(57)【要約】【課題】  流量計測素子の上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路の信頼性は非常に高いが、この副通路は大量生産を行う場合に、流量特性のばらつきが十分なものではなかった。また、流量計測素子は支持体に実装されるが、製造ばらつきにより、流量計測素子の表面位置と支持体の表面位置がばらつく。このばらつきに起因して、流量特性，温度特性等のばらつきが発生するという課題がある。【解決手段】  本発明は上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路に流入した空気の流れ方向を流量計測素子の方向に向かわせるように、副通路の流量計測素子付近の絞り形状を構成することにより、製造ばらつきを低減することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ方向を検出するための手段を備えた流量計測素子と、前記流量計測素子を実装する支持体と、前記流量計測素子が配置される副通路を有し、前記副通路は前記流量計測素子の上流及び下流に曲り部を有し、前記支持体が前記副通路の壁の一部を構成している流量センサにおいて、
前記副通路内にエンジンからエアクリーナに流れる方向（順流）の空気の流れを、前記流量計測素子表面に向かう方向に偏向するように、前記副通路の、前記流量計測素子と向い合う面に絞り部が構成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記副通路内にエンジンからエアクリーナに流れる方向（逆流）の空気の流れを、前記流量計測素子表面に向かう方向に偏向するように、前記副通路の、前記流量計測素子と向い合う面に絞り部が構成されており、前記支持体と前記流量計測素子と向い合う面の距離が最も小さくなる位置が前記流量計測素子の前記副通路内にエンジンからエアクリーナに流れる方向（順流）の前記流量計測素子の中心位置よりも下流側にあることを特徴とする流量センサ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記絞り部は順流側の流量計測素子への偏向角度よりも、逆流側の流量計測素子への偏向角度の方が大きいことを特徴とする流量センサ。
【請求項４】
曲がりを有する副通路と、
前記副通路内に設置された計測素子とを備えた流量センサにおいて、
前記計測素子を前記副通路を構成する壁面に固定し、
前記壁面に対向する前記副通路を構成する他の壁面に、前記副通路を絞る絞り手段を設けたことを特徴とする流量センサ。
【請求項５】
請求項１において、
前記絞り手段は、前記他の壁面を略扇形に盛り上げて構成されたことを特徴とする流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗体を利用して流量を計測する流量センサに係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するために好適な流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設置され、吸入空気流量を計測する流量センサとしては、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。このような熱式の流量センサにおいて、流量を計測する流量計測素子をシリコン(Ｓｉ)などの半導体基板上に、半導体微細加工技術を用いて製造するものが比較的容易に、大量生産方式で生産できることから経済性があり、また、小型で低電力駆動できることから近年注目されている。
【０００３】
排気規制強化，燃費向上の点から、エンジンにおいて吸気脈動が発生する状態および脈動が大きくなりエンジンからエアクリーナの方向に向かう空気流（逆流）が発生する状態においても、高精度に流量を計測する流量計測装置が必要となってきている。上述のエンジン状態においても高精度に空気流量を計測するためには、脈動に追従可能な応答速度及び方向検知機能を有する流量計測装置が必要である。
【０００４】
これを達成する手段の一例として、上述のシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細加工技術を用いて製造するセンサでは、薄膜状の計測領域を形成し、その薄膜領域に流量計測用抵抗体を形成することにより熱応答を高速化することが可能である。方向検知機能については流量計測用抵抗体のパターンにより達成することが可能である。方向検知手段を有することにより、エンジンからエアクリーナの方向に向かう空気流（逆流）が発生する運転状態において、方向検知手段を有していない流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。
【０００５】
従来は、４気筒エンジンの低回転数において吸気脈動が大きくなり、スロットル全開付近において逆流を発生する場合が多かったが、近年の排出ガス規制，低燃費化等に対応したバルブの開閉時間を変化させるなどの複雑な制御を行うエンジンでは、高い回転数において、脈動，逆流が発生し、逆流量も拡大する傾向にある。また、４気筒以上の多気筒エンジンにおいても逆流を含む脈動流が発生する。従って、方向検知機能は非常に有効な手段である。また、このように流量を検出する抵抗体を薄膜上に形成することにより流量変化に対して高速な熱応答が得られる。このように、高速に応答する流量センサを自動車制御に適用すると流量が急激に変化する場合でも、その流量変化に応答することが可能であり、従って上記の運転状態においても、熱容量が大きく応答速度の遅い流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。
【０００６】
しかし、流量センサが搭載される自動車の吸気管を流れる空気には、雰囲気中に含まれるダスト，オイル等の汚損物質が含まれている。エアクリーナにより汚損物質の大部分は取除かれるが、例えば１５μｍ以下の微小粒子はエアクリーナを通過して流量センサに到達する。また、エアクリーナの経年変化により、エアクリーナに堆積した汚損物質が流量センサに到達する可能性もある。本発明に使用している流量計測素子は上述したように薄膜部を有していることから、これらの汚損物質が衝突し難い構成が信頼性の面から有効である。これを実現する手段として、流量センサでは汚損物質が流量計測素子に衝突しないように慣性分離を行う副通路が有効である。慣性により汚損物質を除去する副通路としては、例えば流量計測素子の順流に対して上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路が有効である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−８３７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、流量計測素子の上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路の信頼性は非常に高いが、この副通路は流路の半径方向に対して流速が変化し、中心の流速が速くなる。従って、大量生産を行う場合に、流量特性のばらつきが十分なものではなかった。
【０００９】
また、上述の流量計測素子は平板構造をしているため、流量計測素子表面の流れが乱れると流量が安定しない。流量計測素子は何らかの支持体に接着などにより実装され、流量計測素子の表面位置と支持体の表面位置の関係が、流れが乱れない構成とすることが望ましい。しかし、製造上のばらつきのため、流量計測素子の厚みばらつき、支持体の厚みばらつき、接着する場合には接着剤の厚みばらつきにより、流量計測素子の表面位置と支持体の表面位置がばらつく。このばらつきに起因して、流量特性，温度特性等のばらつきが発生する。
【００１０】
以上の２つの問題に起因し、従来の構成では、大量生産時に流量センサの製造ばらつきが大きくなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路に流入した空気の流れ方向を流量計測素子の方向に向かわせるように、副通路の流量計測素子付近の絞り形状を構成することにより、製造ばらつきを低減することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、信頼性が高く大量生産時の製造ばらつきが小さい流量センサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上流に除々に径が小さくなるような曲部を有する副通路に流入した順流および逆流を流量計測素子の方向に向かわせるように、副通路の流量計測素子付近の絞り形状を構成し、絞り部の頂点は順流に対して流量計測素子の下流側に位置する構成とする。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を基に説明する。まず、本発明に使用される各構成部品について説明する。
【００１５】
図３は流量計測素子１の平面パターン図、図４は流量計測素子１の断面図を示す。流量計測素子１は半導体製造技術により作製される。以下にその説明をする。単結晶シリコン基板２上に絶縁層３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、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、所望の抵抗値とするために不純物としてリン(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４，吸気温度検出抵抗体５，上流側感温抵抗体６，７，下流側感温抵抗体８，９，引出抵抗１２を形成する。次に、保護層１３として窒化シリコン層，二酸化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。その後、保護層１３をパターニングして、電極１４を形成する部分の保護層１３を取除く。次に、電極材料であるアルミニウム層を形成後、エッチングによりパターニングを行い電極１４を形成する。最後に、空洞部１５を形成するために、単結晶シリコン基板２の発熱抵抗体４を形成していない面にパターニングを行う。その後、異方性エッチングにより空洞部１５を形成する。このように空洞化することにより発熱抵抗体４，上流側感温抵抗体６，７，下流側感温抵抗体８，９が配置されている領域は熱的に絶縁された薄膜部１６となる。上述の二酸化シリコン，多結晶シリコンは圧縮応力を有し、窒化シリコンは引張り応力を有しているため、これらの材料を適切な膜厚で積層することにより、たわみのない薄膜部１６を形成することが可能となる。最後にダイシングによりチップに分割する。また、表面を酸化させた単結晶シリコン基板を２枚貼り合わせた基板を用いることにより、抵抗体を単結晶シリコンにより形成することも可能である。その他、密着性が適切であれば、抵抗体として白金等の金属材料を用いることも可能である。
【００１６】
図５は本発明の流量計測素子１を実装した流量センサモジュール１００を吸気管に取付けた部分断面図である。図６は本発明の流量センサモジュール１００の断面図である。流量計測素子１を実装する支持体２０はガラスセラミック製積層基板により形成される。支持体２０としては、他には高温焼成セラミック，金属板，プラスチック材等を採用することも可能となる。しかし、流量計測素子１は熱的に周囲の部材から熱絶縁されることが望ましいため、熱伝導率の小さいガラスセラミック製積層基板を採用することが有効である。また、積層基板を採用することによって、流量計測素子１への電力供給および、流量計測素子１からの信号処理を行うための回路２１を支持体２０に一体化して形成することが可能となる。このように支持体２０と回路２１を一体化することにより部品点数削減，接着個所の削減ができることからコスト，信頼性の面で優位である。また、積層基板の内層導体を使用して流量計測素子１を制御するための回路２１を構成することにより回路２１の小型化を図ることができるため、流量センサモジュール１００の小型化を図ることができる。支持体２０には流量計測素子１を収めるための窪み２２が形成されており、流量計測素子１は窪み２２内にエポキシまたはシリコーン系接着剤で接着される。流量計測素子１の電極１４と支持体２０の電極は、例えば金線等の接続線２３により電気的に接続される。この接続部は吸入空気に含まれる汚染物質や水分による電食を防止するためにエポキシ系またはシリコーン系の樹脂で覆われる。この流量計測素子１が実装された支持体２０はシリコーン系の接着剤２３によりハウジングケース２４に実装される。さらにハウジングケース２４は主通路２５に挿入される。
【００１７】
図５において、主通路２５でエアクリーナからエンジンの方向に流れる空気(順流２６)は副通路４０の入口４１から出口４２に向かう。逆流の検出にも対応するためには、本発明に示すように、入口４１はエアクリーナ側、出口４２はエンジン側に開口している構成が有効である。この場合、副通路の流路は一周する必要があるため、主通路断面積に占める副通路の断面積が大きくなり、圧力損失が大きくなる。これを低減するためには、支持体２０を副通路４０の壁面に埋め込み、副通路４０の壁面の一部とする構成が有効である。
【００１８】
次に、流量センサモジュール１００の動作原理を図３及び図７により説明する。発熱抵抗体４は吸気温度検出抵抗体５，抵抗体１０，抵抗体１１と共にブリッジ回路３０を構成する。抵抗体１０と抵抗体１１は、支持体２０上の回路２１または、流量計測素子１上に形成される。ブリッジ回路３０は、発熱抵抗体４が吸気温度検出抵抗体５に対して一定温度高くなるようにフィードバック制御される。上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９の４個の感温抵抗体はブリッジ回路３１を構成している。ブリッジ回路３１には電圧Ｖｒｅｆが印加されている。上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９は、発熱抵抗体４からの熱伝導および熱伝達により加熱されて所定の温度になる。無風状態では、理想的には上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９は等しく加熱されるため温度差はほぼゼロとなる。従って、接点３２と接点３３はほぼ等しい電位となる。
【００１９】
ここで、順流２６が発生すると上流側感温抵抗体６，７は冷却されて平均温度が下がるため抵抗値が小さくなる。従って、接点３２，接点３３の間に電位差が発生する。一方、図３の逆流２７の場合には、上述とは反対に、下流側感温抵抗体７が上流側感温抵抗体６よりも冷却されることにより、やはり接点３２，接点３３の間に電位差が発生する。この電位差は流量に従い大きくなるため、この電位差を元に流量計測が可能となる。また、接点３２と接点３３の何れの電位が大きいかで、方向を判定することが可能となる。この電位差は演算装置３４に入力され、演算装置３４により空気流量に対して所定の電圧が出力される。
【００２０】
図３，図８を用いて、副通路４０について説明する。副通路４０は入口４１から流入した空気が渦を巻くように一周した後に、出口４２から流出する。慣性効果を得るために入口４１から流量計測素子１に到達するまでの流路は、除々に径が小さくなるような曲部で構成されている。この構成により、図８に示すように、空気流が渦状の流路を通過して流量計測素子１に到達するまでの間に、ダスト，水分などの汚損物質は慣性効果により外周面に押付けられ、そのまま出口３２から排出される。よって、流量計測素子１の表面に汚損物質が到達することができない構造となっている。例えば、５〜２００μｍ程度の粒子を、主通路２５に連続投入した場合でも、流量計測素子が破壊することはない。また、水分においても、主通路２５に連続投入した場合でも、流量計測素子が破壊することはない。
【００２１】
ここで、流量計測素子１は支持体２０に実装されるが、単結晶シリコン基板２の板厚ばらつき、支持体２０の窪み２２の深さのばらつき、流量計測素子１を支持体２０に接着する接着剤の厚みばらつきにより流量計測素子１の表面位置と支持体２０の表面位置がばらつくことになる。図９は標準位置の表面位置関係、図１０は表面位置関係がばらついた例を示す。図１０のように表面位置関係がばらつくと、流量計測素子表面の流れが流量計測素子１の端部で乱れるため、図９の流量特性と比較すると図１３に示すように大きく変化する。板形状の表面に計測素子を有し、その計測素子の表面と平行に空気が流れる場合、計測素子のごく表面では流速が非常に小さくなる。従って、図１０に示すように、流量計測素子１の表面位置と支持体２０の表面位置の関係が変化すると、流量計測素子表面の流れ方に大きな変化が生じる。この変化により、図１３に示すように標準実装位置での流量特性に比較して大きな特性変化が発生する。
【００２２】
図１に本発明の副通路４０内の絞り４３形状を示す。図２の断面に示すように、流量計測素子１の上流は除々に流路断面が小さくなる形状となっている。この構成により、図
１１に示すように、流れが斜め方向から流量計測素子１に当たる。この構成において図
１２に示すように流量計測素子１の表面位置と、支持体２０の表面位置がばらついても、その影響を受け難くなるため、図１３に示すように特性変化はほとんど発生しない。しかし、図１１に示すように流れを流量計測素子１に向かうようにする構成は、本発明に示すように慣性効果を有する副通路４０に適用することにより有効となる。慣性分離を行わない通路において、空気を流量計測素子１に向うような構成をとると、汚損物質を含んだ状態の空気が流量計測素子表面に衝突することになる。よって、図９の構成よりも流量計測素子１の薄膜部１６を破壊してしまう可能性が高くなる。従って、本発明に示すように慣性分離の効果がある副通路４０に適用することによって、信頼性があり、量産時の特性ばらつきが小さい流量センサモジュール１００を提供することが可能となる。
【００２３】
また、流量センサモジュール１００としては、流量計測素子１の薄膜部１６を副通路
４０内の流速の大きい位置に配置することが、主通路２５に発生する偏流の影響を低減することができる。本発明に採用している副通路４０では、汚損物質は副通路外周部に分離されるため、流量計測素子１は副通路内側に配置する方が有効である。
【００２４】
ここで、副通路では、外周部よりも内周部の流速が大きくなる。また、本発明の絞り
４３形状においては、図１４に示すように、内周と外周では絞り４３の高さが同じであっても、絞り部頂点４４までの傾斜が内周の方が急になる。流量計測素子１は内周付近に配置するため、さらに内周の流速を高める効果があり、従って、偏流の影響を低減することができる。また、内周部の方が、より流れが流量計測素子１の方向に向かうため、ばらつきが低減できる。
【００２５】
一方、図１，図２に示すように逆流２７が発生した場合にも、流れを流量計測素子１に向かうようにする構成が有効である。逆流２７が発生する場合には、流量がゼロの状態を通過して流れが順逆入れ替わる。従って、図１０に示すように、流量計測素子１付近の実装ばらつきがあると流量誤差を発生し易い。特に、逆流２７が発生し始める状態では、脈動時の最低流量がゼロ付近になるが、ばらつきにより流れが不安定になるため流量計測素子１が流れに追従できなくなり、流量誤差が発生し易くなる。
【００２６】
しかし、本発明の構成では、ばらつきに対して安定性が向上するため、逆流を含む脈動時にも流量誤差を低減することができる。ここで、絞り部頂点４４は、流量計測素子上に存在するとばらつきの要因となる。逆流２７の発生頻度は順流２６の発生頻度よりも低いため、流量計測素子１の下流側に絞りの頂点が存在する構成が有効である。
【００２７】
また、図１７はガソリンエンジン等の内燃機関のシステム図を示す。エンジンへの吸入空気はエアクリーナ１０２，吸気通路１２，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が吸気マニホールド１０６と一体で構成する吸気通路１２を流れる途中に、本発明を施した流量計測装置１００で流量及び流れ方向が検出され、検出された信号は電圧または周波数により車両コントロールユニット１０７に取込まれる。
【００２８】
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。
【００２９】
尚、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、本発明の流量計測装置を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による流量計測装置の副通路絞り部形状を示す図。
【図２】本発明による流量計測装置の副通路絞り部の断面図。
【図３】本発明の流量計測素子の平面図。
【図４】本発明の流量計測素子の断面図。
【図５】本発明の流量センサモジュールを吸気管に配置した図。
【図６】本発明の流量センサモジュールの断面図。
【図７】本発明の流量センサの駆動回路図。
【図８】本発明の副通路の慣性効果を示す模式図。
【図９】本発明の流量計測素子の支持体への実装例を示す図。
【図１０】本発明の流量計測素子の支持体への実装例を示す図。
【図１１】本発明の流量計測素子の支持体への実装例を示す図。
【図１２】本発明の流量計測素子の支持体への実装例を示す図。
【図１３】流量特性図。
【図１４】本発明の絞り形状を示す図。
【図１５】本発明の絞り形状を示す断面図。
【図１６】本発明の絞り形状を示す断面図。
【図１７】本発明の流量計測装置を用いた内燃機関の制御システム図。
【符号の説明】
【００３１】
１…流量計測素子、２…単結晶シリコン基板、３…絶縁層、４…発熱抵抗体、５…吸気温度検出抵抗体、６，７…上流側感温抵抗体、８，９…下流側感温抵抗体、１０，１１…抵抗体、１３…保護層、１４ａ〜１４ｋ…電極、１５…空洞部、４４…絞り部頂点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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