JPH08313318A

JPH08313318A - 感熱式流量検出装置

Info

Publication number: JPH08313318A
Application number: JP7119960A
Authority: JP
Inventors: Koji Tanimoto; 考司谷本; Tomoya Yamakawa; 智也山川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1996-11-29
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JP3331814B2

Abstract

(57)【要約】【目的】感熱式流量検出装置の起動時間を短縮すると
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸入空気流
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。

【０００２】

【従来の技術】一般に自動車用エンジンの電子制御式燃
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。

【０００３】図１６に特開昭６２−９８２１９号公報に
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。

【０００４】図１７は上記とは異なる従来の検出素子の
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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ボンディングワイヤに
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。

【０００６】また、図１６に示すように発熱部におい
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。

【０００７】さらに、流量が変化する場合の応答時間が
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る流
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。

【０００９】請求項２に係る発明の流量検出装置は、請
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。

【００１０】請求項３に係る発明の流量検出装置は、請
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。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明では、検出素子の保持部材
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。

【００１２】請求項２に係る発明では、検出素子の保持
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。

【００１３】請求項３に係る発明では、検出素子の保持
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。

【００１４】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図を用いて説明す
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。

【００１５】図３は図１および図２を用いて説明した検
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。

【００１６】次に流量検出装置の構成とともにその動作
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。

【００１７】図６に流量検出装置の動作状態における検
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。

【００１８】加熱電流供給開始後の出力信号の様子を図
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Ｔ_ONと呼
ぶ。

【００１９】図８に発熱部の抵抗Ｒｈに対するリード部
の抵抗Ｒｓの比と起動時間Ｔ_ON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Ｔ_ON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Ｔ_ONが急激に大きくなる。

【００２０】図９は流量をステップ状に変化させた場合
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Ｔ_r と呼ぶ。図１０に発熱部比
率と起動時間Ｔ_ONおよび応答時間Ｔ_r 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Ｔ_ON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Ｔ_r 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Ｔ_ON、Ｔ_r 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。

【００２１】図１１に発熱膜比率と応答時間Ｔ_r の関係
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Ｔ_r 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。

【００２２】以上の説明では、抵抗膜の厚さは発熱部３
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。

【００２３】さらに、図１３に示すように、リード部お
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。

【００２４】さらに、図１４に示すように、リード部お
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。

【００２５】実施例２．以下、この発明の第２の実施例
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。

【００２６】

【発明の効果】請求項１に係る発明では、検出素子の保
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。

【００２７】請求項２に係る発明によれば、請求項１の
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。

【００２８】請求項３に係る発明によれば、請求項１の
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例による検出素子の平
面図および断面図である。

【図２】この発明の第１の実施例による検出素子の組
立断面図である。

【図３】この発明の第１の実施例による流量検出装置
の断面図である。

【図４】この発明の第１の実施例による検出素子の回
路図である。

【図５】この発明の第１の実施例による流量検出原理
を示す制御回路図である。

【図６】この発明の第１の実施例による検出素子にお
ける温度分布を示す説明図である。

【図７】この発明の第１の実施例による流量検出装置
の起動時応答を示す説明図である。

【図８】この発明の第１の実施例による検出素子の発
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。

【図９】この発明の第１の実施例による流量検出装置
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。

【図１０】この発明の第１の実施例による検出素子の
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。

【図１１】この発明の第１の実施例による検出素子の
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。

【図１２】この発明の第１の実施例において検出素子
のリード部構成を変えたものの断面図である。

【図１３】この発明の第１の実施例による検出素子の
さらに他の変形例における断面図である。

【図１４】この発明の第１の実施例による検出素子の
さらに他の変形例における断面図である。

【図１５】この発明の第２の実施例による検出素子の
断面図である。

【図１６】従来の検出素子の平面図である。

【図１７】図１５とは異なる従来の検出素子の平面図
である。

【符号の説明】

１発熱体２絶縁性基板３抵抗膜３ａ発熱部３ｂリード部３ｃ電極部
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

【特許請求の範囲】

【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。