が困難になるなどの問題も生じてい
た。
よる電気的接続の信頼性を向上させ、流体の流れに乱れ
を生じさせないようにするためには、ボンディングワイ
ヤを流体にさらさないようにする必要がある。しかし、
抵抗膜と外部の電子回路とを接続するリード部が発熱部
と同一基板上にあると、従来のような発熱部、リード
部、電極部のパターンではリード部の抵抗が大きくな
り、加熱電流によるリード部の発熱により応答遅れが生
じる。つまり、リード部から保持部材へ流れる熱量があ
り、これが流体へ伝達されるため、熱的平衡状態になる
までに大きな時間遅れを生じ、流量が変化する場合に応
答性が悪化するのである。
て、基板面積のうち抵抗膜の面積が占める割合が小さい
と、基板2の温度変化を抵抗膜で検出するまでに遅れが
生じ、流量が変化する場合に応答遅れを生じる。この原
因は基板の厚さが熱伝導率の大きい抵抗膜よりも大き
く、抵抗膜の温度が抵抗膜に接する部分の基板の温度に
影響されるため、抵抗膜のない部分の面積が相対的に大
きいと、基板の温度が近傍の抵抗膜の温度に追従するの
に遅れを生じることによると考えられる。
小さいものは加熱電流を供給してから定常状態に達する
までの時間である起動時間が大きくなり、逆に起動時間
が小さいものは流量が変化する場合の応答性が悪くなる
という問題があった。これは発熱体における流体にさら
される部分の面積と発熱部の面積の比が適当でないこと
によるものと考えられる。すなわち、起動時間は加熱電
流の供給を始めてから発熱体および保持部材などが熱的
平衡状態に達するまでの時間に大きく依存する。このた
め、発熱体支持部の温度が流体の温度に早く反応するた
めには発熱部の面積は小さい方がよい。一方、流量が変
化する場合の応答は、リード部や保持部材からの流体へ
流れる熱量が小さく、かつこの熱量が流量の変化につれ
て変化する割合が小さいほど早いために、発熱面積を大
きくする方が応答性がよくなると考えるられる。
量検出装置は、検出素子に発熱部抵抗をリード部抵抗の
5倍以上にした発熱体を用い、発熱体の一端をリード部
の一部、電極部およびターミナルピンの部分をともに断
熱性の保持部材内部に埋設して支持し、この支持部を流
体にさらさないようしたものである。
求項1の発明における検出素子の発熱部面積を検出素子
の流体にさらされる部分の面積の40%ないし80%に
したものである。
求項1の発明における検出素子の発熱部における抵抗膜
表面積を、発熱部における基板面積の50%以上にした
ものである。
部分で流体に乱れを生じることがなく、かつ検出素子の
リード部における発熱量が減少するのでリード部の温度
が低下し、リード部を経て固定部材の側に流れる熱量が
減少し流体の冷却効果による保持部材の温度変化が減少
する。
部材部分で流体に乱れを生じることがなく、かつ検出素
子のリード部における発熱量が減少するのでリード部の
温度が低下し、リード部を経て固定部材の側に流れる熱
量がより減少し流体の冷却効果による保持部材の温度変
化が減少する。
部材部分で流体に乱れを生じることがなく、かつ発熱部
での温度の均一性が高まるとともに、検出素子のリード
部における発熱量が減少するのでリード部の温度が低下
し、リード部を経て固定部材の側に流れる熱量がより減
少し流体の冷却効果による保持部材の温度変化が減少す
る。
る。図1および図2は本発明の第1の実施例による検出
素子を示し、図1は発熱体を保持部材へ取付る途中での
平面図および断面図、図2は完成した検出素子の断面図
である。なお、従来の検出素子と同一あるいは相当する
部分には同一の符号を用いており、重複する説明は省略
する。図において、1は基板2とその表面に形成した抵
抗膜3などからなっている発熱体である。基板2は厚さ
0.15〜0.2mm、幅1.5〜2mm、長さ12〜
15mmのアルミナセラミックまたはガラスの短冊状平
板で、その片面には白金またはニッケルなど抵抗が温度
によって変化する金属を、蒸着、スパッタあるいは印刷
などの方法で均一の厚さに成膜し、写真製版やレーザー
トリミングなどの方法で皮膜の一部を除去した抵抗膜3
が形成してある。抵抗膜3は基板2の抵抗膜形成面の長
手方向の一端から40〜80%の範囲に設け、その幅を
ほぼ均一に形成したミアンダ形状の発熱部3aと、この
発熱部3aと連続して基板2の他端までの間に設けたリ
ード部3bとからなり、発熱部3aでの抵抗膜3の表面
積は発熱部3aのある部分の基板1の面積に対して50
%以上になっている(以下、発熱部3aがある部分の基
板2の面積が基板2の片面の面積に占める比率を発熱部
比率、発熱部3aにおける抵抗膜3の表面積が発熱部3
aのある部分の基板2の面積に対する比率を発熱膜比率
と呼ぶ)。なお、発熱部3aにおける抵抗膜の幅はリー
ド部3bの抵抗膜幅の約1/3以下である。4は抵抗膜
3を形成した後、抵抗膜形成面にオーバーコートガラス
を塗布して形成した保護膜で、そのリード部3b側端部
近傍には開口部が設けてあり電極部3cになっている。
5はターミナルピン7と一体にモールドした樹脂ででき
た保持部材で、発熱体1のリード部3b側先端部を接着
してある。6は電極部3cとターミナルピン7とを接続
するボンディングワイヤ、8はカバー、9は保持部材5
とカバー8の間に形成される空間にエポキシ樹脂などを
気泡が入らないよう隙間から封入した封止材である。タ
ーミナルピン7から電流を供給し、ジュール熱で発熱体
1を加熱する。
出素子を流体流路へ設置した流量検出装置におけるセン
サ部分の構造図である。流体の流路20中央部にセンサ
を取付けるインナーダクト21があり、その上流側には
ハニカムまたはモールド格子などの整流装置22が設け
てある。インナーダクト21の内部に検出素子10の発
熱体部分を流体の流れ方向に平行または20〜30°の
迎角をつけて取付ている。検出素子10の保持部材部分
はインナーダクト21のステイ部分211 に埋め込まれ
流体の流れを乱さないようになっている。また、検出素
子10の上流側には検出素子と同様な温度依存性抵抗で
構成する補償用温度検出素子11を設けてある。
について説明する。図4は検出素子内部の回路構成を示
す模式図で、発熱体1における発熱部3aの抵抗をR
h、リード部分の抵抗をRsで表している。また、図5
は流量検出原理を示す制御回路図である。図において、
10は検出素子、11は補償用温度検出素子、12、1
3および14は固定抵抗素子で、検出素子10、補償用
温度検出素子11とともにブリッジ回路を構成してお
り、その出力を差動増幅器15に供給している。なお、
16は加熱電流供給トランジスタである。差動増幅器1
5の差動ゲインは大きいため、ブリッジ回路の出力電圧
がほぼ0になるように加熱電流がブリッジ回路に流れ、
検出素子10の抵抗が一定になるようにバランスする。
検出素子10と固定抵抗素子14の抵抗の和は、補償用
温度検出素子11、抵抗素子12および13の抵抗の和
の1/50以下になっており加熱電流のほとんどが検出
素子10を流れる。固定抵抗素子14の端子間電圧とし
て流量信号が得られる。
出素子の温度分布を示す。横軸は発熱体1の自由端から
の距離を示し、3aは発熱部、3bはリード部である。
曲線Aは抵抗比Rs/Rh=0.3、曲線Bは抵抗比R
s/Rh=0.1の場合の温度分布である。いずれの場
合も、検出素子10の抵抗が同一になるように動作す
る。流量検出装置の動作中、検出素子10の抵抗は抵抗
比Rs/Rhが小さい場合、自由端に近い発熱部の平均
温度で決まる抵抗とほぼ等しくなる。一方、抵抗比Rs
/Rhが大きい場合は発熱部3aと保持部材5に近いリ
ード部3bの平均温度で決まる抵抗になる。したがって
相対的に後者の方がリード部の温度が高くなり、また検
出素子の抵抗を一定に維持するために必要な発熱量も後
者の方が大きくなる。
7に示す。横軸は時間、縦軸は出力電圧として得られる
流量信号であり、t0 は加熱電流供給開始時点を示す。
出力電圧は加熱電流供給開始直後にブリッジ電圧の飽和
点まで上昇するが、検出素子の温度上昇とともに抵抗が
増加するため加熱電流は減少して出力信号の大きさも減
少し、やがて平衡状態になる。以下、加熱電流供給開始
から平衡状態に達するまでの時間を起動時間TONと呼
ぶ。
の抵抗Rsの比と起動時間TONの関係を示す。抵抗比R
s/Rhが小さいほど、リード部における発熱量が小さ
いため保持部へ流れる熱量が小さくなり起動時間TONは
減少する。図に示すように抵抗比Rs/Rhが0.2以
上の範囲では起動時間TONが急激に大きくなる。
の応答を示す。以下、流量の立上りから定常状態に達す
るまでの時間を応答時間Tr と呼ぶ。図10に発熱部比
率と起動時間TONおよび応答時間Tr の関係を示す。発
熱部比率が小さくなると、リード部における温度が低く
なるため、起動時間TONは小さくなる。一方、発熱部比
率が0.1から0.8の範囲では発熱部比率が大きくな
るにつれて応答時間Tr が小さくなる。これは発熱部比
率が増大するにつれて、発熱部から流体へ流れる熱量が
相対的に増大するためであると考えることができる。な
お、発熱部比率が0.8以上では応答時間TON、Tr の
いずれも増大する傾向を示している。これは発熱部比率
が0.8以上では発熱部から熱時定数の大きい保持部材
へ流れる熱量の影響が大きくなることによると考えるこ
とができる。以上のことから、発熱部比率は0.4から
0.8の範囲にするのが好ましいといえる。
を示す。発熱膜比率が約0.5以下では、基板2の温度
変化が抵抗膜3の抵抗変化として現るまでに遅れが生
じ、応答時間Tr が大きくなる傾向を示す。このことか
ら、発熱膜比率は約0.5以上とするのが好ましいとい
える。
a、リード部3bとも同一としたが、図12の検出素子
断面図に示すようにリード部から電極部にかけての抵抗
膜の膜厚を発熱部の膜厚より大きくしてもよい。この場
合、リード部の抵抗膜断面積を図1および2のものと同
等あるいはそれ以上にすればよい。それによってリード
部の抵抗Rsと発熱部の抵抗Rhの比をより小さく設定
することが可能になり、リード部分の温度を下げてリー
ド部から保持部材へ流れる熱量を減少させることができ
るため、起動時間をより短縮することが可能になる。
よび電極部を抵抗膜よりも体積抵抗率の小さい例えば
銅、アルミニウムなどからなる金属膜3dで形成しても
よい。図12の場合と同様の効果が得られる。
よび電極部の上に例えば銅、アルミニウムなどの導電材
料からなる金属膜3dを成膜してもよい。図12および
図13と同様の効果が得られる。
を図を用いて説明する。図15はこの実施例による検出
素子の断面図である。第1の実施例との相違点は基板2
の中央部に発熱部3aを、両端部にリード部3bを1つ
ずつ配置し両端で固定するようにしたことにある。発熱
体を両端を固定するようにしたため、リード部の抵抗膜
のパターン幅が比較的大きく設定でき抵抗比Rs/Rh
を小さくできる。また、外力に対する強度を高くするこ
とができる。もちろん、リード部を図12〜図14のよ
うに構成することも可能である。
持部材部分で流体に乱れを生じることがなく、かつ検出
素子のリード部における発熱量が減少するのでリード部
の温度が低下し、リード部を経て固定部材の側に流れる
熱量が減少し流体の冷却効果による保持部材の温度変化
が減少するので、加熱電流を流してから各部分が熱的平
衡状態になるまでの時間が短くなり、応答性が改善する
とともに計測精度が向上する。さらにボンディングワイ
ヤが流体に接しないので異物との衝突や振動などによる
損傷がなくなり信頼性が向上する。
発明に比べ発熱部とリード部の発熱量の配分がより好ま
しいものとなるため、応答性および計測精度がさらに改
善・向上する。
発明に比べ発熱部での温度の均一性が増し、流量変化に
対する応答性が改善し計測精度がさらに向上する。
面図および断面図である。
立断面図である。
の断面図である。
路図である。
を示す制御回路図である。
ける温度分布を示す説明図である。
の起動時応答を示す説明図である。
熱部とリード部の抵抗比と起動時間の関係を示す特性図
である。
のステップ流量変化に対する応答性を示す説明図であ
る。
起動時間およびステップ応答時間と発熱部比率の関係を
示す特性図である。
ステップ応答時間と発熱膜比率の関係を示す特性図であ
る。
のリード部構成を変えたものの断面図である。
さらに他の変形例における断面図である。
さらに他の変形例における断面図である。
断面図である。
である。
3d 導電性膜 4 保護膜 5 保持部材 6 ボン
ディングワイヤ 7 ターミナルピン 8 カバー 9 封止
材 10 検出素子 11 補償用温度検出素子 20 流路 21 インナーダクト 22
整流装置
Claims (3)
- 【請求項1】 絶縁性基板上に温度依存性抵抗膜を形成
し、この絶縁性基板の支持部から離れた位置にミアンダ
形状に形成した発熱部を設けるとともに外部との接続の
ための電極部と、前記発熱部と前記電極部の間を接続す
る膜状のリード部とをもつ発熱体と、この発熱体を支持
しかつ前記電極部を介して電気的に外部と接続する導電
部をもつ保持部材とからなる流量検出素子を有する感熱
式検出装置において、 前記発熱部の抵抗を前記リード部の抵抗の5倍以上と
し、かつ前記発熱体の端部を前記リード部の一部、前記
電極部および前記電極部を介して電気的に外部と接続す
る導電部をともに被測定流体と隔離する断熱性の前記保
持部材内部に埋設した前記流量検出素子を用い、前記発
熱体の保持部材埋設部以外を前記被測定流体の流路中に
配設したことを特徴とする感熱式流量検出装置。 - 【請求項2】 前記発熱部の面積が、前記流量検出素子
の前記被測定流体にさらされる部分の面積の40%ない
し80%であることを特徴とする請求項第1項記載の感
熱式流量検出装置。 - 【請求項3】 前記発熱部のパターン幅がほぼ均一であ
り、かつ前記発熱部の前記温度依存性抵抗膜の表面積が
前記発熱部における前記絶縁性基板の面積の50%以上
であることを特徴とする請求項第1項記載の感熱式流量
検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11996095A JP3331814B2 (ja) | 1995-05-18 | 1995-05-18 | 感熱式流量検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11996095A JP3331814B2 (ja) | 1995-05-18 | 1995-05-18 | 感熱式流量検出装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08313318A true JPH08313318A (ja) | 1996-11-29 |
JP3331814B2 JP3331814B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=14774469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11996095A Expired - Lifetime JP3331814B2 (ja) | 1995-05-18 | 1995-05-18 | 感熱式流量検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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