(57)【要約】【課題】  ロッドとセンサエレメントが一体化された構造においては、センサエレメントの熱が基板（ロッド）を介してセンサプローブ内へ流れ込み、相当な電力の浪費が避けられない。また、前記現象に起因して、被測定ガスの流量や温度変化に対して感度が鈍くなり、必要な応答速度得ることは不可能である。【解決手段】  センシングプローブの中心軸上に絶縁材料で、かつ表面に導通用の導体パターンが形成された支柱（ロッド）と、前記ロッド表面の導体を介して、被測定ガスの流れる配管に配置されるセンサエレメントとハーネス端子を接続することを特徴とするセンシングプローブを使用し、ガス流量計を計量する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材で形成された棒状部材と、
前記棒状部材の片端側に設けられた流量センサと、
前記棒状部材の他端側にもうけられた出力部と、
前記棒状部材の表面に形成され、前記センサ素子と前記出力部とを電気的に接続する表面配線と、
前記センサ素子と前記出力部との間に設けられた、前記棒状部材のシール材とを一体に備えたガス流量計。
【請求項２】
請求項１において、
前記棒状部材と前記シール材とを支持する支持材を備え、
前記流量センサが内燃機関のＥＧＲ管内に位置するように、
前記支持材が前記ＥＧＲ管に固定されることを特徴とするガス流量計。
【請求項３】
請求項１において、
前記熱式センサは、曲げられた複数のリード材と、絶縁材に巻かれた金属細線とを含んで構成され、
前記リード材が前記表面配線と接続され、
前記出力部と導線を介して接続され、前記金属細線への通電を制御する制御回路を外部に備えたことを特徴とするガス流量計。
【請求項４】
請求項３において、
前記制御回路は、前記金属細線の温度を４００℃以上になるように制御することを特徴とするガス流量計。
【請求項５】
請求項１において、
前記棒状部材はセラミックスで形成され、円筒形状を有することを特徴とするガス流量計。
【請求項６】
請求項１において、
通路を構成する通路構成部材を備え、
前記流量センサが前記通路内に設置されたことを特徴とするガス流量計。
【請求項７】
請求項６において、
前記通路構成部材は、複数の孔が設けられた金属缶であることを特徴とするガス流量計。
【請求項８】
請求項１において、
前記熱式センサは、複数のリード材と、前記リード材に接続された第１の発熱抵抗体、第２の発熱抵抗体及び測温抵抗体とを備え、
前記リード材が前記表面配線に接続され、
前記測温抵抗体が前記第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体との間に設けられたことを特徴とするガス流量計。
【請求項９】
エンジンのＥＧＲ管に設置された請求項１から８のいずれか記載のガス流量計と、
前記ガス流量計の信号に基づいて、前記エンジンの制御要素を制御する制御装置とを備えたエンジン制御システム。
【請求項１０】
請求項９において、
前記制御要素は、前記エンジンに供給する燃料量，前記エンジンに供給する燃料の供給タイミング，前記ＥＧＲ管の絞り量の少なくともいずれかが含まれることを特徴とするエンジン制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気の質量流量を計測するガス流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来例を示す公知例として、特許文献１には、基板を熱伝導率の低い材料から形成し、各温度検出部の先端部を熱伝導率の高い材料からなる温度伝達用被膜で覆う構成の排気用のガス流量計が開示されている。流量検出原理としては、温度検出部に排気が流れる際にヒータ部により形成された温度分布の変化を基にガス流量を検出する手法である。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２４８９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来例のセンシングプローブ構造においては、本発明で示す支柱となるロッド表面にセンシング用のヒータが形成されている。すなわち、ロッドとセンサエレメントが一体化した構造であり、本発明の構造とは大きく異なる。公知例に示されたロッドとセンサエレメントが一体化された構造においては、センサエレメントの熱が基板（ロッド）を介してセンサプローブ内へ流れ込み、相当な電力の浪費が避けられない。また、前記現象に起因して、被測定ガスの流量や温度変化に対して感度が鈍くなり、必要な応答速度得ることは不可能である。
【０００５】
本発明により、内燃機関から排出される厳しい排気環境下においても、長時間にわたり耐えうるだけの強度を兼ね備え、かつ高い精度と品質を確保することのできるより信頼性の高い質量流量の計量を実現することのできるセンシングプローブ構造およびガス流量計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】
【０００６】
上記目的は、絶縁材で形成された棒状部材と、前記棒状部材の片端側に設けられた流量センサと、前記棒状部材の他端側にもうけられた出力部と、前記棒状部材の表面に形成され、前記センサ素子と前記出力部とを電気的に接続する表面配線と、前記センサ素子と前記出力部との間に設けられた、前記棒状部材のシール材とを一体に備えたガス流量計により達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、内燃機関から排出される厳しい排気環境下においても、長時間にわたり耐えうるだけの強度を兼ね備え、かつ高い精度と品質を確保することのできるより信頼性の高い質量流量の計量を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
まず、図１を参照して、本発明のガス流量計センシングプローブの概略構成について説明する。図１は、本実施形態にかかるガス流量計センシングプローブの外観図、図２はその断面図である。
【００１０】
ホルダ１には、円筒状の挿入孔２が形成され、この挿入孔２に円柱ロッド３が嵌挿されている。円柱ロッド３は、挿入孔２を貫通してホルダ１の軸方向の両端面から露出しており、その両端には電極部４ａと４ｂが形成されている。円柱ロッド３は、絶縁体であり例えばアルミナ等のセラミックスが好適である。
【００１１】
図３に円柱ロッド３とセンサエレメント５のアッセンブリ状態を示す。電極部４ａ側には、ガス流量計測用のセンサエレメント５が配置されており、センサエレメント５と電極部４ａとが導通接続されている。また、電極部４ａと４ｂは同一の導体４ｃを印刷にて形成され連結されている。
【００１２】
挿入孔２の電極部４ｂ側には拡径部が形成されており、この拡径部に設けられたシール部により、挿入孔２と円柱ロッド３との隙間における気密が保たれている。具体的には、拡径部にセラミック粉（例えば未焼結のタルク等）６を充填し、これをスペーサ（例えばワッシャ等）７を用いて奥側に押し込むことで、隙間が埋められる。
【００１３】
ホルダ１の電極部４ｂ側には有底円筒状の端子保持用硝子８が固定されており、この端子保持用硝子８により円柱ロッド３の電極４ｂ側が被覆されている。さらに、その端子保持用硝子８の外周を所定の間隙をもって覆うように、筒状のケーシング９が設けられている。このケーシング９は、ホルダ１の外周に全周レーザ溶接等で固定されており、当該レーザ溶接によってケーシング９とホルダ１との隙間における気密が確保されている。
【００１４】
また、ケーシング９のセンサエレメント５とは反対側の端部には、円柱状のシールラバー１０が内装されており、このシールラバー１０を複数のハーネス線１１が貫通して外部に導出されている。このシールラバー１０は圧入によりケーシング９に固定されていると共に、このシールラバー１０によってシールラバー１０とハーネス線１１との間、ならびに、シールラバー１０とケーシング９との間の気密が確保されている。なお、シールラバー１０としては、例えばフッ素ゴム等、耐熱性の高い材質を用いるのが好適である。
【００１５】
各ハーネス線１１の内側端部には、端子１２が接続されており、この端子１２が端子保持用硝子８に保持されている。各端子１２は、弾性体として構成され、その弾性力により、円柱ロッド３の表面に形成される各電極４に端子１２がより確実に当接し、この部分でより確実な導通が得られるようにしてある。
【００１６】
ガス流量計のセンシングプローブは、ホルダ１のネジ部１ａを被測定ガスの流れる配管の設けられたネジ孔に螺入することにより配管に固定され、センサエレメント５が配管内に突出された状態で配置される。センシングプローブと配管との間は、ガスケットによってシールされる。
【００１７】
前記説明においては、代表的な例としてセンシングプローブの支柱となるロッド形状は、円柱形状のものを説明したが、角形のものでも良い。
【００１８】
つぎに自動車用吸気流量計の流量計測原理について簡単に説明する。図４には熱式ガス流量計の概略構成を示す。熱式計量方式は、被測定ガス中に少なくとも２つの抵抗体を配置され、一つはガスの温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用いられ、それぞれの温度差（ΔＴh）を常に一定に保持することでガスの質量流量の計量を実現している。
【００１９】
図５はブリッジ制御回路の構成を示す。発熱抵抗体と測温抵抗体はブリッジ回路抵抗として配置されている。発熱抵抗体の抵抗をＲh、発熱抵抗体を流れる電流をＩhとすると、発熱抵抗体の全発熱量Ｐhと発熱抵抗体に流れるガスの質量流量Ｑ及びΔＴhは（１）式で表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
Ａは発熱抵抗体から支持体への熱伝導分（熱漏れ）であり、またＢはガスに奪われる熱伝達分で、熱的定数としてまとめられる。この（１）式から、発熱抵抗体Ｒhと固定抵抗Ｒ1の中点の電圧Ｖsは（２）で表され、ガスの質量流量に依存する電圧であることが分かる。センサ出力Ｖoutは、このＶsを増幅しアナログ電圧値として出力される。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
ところで、排気環境で用いられるデバイスにおいて、汚損は重大な課題である。デバイスの使用目的や原理によってその大小は異なるが、熱式の流量計においては、センサエレメントへの汚損は計量精度を維持するには致命的な影響を及ぼす。
【００２４】
内燃機関の排気環境においては、機関から排出された煤（Dry Soot）や灰分（Ａsh）など微粒子状物質（ＰＭ）に含まれる不揮発成分が汚損の対象となる。煤は機関の燃焼室内に吸入された空気と燃焼室内に噴射された燃料の混合不足、すなわち酸化不足により発生する。汚損は、ＰＭ中に含まれるＳＯＦ（可溶性有機成分）やＨＣ（炭化水素）などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生する一方で、この揮発成分の含有は内燃機関の燃焼によって決定される。
【００２５】
センサエレメント表面への汚損に対しては、エレメントの温度を高温（例えば、４００℃以上）に加熱することで回避できることが明らかとなっている。汚損物質の主成分である煤は、一般的に６００℃以上にすると酸化し焼失する。センシング部への汚損という観点では、センサエレメントの支持体への汚損に対しては、流量を計量する発熱抵抗体から支持体へ伝熱を抑えるべく第２の発熱抵抗体を配置する手段が有効である。
【００２６】
図６には、その基本構成を示す。図１との違いは、流量計量用の発熱抵抗体（以下、メインヒータ）と筐体を結ぶ支持体との間に、サブヒータ（以下、サブヒータ）を配置した構成である。このようにメインヒータからの支持体への伝熱を、その間に介在するサブヒータで断熱する。
【００２７】
ここでサブヒータを配置することにより効果が期待できる理由について述べる。誤差の発生要因は先に示した（１）式において、発熱抵抗体から支持体へ通した熱伝導分（熱漏れ）を意味する熱的定数Ａが汚損前後で変化が生じることによって誤差は発生する。サブヒータを配置することで、メインヒータで必要になる発熱量と支持体への伝熱分を熱的に切り離すことができる。すなわち、メインヒータとサブヒータ間の伝熱量を任意に制御できる構成とすることで、ガス流量の計量と支持体の汚損との関係を断ち切ることができる。
【００２８】
つぎに、前記排気環境下での汚損に対する対応手段を考慮したセンサエレメントの構造について、図７を用いて説明する。なお、図７には巻線式をベースとしたセンサエレメント構造を示すが、耐汚損に対する理論を満足する一例であり、前記の断熱するセンサエレメント（例えば板型の白金薄膜抵抗体など）も本発明の対象となる。
【００２９】
センサエレメントは、エレメント先端からメインヒータ１３，センシングワイヤ１４，サブヒータ１５の順に配置されている。各抵抗体は、６本のリード１６によって同心軸上に串刺し状態で配置された絶縁基体となる異形断面パイプ１７上に、抵抗体となる２０μｍ程度の白金ワイヤ１８を螺旋状に巻き付けられ形成されている。このように、センサエレメントを片側で支持する構成にすることによりエレメント構造がより単純化できるため生産し易い。白金ワイヤ１８の両端部はそれぞれ異なる６本のリード１６に溶接にて固定されている。さらに白金ワイヤ１８を保護するための絶縁保護膜１９（Ｓｉ系ガラスなど）が形成されている。なお基体の異形断面パイプの外観を図８に示すが、アルミナ等のセラミックスが好適である。
【００３０】
つぎにセンシングワイヤについて説明する。図９には、メインヒータとサブヒータのみの場合の問題を示す。両ヒータの設定温度はメインヒータを４００℃、サブヒータを４００℃より高い温度に設定した場合を想定している。メインヒータとサブヒータを連結する接続部の温度は、センサエレメントを流れるガスの流量（流速）、あるいはガス温度によって変化する。特に流れが停止状態や低流量時に両ヒータが目標温度を保持できる状態に調整すると高流量域で接続部の温度が低下してしまい、大きな温度低下の状態が連続的に続くと、接続部に汚損が発生する恐れがある。原理から察するに接続部に汚損が発生すると、サブヒータを配置した意味がなくなる。したがって、接続部の温度の著しい低下を避けるための対策が必要になる。センシングワイヤは、前記対策手段としてメインヒータ端部の温度を管理することを目的として配置したものである。
【００３１】
理想的には、メインヒータ端部における温度勾配がゼロの状態である。この状態であれば、メインヒータへのサブヒータからの熱の流れ込みや、逆に接続部への熱逃げがないため、常にガスによって奪われる熱のみを検出することができ課題を確実に克服できる。
【００３２】
動作としては、センシングワイヤによってメインヒータ端部の温度を常時検出し、サブヒータの温度制御に反映する。
【００３３】
ところで図３で説明したように熱式ガス流量計測においては、ガスに熱を奪われる発熱抵抗体とガス温度を検出する測温抵抗体の２つが必要である。図１で示すセンシングプローブは、前記抵抗体でいうと発熱抵抗体のみの機能を持ったセンシングプローブであることが分かる。複雑にはなるが発熱抵抗体とガス温度を検出する測温抵抗体の２つを１つのセンシングプローブに集約し、１本のセンシングプローブのみで計量することも可能である。そこで、つぎに図１に示したセンシングプローブを用いて質量流量を計測するための実施形態について説明する。
【００３４】
図１１に本発明における質量流量を計量するための制御部の概略構成を示す。発熱抵抗体用センシングプローブ２０とは個別にガス温度検出用センシングプローブ２１の２本プローブを被測定ガスの流れる配管２２へ同時に装着する。ガス温度検出用プローブ２１は、発熱抵抗体用プローブ２０の構造をベースにエレメントのみをガス温度検出用のものを適用するのみで実現は可能である。図１２には、ガス温度検出用のエレメント外観を示す。
【００３５】
それぞれのセンシングプローブ２０，２１はハーネス線１１を介して制御回路部に接続される。このようにプローブ部と制御回路部を切り離した構成とすることで、内燃機関の排気のような高温のガスを計量する場合においても耐熱性を確保することができる。測定対象となるガス温度が低い場合は、センシングプローブ内に制御機能を持たせてもよい。制御回路部には、メインヒータの制御回路やセンシングワイヤの温度検出回路、さらにはガス温度検出回路などのアナログ回路が入力段に配置されている。それらアナログの制御回路からの出力値がデジタル部へ入力されアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、各種信号を基に処理した後に、再度Ｄ／Ａ変換した信号がセンサモジュールから質量流量に相当する信号が出力される。特にサブヒータは、センシングワイヤからの信号をデジタル部で処理した後、検出されたメインヒータ端部の温度に基づいて設定温度が制御される。
【００３６】
つぎにロッド表面の電極とセンサエレメントのリードの接続に関して説明する。図１３にセンサエレメント近傍の拡大図、図１４に電極とリード接続部のロッド断面図を示す。円柱ロッド３の表面に電極４が形成されている。例えばセンサエレメント５のリード１６の端部を電極４に密着させた格好で配置させその上から導体ペースト２４を塗布，焼結することで電極４とリード１６を接続する。さらには、その上層に絶縁保護層２５を形成することで、ガス中に含まれる腐食性の高い成分や水分の衝突を避けると共に接続部の強度を確保することができる。なお、接続に用いる導体ペースト２４は耐食性に優れている白金系のものが好適であり、最上層に形成される絶縁保護層２５は、センサエレメントの表面を保護するＳｉ系ガラス、あるいはアルミナを主体とした粒子をスピネル溶射によって形成する。
【００３７】
電極とリードの接続に関してその他の好適な手法としては、超音波溶接やレーザ溶接等による拡散接合による機械的な接合を採用することでより確実な接続ができる。
【００３８】
ところで、ガス温度検出については、発熱抵抗体であるメインヒータを流れるガス温度を検出することが好ましい。内燃機関排気温度は、燃焼室からの距離によって、徐々に温度低下が生じる。本発明に実施形態で説明した２つのセンシングプローブを使用する場合は、ガスの流れ方向に対して同等となる箇所に配置することが理想である。図１５に示したとおり、発熱抵抗体用センサシングプローブ２０とガス温度検出用センシングプローブ２１を機械的に干渉しない角度にガス配管２２の同一円周上に配置することで前記望ましい構成を実現することができる。これにより、センシングプローブを２つ用いた場合においてもより高精度な質量流量を検出することが可能となる。
【００３９】
また、同様の視点で別の切り口での実施形態を説明する。例えば車載用ではなく計測器用などセンシングプローブの配置構成において空間的な自由度に許容がある場合は、図１６に示したようにセンシングプロ−ブを取り付けるガス配管側に、被測定ガスの副通路２６を形成し、２つのセンシングプローブを流れに対して上下の位置に設置する。この場合においても、２つのセンシングプローブのエレメントをより近接した位置に配置するのが望ましい。ただし、副通路２６分の圧力損失が発生するため副通路２６は最小限の断面積で形成することが重要である。
【００４０】
また、ガス流量計測においてガス配管内の脈動および逆流は計測精度に直接悪影響を及ぼす。図１６の例においては、副通路２６の最下流部に逆流防止部材２７を配置している。これにより、逆流の大きな状態においてもより安定した計測が可能になる。
【００４１】
例えば、図１５に示したようにガス配管側に副通路が形成しない、あるいは形成できない場合は、センシングプローブの先端にその機能を付加することも可能である。
【００４２】
図１７には、ガス温度検出用センシングプローブの先端部の構造を示す。ガス温度検出は、脈動や逆流といったガス流れの影響は受けない。したがって、衝突等により破損を考慮したプロテクタ２８を装着することで十分対応が可能である。ガスは側面に設けられたガス流入孔２９からプロテクタ内に導入され、プロテクタ２８の最先端部に設けられたガス流出孔３０から排出される。注意をしなければならないのは、発熱抵抗体用のセンシングプローブの先端構造である。発熱抵抗体がガスに奪われる熱量を利用した本発明の計測原理に沿った理由からである。
【００４３】
図１８と図１９にそれぞれ発熱抵抗体用センシングプローブの先端部の構造を示す。図１８はより単純な構造で被測定ガス衝突面に形成されたガス流入孔２９から導入されたガスは、センサエレメント５を通過しプロテクタ２８の最先端部に設けられたガス流出孔３０から排出される。図１９の構造は、有底円筒状のアウタープロテクタ２８ａとインナープロテクタ２８ｂの二重管構造を適用した例である。アウタープロテクタ２８ａの表面で、かつ被測定ガス衝突面に形成されたガス流入孔２９ａから導入されたガスは、インナープロテクタ２８ｂ表面に形成されたガス流入孔２９ｂへと流れ込み、さらにセンサエレメント５を通過した後、インナープロテクタ２８ｂの最先端部に設けられたガス流出孔３０から排出される。このように２重管構造とすることで、計量に悪影響を及ぼす脈動や逆流の影響をより抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のガス流量計センシングプローブの概略構成。
【図２】本発明のガス流量計センシングプローブの断面図。
【図３】ロッドとセンサエレメントのアッセンブリ状態。
【図４】吸気流量計の概略構成図。
【図５】吸気流量計のブリッジ制御回路構成。
【図６】サブヒータを有する熱式流量計の概略構成図。
【図７】サブヒータを有するセンサエレメントの構造例。
【図８】絶縁パイプの外観図。
【図９】サブヒータを有するセンサエレメント適用時の課題。
【図１０】センスワイヤ追加による効果。
【図１１】本発明の実施形態を示す構成例。
【図１２】ガス温度検出用センサエレメントの構造例。
【図１３】センサエレメント近傍の拡大図。
【図１４】電極とリード接続部のロッド断面図。
【図１５】２つのセンシングプローブを使用する場合の構成例。
【図１６】ガス配管に副通路を形成した場合の構成例。
【図１７】ガス温度検出用センシングプローブの先端部構造。
【図１８】発熱抵抗体用センシングプローブの先端部構造。
【図１９】発熱抵抗体用センシングプローブの先端部構造。
【符号の説明】
【００４５】
１  ホルダ
２  挿入孔
３  円柱ロッド
４  電極
５  センサエレメント
６  セラミック粉
７  スペーサ
８  端子保持用碍子
９  ケーシング
１０  シールラバー
１１  ハーネス線
【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】
2008298425.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2008298425.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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