(57)【要約】【課題】汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で実現する。【解決手段】ダイアフラム部２の表面には発熱抵抗体６を形成し、発熱抵抗体６の両側（空気流上下流側）には温度差センサ９〜１２を形成する。温度センサ９、１０は発熱抵抗体６の上流側、温度差センサ１１、１２は発熱抵抗体６の下流側に配置し、温度差センサ９〜１２の両側には加熱温度センサ８ａ、８ｂを形成する。加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度は空気流の温度よりも一定温度高くなるように制御されことから、センサ素子１の汚損物が付着した場合でも加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度は一定に保たれ、流量を検出する温度差センサ１０、１２は加熱温度センサ８ａ、８ｂの内側に位置することから温度変化は小さく、特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することができる。【選択図】図１
2008286604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜部を形成し、この薄膜部に発熱抵抗体を配置して被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、
上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の温度差センサ、及び、上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の温度差センサと、
上記第１の温度差センサの上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記第２の温度差センサの下流側に配置される第２の加熱温度センサと、
上記第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの平均温度が所定の温度となるように、上記第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサが検出する温度変化に基づいて、上記発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、
上記第１の温度差センサと上記第２の温度差センサとの検出温度差に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段と、
を備えることを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
基板上に薄膜部を形成し、この薄膜部に発熱抵抗体を配置して被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、
上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の加熱温度センサと、
上記第１の加熱温度センサの上流側に配置されるとともに上記第１の加熱温度センサの下流側であって上記発熱抵抗体の上流側に配置される第１の温度差センンサ、及び上記第２の加熱温度センサの下流側に配置されるとともに上記第２の加熱温度センサの上流側であって上記発熱抵抗体の下流側に配置される第２の温度差センサと、
上記第１の加熱温度センサの検出温度及び第２の加熱温度センサの検出温度の平均温度が所定の温度となるように、上記第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの検出温度変化に基づいて、上記発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、
上記第１の温度差センサの検出温度と上記第２の温度差センサの検出温度との差に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段と、
を備えることを特徴とする熱式流量計。
【請求項３】
基板上に薄膜部を形成し、この薄膜部に発熱抵抗体を配置して被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、
上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の温度差センサ、及び、上記発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の温度差センサと、
上記第１の温度差センサの上部に絶縁膜を介して配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記第２の温度差センサの上部に絶縁膜を介して配置される第２の加熱温度センサと、
上記第１の加熱温度センサの検出温度及び第２の加熱温度センサの検出温度の平均温度が所定の温度となるように、上記第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの検出温度変化に基づいて、上記発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、
上記第１の温度差センサと上記第２の温度差センサとの検出温度差に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段と、
を備えることを特徴とする熱式流量計。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の熱式流量計において、上記第１の温度差センサは、第１の感温抵抗体及び第２の感温抵抗体を有し、上記第２温度差センサは、第３の感温抵抗体及び第４の感温抵抗体を有し、上記検出手段は、上記第１の感温抵抗体と第３の感温度抵抗体との直列回路に、上記第２の感温抵抗体と第４の感温度抵抗体との直列回路を互いに並列に接続したブリッジ回路を有し、このブリッジ回路の差動電圧により流体の流量を検出することを特徴とする熱式流量計。
【請求項５】
請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の熱式流量計において、上記基板上に上記薄膜部から離隔した位置に被計測流体の温度を検出する第５の感温抵抗体を配置し、上記加熱制御手段は、上記第１加熱温度センサと第２の加熱温度センサと抵抗体とが直列に接続された直列回路に、上記第５の感温抵抗体と抵抗体とからなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路を有し、このブリッジ回路の差動電圧を検出し、上記発熱抵抗体に流れる電流を制御することを特徴とする熱式流量計。
【請求項６】
請求項５記載の熱式流量計において、上記発熱抵抗体と、上記第１及び第２の温度差センサと、上記第１及び２の加熱抵抗体と、上記第５の感温抵抗体は、同一の材料で形成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項７】
基板上に薄膜部を形成し、この薄膜部に発熱抵抗体を配置して被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、
第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、上記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体より上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体とを有し、上記第１の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体との直列回路と、上記第２の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体との直列回路を並列接続したブリッジ回路と、
上記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体の上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の加熱温度センサと、
上記第１、２、３、４の発熱抵抗体の平均温度が所定の温度となるように、上記第１及び第２の加熱温度差センサの検出温度に基づいて、上記第１、２、３、４の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、
上記ブリッジ回路の差動電圧に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段と、
を備えることを特徴とする熱式流量計。
【請求項８】
請求項７記載の熱式流量計において、上記基板上に上記薄膜部から離隔した位置に被計測流体の温度を検出する感温抵抗体を形成し、上記ブリッジ回路は、上記第１の加熱温度センサと第２の加熱温度センサと抵抗体との直列回路と、上記感温抵抗体と抵抗体との直列回路を並列に接続され、上記加熱制御手段は、上記ブリッジ回路の差動電圧に基づいて上記第１、２、３、４の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御することを特徴とする熱式流量計。
【請求項９】
請求項８記載の熱式流量計において、上記第１、２、３、４の発熱抵抗体と、上記第１及び第２の加熱温度センサと、上記感温抵抗体とを同一材料で形成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項１０】
請求項９記載の熱式流量計において、上記第１、２、３、４の発熱抵抗体と、上記第１及び第２の加熱温度センサと、上記感温抵抗体とは、抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃上である金属材料で形成されていることを特徴とする熱式流量計。
【請求項１１】
基板上に薄膜部を形成し、この薄膜部に発熱抵抗体を配置して被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、
第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、上記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体より上記計測流体の流れ方向下流側に配置される第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体とを有し、上記第１の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体との直列回路と、上記第２の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体との直列回路を並列接続したブリッジ回路と、
上記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体の上部に絶縁膜を介して配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体の上部に絶縁膜を介して配置される第２の加熱温度センサと、
上記第１、２、３、４の発熱抵抗体の平均温度が所定の温度となるように、上記第１及び第２の加熱温度差センサの検出温度に基づいて、上記第１、２、３、４の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、
上記ブリッジ回路の差動電圧に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段と、
を備えることを特徴とする熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に発熱抵抗体を形成し所定の流量を測定する熱式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関の吸入空気量を検出する流量センサとして、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量センサが主流になっている。
【０００３】
近年では、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上にマイクロマシン技術を用いて熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプの熱式流量計は、半導体基板に形成した数ミクロンの薄膜部に、発熱抵抗体を形成している。薄膜であることから熱容量が小さく、高速応答・低電力駆動が可能である。
【０００４】
また、微細加工により発熱抵抗体の上下流の温度差を検出し、順流・逆流を判別する構造を形成することが容易である。
【０００５】
上記タイプの熱式流量計の例としては、特許文献１、特許文献２に記載されたものがある。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３４２９２６号公報
【特許文献２】特開２００６−２００９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、例えば自動車用内燃機関の吸入空気流量の検出に熱式流量計を用いた場合、吸入空気中のオイルや粉塵などの汚損物が、センサ素子に衝突・付着し測定誤差が発生する。特に、汚損物は物体の表面温度が低温から高温になるような温度勾配がある場所に多く付着する。
【０００８】
従来技術のように、基板上に薄膜部を形成して、薄膜部上に発熱抵抗体を形成し、発熱抵抗体の上下流の温度差を感温抵抗体などにより検出する装置の場合、薄膜部周縁の近傍に汚損物が付着すると、発熱抵抗体の上下流の温度を検出する感温抵抗体の温度が低下するため、センサ素子の特性変動が発生する。
【０００９】
しかしながら、従来の技術においては、汚損物の付着によるセンサ素子の特性変動に対しては考慮されておらず、熱式流量計の測定精度向上化の一阻害要因となっていた。
【００１０】
本発明の目的は、汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。
【００１２】
被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の温度差センサ、及び、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の温度差センサと、上記第１の温度差センサの上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、上記第２の温度差センサの下流側に配置される第２の加熱温度センサと、上記第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの平均温度が所定の温度となるように、第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサが検出する温度変化に基づいて、発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、第１の温度差センサと第２の温度差センサとの検出温度差に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段とを備える。
【００１３】
また、被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の加熱温度センサと、第１の加熱温度センサの上流側に配置されるとともに第１の加熱温度センサの下流側であって発熱抵抗体の上流側に配置される第１の温度差センンサ、及び第２の加熱温度センサの下流側に配置されるとともに第２の加熱温度センサの上流側であって発熱抵抗体の下流側に配置される第２の温度差センサと、第１の加熱温度センサの検出温度及び第２の加熱温度センサの検出温度の平均温度が所定の温度となるように、第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの検出温度変化に基づいて、発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、第１の温度差センサの検出温度と第２の温度差センサの検出温度との差に従って被計測流体の流量を測定する検出手段とを備える。
【００１４】
また、被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の温度差センサ、及び、発熱抵抗体の計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の温度差センサと、第１の温度差センサの上部に絶縁膜を介して配置される第１の加熱温度センサ、及び、第２の温度差センサの上部に絶縁膜を介して配置される第２の加熱温度センサと、第１の加熱温度センサの検出温度及び第２の加熱温度センサの検出温度の平均温度が所定の温度となるように、第１の加熱温度センサ及び第２の加熱温度センサの検出温度変化に基づいて、発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、第１の温度差センサと第２の温度差センサとの検出温度差に従って被計測流体の流量を測定する検出手段とを備える。
【００１５】
また、被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体より計測流体の流れ方向下流側に配置される第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体とを有し、第１の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体との直列回路と、第２の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体との直列回路を並列接続したブリッジ回路と、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体の計測流体の流れ方向上流側に配置される第１の加熱温度センサ、及び、第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体の計測流体の流れ方向下流側に配置される第２の加熱温度センサと、第１、２、３、４の発熱抵抗体の平均温度が所定の温度となるように、第１及び第２の加熱温度差センサの検出温度に基づいて、第１、２、３、４の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、ブリッジ回路の差動電圧に従って被計測流体の流量を測定する検出手段とを備える。
【００１６】
また、被計測流体の流量を測定する熱式流量計において、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体より計測流体の流れ方向下流側に配置される第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体とを有し、第１の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体との直列回路と、第２の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体との直列回路を並列接続したブリッジ回路と、第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体の上部に絶縁膜を介して配置される第１の加熱温度センサ、及び、第３の発熱抵抗体及び第４の発熱抵抗体の上部に絶縁膜を介して配置される第２の加熱温度センサと、第１、２、３、４の発熱抵抗体の平均温度が所定の温度となるように、第１及び第２の加熱温度差センサの検出温度に基づいて、第１、２、３、４の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する加熱制御手段と、ブリッジ回路の差動電圧に従って上記被計測流体の流量を測定する検出手段とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で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】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
まず、本発明の第１の実施形態における熱式流量計の基本的な構成と動作原理について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態における熱式流量計のセンサ素子１を示す平面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ’線に沿った断面及びダイアフラム部２の温度分布を示す図である。
【００２１】
図１、図２において、センサ素子１の基板３は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板３上に絶縁膜４を形成し、基板３を裏面からエッチングすることで絶縁膜３の下部にダイアフラム部２を形成する。
【００２２】
ダイアフラム部２の表面には発熱抵抗体６を形成する。この発熱抵抗体６は、空気流（被計測流体流）７の温度に対して一定温度高くなるように加熱されている。また、発熱抵抗体６の両側（空気流７の流れ方向上下流側）には、感温抵抗体で形成される温度差センサ９、１０、１１、１２を配置する。温度センサ９、１０（第１の感温抵抗体）は発熱抵抗体６の上流側、温度差センサ１１、１２（第２の感温抵抗体）は発熱抵抗体６の下流側に配置する。
【００２３】
また、温度差センサ９、１０、１１、１２の両側（空気流７の上下流側）には感温抵抗体で形成される加熱温度センサ８ａ、８ｂを配置する。加熱温度センサ８ａ（第３の感温抵抗体）は温度差センサ９、１０の上流側、加熱温度センサ８ｂ（第４の感温抵抗体）は温度差センサ１１、１２の下流側に配置する。
【００２４】
また、ダイアフラム２の外周部で基板３上の絶縁膜４上には、空気流７の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体１３（第５の感温度抵抗体）を形成している。感温抵抗体１３と、加熱温度センサ８ａ、８ｂと、後述する抵抗１４、１５とを組み合わせブリッジ回路を構成することにより、加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度変化を検出し、その結果から発熱抵抗体６の加熱電流を制御している。
【００２５】
すなわち、加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度が空気流の温度よりも一定温度高くなるように加熱制御している。
【００２６】
図２の温度分布における実線は無風時のダイアフラム部２の温度分布を示す。図２に示すように、加熱温度センサ８ａ、８ｂは、空気の温度TよりもΔＴｈｔ高くなるように加熱されている。
【００２７】
また、図２の温度分布における破線は、空気流７が発生したときのダイアフラム部２の温度分布である。図２に示すように、空気流が発生することにより、発熱抵抗体６の上流側は温度が下がり、下流側は温度が上がる。
【００２８】
したがって、無風時と比較して、空気流発生時には、加熱温度センサ８ａの温度は下がり、加熱温度センサ８ｂの温度は上がるが、加熱温度センサ８ａと８ｂの平均温度は、ΔＴｈｔとなるように制御される。さらに、温度差センサ９、１０の温度は下がり、温度差センサ１１、１２の温度は上がる。この上流側と下流側の温度差ΔＴsubを検出することにより空気流量に応じた信号が得られる。
【００２９】
これらの発熱抵抗体６、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、温度差センサ９、１０、１１、１２、感温抵抗体１３は、温度によって抵抗値が変化する比較的抵抗温度係数が大きい材料で形成することが好ましい。したがって、不純物をドープした多結晶シリコンや単結晶シリコン、白金薄膜、モリブデン、タングステン、ニッケル合金薄膜などの金属材料などで形成すると良い。好ましくは、発熱抵抗体６、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、温度差センサ９、１０、１１、１２、感温抵抗体１３は抵抗温度係数が１０００ｐｐｍ／℃以上である金属材料で形成する。
【００３０】
また、これらの発熱抵抗体６、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、温度差センサ９、１０、１１、１２、感温抵抗体１３は、絶縁膜５によって覆われ保護されている。
【００３１】
また、センサ素子１上の、発熱抵抗体６、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、温度差センサ９、１０、１１、１２、感温抵抗体１３は、電極パッド群１６に接続され、この電極パッド群１６はボンディングワイヤーにより駆動回路に配線される。
【００３２】
本発明の第１の実施形態におけるセンサ素子１の発熱抵抗体６、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、温度差センサ９、１０、１１、１２、感温抵抗体１３は、各々に電極パッドを設けているが、これらは同一の材料で形成していることから、パッド部に至る前に結線しておく構造でも良い。特に、加熱温度センサ８ａ、８ｂと感温抵抗体１３や、温度差センサ９、１０、１１、１２はブリッジ回路となるためセンサ素子内で結線することにより電極パッド数やワイヤーボンディング数が減りセンサ素子の小型化・抵抗コスト化に有利である。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施形態におけるセンサ素子１の駆動・検出回路について説明する。
【００３４】
図３は、本発明の第１の実施形態におけるセンサ素子１の駆動・検出回路を示す図である。  
図３において、加熱温度センサ８ａ、８ｂと抵抗１４からなる直列回路に感温抵抗体１３と抵抗１５からなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路を構成する。そして、加熱温度センサ８ｂと抵抗１４との接続点における電圧（中間電圧）と、感温抵抗体１３と抵抗１５との接続点における電圧（中間電圧）から得られる差動電圧を取り出し増幅器１８の入力端子に供給される。
【００３５】
差動増幅器１８の出力信号は、トランジスタ１７のベースに供給される。このトランジスタ１７は、そのエミッタが発熱抵抗体６に接続されており、増幅器１８の出力によって発熱抵抗体６へ電流を流し加熱する構成である。このような構成とすることで、加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度が空気の温度よりも一定温度高くなるように加熱制御される。
【００３６】
そして、温度差センサ９と温度差センサ１２とからなる直列回路に、温度差センサ１１と温度差センサ１０とからなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路の差動出力は、空気が流れることにより発生する温度差に応じた電圧であり、増幅器１９によって検出することにより、空気流量に応じた出力が得られる。
【００３７】
本発明の第１の実施形態における駆動・検出回路は増幅器１９やトランジスタ１７を用いたアナログ回路であるが、ＡＤ変換器やＤＡ変換器を用いたデジタル回路で構成しても良い。
【００３８】
ところで、熱式流量計を自動車などの内燃機関の吸入空気量検出に用いる場合、吸入空気中の粉塵やオイルなどの汚損物が熱式流量計のセンサ素子に衝突・付着し、センサ素子の特性が変化することがある。センサ素子への汚損物の付着は時間の経過と共に増加し、長期にわたり測定精度を一定値以上に維持することが困難になる。
【００３９】
特に、物体の表面温度が急激に低温から高温に変化するような温度勾配がある部分が存在すると、汚損物の付着が増加する。熱式流量計の場合、センサ素子のダイアフラム周縁部近傍への汚損物の付着が特に多くなる。このような部分に汚損物が付着するとダイアフラム上の温度分布が変化し、センサの特性変動に到ってしまう。
【００４０】
図４を参照して、センサ素子への汚損物付着による影響を説明する。この図４は本発明とは異なる例におけるセンサ素子のダイアフラム部の断面と、この断面における無風時の温度分布を示した図である。
【００４１】
図４において、センサ素子は、発熱抵抗体６の両側に加熱温度センサ８ａ、８ｂを配置し、さらに、加熱温度センサ８ａの上流側に温度差センサ１０、加熱温度センサ８ｂの下流側に温度差センサ１２を配置されている。このように配置されたセンサ素子を駆動し、発熱抵抗体６に加熱電流を流すと、図４中の温度分布における実線２１のような分布となる。
【００４２】
ここで、汚損物２２がダイアフラムの周縁部に付着すると、ダイアフラム部の温度分布は図４中の温度分布における破線２３のように温度が低下する。特に、温度差センサ１０、１２は加熱温度センサ８ａ、８ｂの外側でダイアフラムの周縁部に近い位置に形成されていることから、温度低下が大きい。
【００４３】
温度差センサ１０、１２の温度が低下すると、空気流による生じる上流側の温度差センサ１０と下流側の温度差センサ１２の温度差が小さくなることから感度が低下し検出誤差の要因となる。
【００４４】
次に、上述した本発明とは異なるセンサ素子構造が有する検出誤差要因を解消した本発明のセンサ素子構造について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第１実施形態におけるセンサ素子１のダイアフラム部の断面と、この断面の無風時の温度分布を示した図である。
【００４５】
図５において、センサ素子１の加熱温度センサ８ａ、８ｂは、温度差センサ１０、１２の外側に配置している。図５中の温度分布における実線２４は、汚損物の付着がない状態での温度分布である。そして、図５中の破線２５は、汚損物が付着したときの温度分布を示す。
【００４６】
本発明の第１の実施形態における熱式流量計は、加熱温度センサ８ａ、８ｂを一定温度に保つ構成であることから、汚損物が付着した場合においても加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度は一定に保たれる。したがって、汚損物が付着すると、破線２５のように、加熱温度センサ８ａ、８ｂの外側（上流側、下流側）の温度は低下するが、内側（８ａの下流側、８ｂの上流側）の温度変化は小さい。
【００４７】
このため、センサ素子１に汚損物が付着しても、流量を検出する温度差センサ１０、１２は加熱温度センサ８ａ、８ｂの内側に位置することから温度変化は小さく、特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することができる。
【００４８】
つまり、本発明の第１の実施形態によれば、汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で実現することができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５０】
図６は、本発明の第２の実施形態におけるセンサ素子２６を示す平面図である。また、図７は図６におけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【００５１】
本発明の第２の実施形態における熱式流量計は、第1の実施形態における加熱温度センサ８ａ、８ｂと温度差センサ９、１０、１１、１２の配置を変更したものである。センサ素子２６の駆動・検出方法については第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００５２】
図６、図７において、発熱抵抗体６の上流側の温度差センサ９、１０の配置は、温度差センサ９は温度差センサ１０の空気流上流側に配置され、上流側の加熱温度センサ８ａを取り巻くようにパターニングする。すなわち、上流側の加熱温度センサ８ａは、上流側の温度差センサ９と１０との間に挟まれる配置としている。
【００５３】
また、発熱抵抗体６の下流側に関しても、上流側と同様に、下流側の加熱温度センサ８ｂは、下流側の温度差センサ１１と１２との間に挟まれる位置となるように形成している。温度差センサ１１は、温度差センサ１２の上流側に配置されている。
【００５４】
上記のような構成の第２の実施形態は、第１の実施形態に比較して、加熱温度センサ８ａ、８ｂの平均温度と、温度差センサ９、１０、１１、１２の平均温度とがより一致することから、汚損物の付着による温度低下をさらに低減することができる。
【００５５】
つまり、本発明の第２の実施形態によれば、汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で実現でき、汚損物の付着による温度低下を、第１の実施形態と比較してさらに低減することができる。
【００５６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５７】
図８は、本発明の第３の実施形態におけるセンサ素子２６のダイアフラム部の断面図である。本発明の第３の実施形態における熱式流量計は、第１の実施形態において、センサ素子２６の加熱温度センサ８ａ、８ｂと温度差センサ９、１０、１１、１２の配置を変更したものである。駆動・検出方法については第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００５８】
図８において、センサ素子２６の加熱温度センサ８ａ、８ｂはセンサ素子２６の上面から見ると、絶縁膜５を介して、温度差センサ９、１０、１１、１２の上に重なるように配置している。つまり、上流側の加熱温度センサ８ａは、センサ素子２６の上面から見て、上流側の温度差センサ９、１０と重なり、下流側の加熱温度センサは、下流側の温度差センサ１１、１２と重なる。
【００５９】
上記のような構成の第３の実施形態は、第１、第２の実施形態に比較して、加熱温度センサ８ａ、８ｂの平均温度と、温度差センサ９、１０、１１、１２の平均温度とがより一致することから、汚損物の付着による温度低下をさらに低減することができる。
【００６０】
つまり、本発明の第３の実施形態によれば、汚損物の付着による特性変動が抑制され、長期にわたり測定精度を高く維持することが可能な熱式流量計を簡単な構成で実現でき、汚損物の付着による温度低下を、第１、第２の実施形態と比較してさらに低減することができる。
【００６１】
なお、本発明の第３の実施形態では、温度差センサ９、１０、１１、１２の上に加熱温度センサ８ａ、８ｂを形成しているが、これらの配置が逆であっても同様な効果が得られる。
【００６２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００６３】
図９は、本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子２８を示す平面図である。また、図１０は、図９におけるC−C’線に沿った断面図である。
【００６４】
図９、図１０において、センサ素子２８の基板３は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板３上に絶縁膜４を形成し、基板３を裏面からエッチングすることで絶縁膜３の下部にダイアフラム部２を形成する。
【００６５】
ダイアフラム部２の表面には発熱抵抗体２９、３０、３１、３２（第１〜第４の発熱抵抗体）を形成する。発熱抵抗体２９、３０（第１、第２の発熱抵抗体）は、空気の流れ方向に対してダイアフラム部２の中心よりも上流側に配置し、発熱抵抗体３１、３２（第３、第４の発熱抵抗体）は、空気の流れ方向に対しダイアフラム部２の中心よりも下流側に配置し、これらの発熱抵抗体２９、３０、３１、３２でブリッジ回路を形成する。
【００６６】
発熱抵抗体２９、３０の上流側には加熱温度センサ８ａを配置し、発熱抵抗体３１、３２の下流側には加熱温度センサ８ｂを配置する。また、ダイアフラム２の外周部で基板３上の絶縁膜４上には、空気の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体３３を形成している。
【００６７】
これらの感温抵抗体３３と、加熱温度センサ８ａ、８ｂとを組み合わせブリッジ回路を構成することにより、加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度変化を検出し、その結果から発熱抵抗体２９、３０、３１、３２の加熱電流を制御している。すなわち、加熱温度センサ８ａ、８ｂの温度が空気流の温度よりも一定温度高くなるように加熱制御される。
【００６８】
また、発熱抵抗体２９、３０、３１、３２は、個別の電極を形成しているが、これらは同一の材料で形成されることからセンサ素子２８上で結線してあっても良い。
【００６９】
また、本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子２８の加熱温度センサ８ａ、８ｂは、センサ素子２８上で直列に結線しているが、第１の実施形態のように加熱温度センサ８ａ、８ｂの電極を個別に設け駆動回路基板などセンサ素子２８の外部で結線する構成としてもよい。
【００７０】
これらの発熱抵抗体２９、３０、３１、３２、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、感温抵抗体３３は、温度によって抵抗値が変化する比較的抵抗温度係数が大きい材料で形成することが好ましい。本発明の第４の実施形態では、発熱抵抗体２９、３０、３１、３２、加熱温度センサ８ａ、８ｂ、感温抵抗体３３として、不純物をドープした多結晶シリコンを一例として用いる。この一例の他、不純物をドープした単結晶シリコンや、白金薄膜、モリブデン、タングステン、ニッケル合金薄膜などの金属材料などで形成することもできる。
【００７１】
本発明の第４の実施形態では、発熱抵抗体２９、３０、３１、３２から各電極パッドまでの配線が多く、配線抵抗が増加する。配線抵抗が増加すると、配線による電力損失が増えることから、配線抵抗を小さくするため、白金・モリブデン・タングステンなどの抵抗率が小さい金属材料を用いて形成することが望ましい。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子２８の駆動・検出回路について説明する。
【００７３】
図１１は、本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子２８の駆動・検出回路を示す図である。
【００７４】
図１１において、加熱温度センサ８ａ、８ｂと抵抗１４からなる直列回路に感温抵抗体３３と抵抗１５からなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路３４を構成する。そして、加熱温度センサ８ｂと抵抗１４の中間電圧と、感温抵抗体３３と抵抗１５の中間電圧から得られる差動電圧を取り出し増幅器１８に入力する。
【００７５】
また、発熱抵抗体２９と発熱抵抗体３２からなる直列回路に発熱抵抗体３１と発熱抵抗体３０からなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路３５を構成する。トランジスタ１７のベースには、増幅器１８の出力信号が供給され、このトランジスタ１７のエミッタはブリッジ回路３５の発熱抵抗体２９、３１に接続されている。このような構成とすることで、加熱温度センサ８ａ、８ｂの平均温度が空気の温度よりも一定温度高くなるように加熱制御される。
【００７６】
センサ素子２８の発熱抵抗体２９、３０、３１、３２は、空気流が発生すると上流側の発熱抵抗体２９、３０は温度が低下し、下流側の発熱抵抗体３１、３２は温度が上がる。したがって、この温度差を検出することにより、空気流に応じた信号が得られる。
【００７７】
具体的には、ブリッジ回路３５の差動電圧、すなわち、発熱抵抗体２９と発熱抵抗体３２の中間電圧と、発熱抵抗体３１と発熱抵抗体３０の中間電圧とを増幅器１９によって検出することにより、空気流量に応じた出力が得られる。 
本発明の第４の実施形態においても、駆動・検出回路は、増幅器１９やトランジスタ１７を用いたアナログ回路であるが、ＡＤ変換器やＤＡ変換器を用いたデジタル回路で構成しても良い。
【００７８】
本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子２８についても、先に説明した第１〜第３の実施形態と同様に、加熱温度センサ８ａ、８ｂの平均温度が一定に保たれるため、ダイアフラム部２の周縁部への汚損物付着の影響が小さい。
【００７９】
さらに、本発明の第４の実施形態は、複数の発熱抵抗体２９〜３２の温度変化を検出する方式であることから、別途、検出用の温度差センサを設ける必要がなくダイアフラム部２の小型化が可能であると共に、ダイアフラム部２の熱容量が低減でき、高速応答が可能な熱式流量計を実現することができる。
【００８０】
また、温度差センサが不要であることから、温度差センサの自己発熱の影響がなく、高精度かつ低消費電力の熱式流量計を実現することができる。
【００８１】
さらに、本発明の第４の実施形態においては、４つの発熱抵抗体２９〜３２を用いて差動出力を検出することにより、トランジスタ１７の電圧に含まれる電気的ノイズがキャンセルされるという効果もある。
【００８２】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態と基本的な駆動・検出方法は同様であることから、相違点のみに関して説明する。
【００８３】
図１２は、本発明の第５の実施形態におけるセンサ素子３６のダイアフラム部の断面図である。図１２において、センサ素子３６の加熱温度センサ８ａ、８ｂは、センサ素子３６の上面から見ると、絶縁膜５を介して、発熱抵抗体２９、３０、３１、３２の上に重なるように配置している。つまり、上流側の加熱温度センサ８ａは、上流側の発熱抵抗体２９、３０と重なり、下流側の加熱温度センサ８ｂは、下流側の発熱抵抗体３１、３２と重なる。
【００８４】
上記のような構成の第５の実施形態は、第４の実施形態に比較して、加熱温度センサ８ａ、８ｂの平均温度と、発熱抵抗体２９〜３２の平均温度とがより一致することから、汚損物の付着による温度低下をさらに低減することができる。
【００８５】
なお、本発明の第５の実施形態では、発熱抵抗体２９〜３２の上に加熱温度センサ８ａ、８ｂを形成しているが、これらの配置が逆であっても同様な効果が得られる。
【００８６】
また、上述した本発明の熱式流量計を内燃機関の制御システムに適用すれば、空気流量測定精度が向上することにより、内燃機関の制御精度も向上することができる。
【００８７】
さらに、本発明の熱式流量計は、内燃機関の空気流量測定のみならず、他のガス流量センサ、例えば、水素ガスセンサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第1の実施形態における熱式流量計のセンサ素子を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線に沿った断面及び温度分布を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるセンサ素子の駆動回路図である。
【図４】本発明の比較例である熱式流量計における汚損物の付着の影響を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における汚損物の付着の影響を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における熱式流量計のセンサ素子を示す平面図である。
【図７】図６におけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における熱式流量計のセンサ素子の断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子を示す平面図である。
【図１０】図９におけるＣ−Ｃ’線に沿った断面及び温度分布を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における熱式流量計のセンサ素子の駆動回路構成図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態における熱式流量計センサ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１、２６、２７、３６・・・センサ素子、２・・・ダイアフラム部、３・・・基板、４、５・・・絶縁膜、６、２９、３０、３１、３２・・・発熱抵抗体、７・・・空気流、８ａ、８ｂ・・・加熱温度センサ、９、１０、１１、１２・・・温度差センサ、１３、３３・・・感温抵抗体、１６・・・電極パッド群、１７・・・トランジスタ、１８、１９・・・増幅器、２１、２４・・・汚損前の温度分布、２２・・・汚損物、２３、２５・・・汚損後の温度分布、３４、３５・・・ブリッジ回路
【図１】
2008286604.tif 000003
【図２】
2008286604.tif 000004
【図３】
2008286604.tif 000005
【図４】
2008286604.tif 000006
【図５】
2008286604.tif 000007
【図６】
2008286604.tif 000008
【図７】
2008286604.tif 000009
【図８】
2008286604.tif 000010
【図９】
2008286604.tif 000011
【図１０】
2008286604.tif 000012
【図１１】
2008286604.tif 000013
【図１２】
2008286604.tif 000014