(57)【要約】【課題】外乱磁界の影響を受けず、かつ高い抵抗温度係数の感熱抵抗体を備えた、検出精度の高い熱式流量センサ等の熱式センサを提供する。【解決手段】熱式流量センサには、シリコン基材を用いた感熱式の流体検出素子１１と、流体検出素子１１を実装するための流量検出素子ホルダ１２とが設けられている。流量検出素子ホルダ１２には、磁界発生源であり、流量検出素子１１内の感熱抵抗体に磁界を印加する磁石１３が取り付けられている。磁石１３は、ニッケル、ニッケル合金等からなる薄膜状の感熱抵抗体に、これを構成する磁性金属の抵抗率が最も小さくなる方向で磁界を印加し、磁性金属の磁化を飽和させる。このため、外乱磁界が発生しても、外乱磁界より大きな磁界が感熱抵抗体に印加され、抵抗値が変動せず、熱式流量センサによる流量検出を高感度ないし高精度で行うことができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料からなる感熱抵抗体を有する検出素子と、
前記感熱抵抗体に磁界を印加する磁界発生源とを備えていることを特徴とする熱式センサ。
【請求項２】
前記磁界発生源が、前記感熱抵抗体に、該感熱抵抗体を構成している磁性材料の抵抗率が最も小さくなる方向で磁界を印加するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の熱式センサ。
【請求項３】
前記感熱抵抗体がニッケルからなる薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱式センサ。
【請求項４】
前記感熱抵抗体がニッケル合金からなる薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱式センサ。
【請求項５】
計測流体の流れの上流側の位置と下流側の位置とにそれぞれ前記感熱抵抗体が配置され、両感熱抵抗体の放熱特性の差を利用して差動方式で計測流体の流速または流量を検出するようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式センサに関するものであって、例えば、内燃機関の吸入空気量の計測等に用いられる、発熱体または発熱体によって加熱された部材から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流速または流量を計測する熱式流量センサ等として用いることができる熱式センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱式センサ、例えば、流体の流速または流量と、該流体中に配置された発熱体から流体への熱伝達量との間に成立するほぼ一義的な関数関係を利用して、該熱伝達量に基づいて流体の流速または流量を検出するようにした感熱式の流量検出素子を用いた熱式流量センサは、従来、内燃機関の吸入空気量の検出などに広く用いられている。この種の熱式流量センサでは、例えば、計測流体が流れる通路内の上流側の部位と下流側の部位とにそれぞれ感熱抵抗体が配置され、両感熱抵抗体の放熱特性の差を利用して差動方式により流量が検出されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２９５１２６号公報（段落［００１５］、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば特許文献１に開示されている、従来のこの種の熱式流量センサでは、感熱抵抗体の抵抗温度係数（ＴＣＲ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が大きいほど、測定感度が高くなり、計測流体の流速または流量をより正確に検出することができる。
【０００５】
そこで、感熱抵抗体を、抵抗温度係数が大きい磁性材料、例えば磁性金属で形成し、流体の流速または流量の検出精度を高めるといったことが考えられる。しかしながら、磁性金属は、外乱磁界によりその抵抗値が変動するといった特性をもつ。このため、この種の流量センサを、例えば自動車用エンジンの吸入空気量の計測等に用いると、エンジンルーム内の磁界の変動により、感熱抵抗体の抵抗値が変動し、吸入空気量の検出精度が低下するといった問題が生じる。
【０００６】
すなわち、自動車においては、吸入空気量を検出する流量センサはエンジンルーム内に装着されるが、エンジンルーム内には発電機が配置され、この発電機は、バッテリを充電したり電装品を駆動するために、１００Ａ前後の電流を生成する発電を行う。また、エンジンのクランキング時（スタート時）には、スタータでエンジンを回転駆動するので、エンジンルーム内の配線には大電流が流れる。
さらに、エンジン始動後は、混合気を点火するためにスパークプラグを放電させるので、ハイテンションコードに電流が流れる。
【０００７】
このように、自動車のエンジンルームでは、色々な所で電流が流れるので、様々な磁界が発生する。このため、熱式流量センサの感熱抵抗体の材料に磁性金属を用いると、エンジンルーム内の外乱磁界の変動により、磁性金属の抵抗値が変動し（磁気抵抗効果）、吸入空気量の検出精度が低下する。
【０００８】
そこで、例えば特許文献１に開示されている従来のこの種の熱式流量センサでは、通常、感熱抵抗体として、外乱磁界の影響を受けない非磁性金属からなる薄膜、例えば白金薄膜等が用いられている。しかしながら、白金薄膜は、バルクにおいても抵抗温度係数が３９００ｐｐｍ／℃程度であり、４０００ｐｐｍ／℃以上の良好な抵抗温度係数を得ることはできない。抵抗温度係数が４０００ｐｐｍ／℃に満たない材料では、Ｓ／Ｎ比が悪いので、とくに低流量での計測において、正確な流量検出が困難であるといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、外乱磁界の変動の影響を受けず、かつ良好な抵抗温度係数を有する感熱抵抗体を備えた検出精度の高い熱式流量センサ等の熱式センサを提供することを目的ないしは解決すべき課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる熱式センサ（例えば、熱式流量センサ）は、磁性材料からなる感熱抵抗体（感熱抵抗膜）を有する検出素子と、この感熱抵抗体に磁界を印加する磁界発生源とを備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態にかかる、流体（例えば、空気等の気体）の流速ないし流量を検出する熱式流量センサ（熱式センサの１つ）を説明する。まず、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態にかかる熱式流量センサの基本的な構成および機能を説明する。
【００１２】
図１は、熱式流量センサに用いられる感熱式の流量検出素子の側面断面図である。図１に示すように、この流量検出素子１１においては、シリコンからなる平板状基材１の表側の表面に、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２からなる絶縁性の下地膜３が設けられている。他方、平板状基材１の裏側の表面（裏面）には裏面保護膜５が取り付けられている。
【００１３】
また、平板状基材１には、該平板状基材１の裏側に開口する開口部２（空洞部）が形成されている。この開口部２は、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２に損傷を与えないエッチング液を用いて、平板状基材１の一部を除去（エッチング）して形成されたものである。なお、図１において、矢印Ｆは、流速ないし流量を検出すべき流体（計測流体）の流れる方向を示している。
【００１４】
そして、下地膜３の上には、ニッケル、ニッケル合金等の磁性金属からなる４つの薄膜状の感熱抵抗体６〜９が配置されている。ここで、発熱抵抗として機能する２つの感熱抵抗体６、７は開口部２の上方に配置されている。他方、温度補償抵抗として機能する２つの感熱抵抗体８、９は、計測流体の流れ方向にみて、感熱抵抗体６、７より上流の、開口部２からはずれた位置に配置されている。感熱抵抗体６〜９および下地膜３は、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２からなる絶縁性の保護膜４で覆われている。
【００１５】
この流量検出素子１１では、発熱抵抗である感熱抵抗体６、７は、温度補償抵抗である両感熱抵抗体８、９で計測された計測流体温度よりも一定の温度、例えば１００℃高い温度になるように、制御回路（図示せず）によって制御されている。ここで、流速ないし流量を測定すべき計測流体が矢印Ｆで示す方向に流れている場合、上流側に位置する第１の発熱抵抗である感熱抵抗体６から計測流体に伝達される熱は、計測流体の流速が大きいほど増加する。
【００１６】
他方、下流側に位置する第２の発熱抵抗である感熱抵抗体７上を通過する計測流体は、上流側で感熱抵抗体６によって昇温されているので、感熱抵抗体７から計測流体への熱の伝達量は、感熱抵抗体６から計測流体への熱の伝達量よりも少ない。したがって、第１の温度補償抵抗である感熱抵抗体８との温度差が一定となるように感熱抵抗体６に供給される加熱電流は、第２の温度補償抵抗である感熱抵抗体９との温度差が一定となるように感熱抵抗７に与えられる加熱電流よりも大きくなり、その差は計測流体の流速が大きいほど大きくなる。
【００１７】
ここで、各感熱抵抗体６、７に印加される電圧の差は、計測流体の流速の関数となるので、この電圧の差から計測流体の流速を測定ないし検出することができる。さらに、この流速と通路断面積とに基づいて、通路内を通過する計測流体の流量を得ることができる。つまり、この流量検出素子１１は、上流側および下流側の感熱抵抗体６、７の放熱特性の差を利用して差動方式で計測流体の流速または流量を検出する。
【００１８】
次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施の形態にかかる熱式流量センサのより具体的な構成および機能を説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施の形態にかかる熱式流量センサの正面図および一部断面側面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、この熱式流量センサには、シリコン基材を用いて作製された感熱式の流体検出素子１１と、該流体検出素子１１を実装するための流量検出素子ホルダ１２とが設けられている。
【００１９】
そして、流量検出素子ホルダ１２には、磁界発生源であり、流量検出素子１１内の感熱抵抗体（図１参照）に磁界を印加する磁石１３（永久磁石）が取り付けられている。ここで、磁石１３は、ニッケル、ニッケル合金等からなる薄膜状の感熱抵抗体に、これを構成する磁性金属の抵抗率が最も小さくなる方向で磁界を印加し、磁性金属の磁化を飽和させるようになっている。これにより、感熱抵抗体の抵抗温度係数は最大となる。なお、流量検出素子１１は、複数のワイヤ１１およびリード１５を介して、該熱式流量センサを制御する制御回路（図示せず）に接続されている。
【００２０】
この熱式流量センサでは、流量検出素子ホルダ１２に磁石１３が取り付けられているので、この磁石１３により、外乱磁界以上の磁界を流量検出素子１１に常時印加することができる。このため、外乱磁界の影響を受けることなく、流量検出素子１１の感熱抵抗体の抵抗値を正確に測定することができる。
【００２１】
なお、図１に示すように、計測流体の上流側と下流側とに発熱抵抗である２つの感熱抵抗体６、７を配置し、上流側の感熱抵抗体６よりも下流側の感熱抵抗体７の温度が流速の上昇に伴って相対的に大きくなることを利用して計測流体の流速ないし流速を測定するようにした差動方式の熱式流量センサでは、磁界を２つの感熱抵抗体６、７に均等に印加するのが好ましい。
【００２２】
この場合、両感熱抵抗体６、７の抵抗値が等しく変化するので、各感熱抵抗体６、７の抵抗値の変化を互いに打ち消すことができる。したがって、磁性金属からなる感熱抵抗体を有する流量検出素子と、磁石とを備えた本発明にかかる熱式流量センサは、差動方式である場合にとくに効果を発揮する。
【００２３】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示す熱式流量センサでは、その厚み方向（図２（ｂ）では左右方向）にみて、磁石１３は、流量検出素子１１が配置ないし挿入された側とは反対側（図２（ｂ）では右側）で、流量検出素子ホルダ１２に取り付けられている。しかし、磁石１３を配置する位置は、これに限定されるものではない。流量検出素子１１ないしその内部の感熱抵抗体に外乱磁界以上の磁界を印加することができれば、どのような位置に磁石１３を取り付けてよい。この場合も同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２４】
さらに、この熱式流量センサと組み合わされる流路のパーツや、この熱式流量センサが取り付けられる流管部に磁石１３を取り付けても同様の効果が得られることもいうまでもない。あるいは、流量検出素子１１の近傍に、蒸着等により作製した薄膜磁石を配置しても、同様の効果が得られる。また、磁石１３に代えて、コイルによる磁界発生源（例えば、電磁石）を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２５】
図３は、磁性金属の１つであるニッケル（Ｎｉ）の薄膜についての、温度と抵抗温度係数（ＴＣＲ）との関係を示すグラフである。ここで、温度が０℃のときのニッケルの薄膜の抵抗値をＲ０とし、温度がｔ℃のときのニッケルの薄膜の抵抗値をＲｔとすれば、抵抗温度係数ＴＣＲは、次の式１で表される。
【数１】
ＴＣＲ＝（Ｒｔ−Ｒ０）／Ｒ０・（ｔ−０）…………………………式１
【００２６】
図３において、縦軸は、式１によって表される抵抗温度係数を示している。図３から明らかなとおり、感熱抵抗体としてニッケルの薄膜を用いれば、該熱式流量センサの通常の使用温度範囲（おおむね、−２５℃以上１７０℃以下）では、その抵抗温度係数は４０００ｐｐｍ／℃以上となるので、Ｓ／Ｎ比の良い高感度な熱式流量センサを得ることができる。
【００２７】
図４は、磁性金属であるニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ合金）の薄膜についての、温度と抵抗温度係数（ＴＣＲ）との関係を示すグラフである。なお、この場合、温度が０℃のときのニッケル鉄合金の薄膜の抵抗値をＲ０とし、温度がｔ℃のときのニッケル鉄合金の薄膜の抵抗値をＲｔとすれば、抵抗温度係数ＴＣＲは、前記の式１で表される。
【００２８】
図４から明らかなとおり、感熱抵抗体としてニッケル鉄合金の薄膜を用いれば、該熱式流量センサの通常の使用温度範囲では、その抵抗温度係数は４０００ｐｐｍ／℃以上となるので、Ｓ／Ｎ比の良い高感度な熱式流量センサを得ることができる。なお、感熱抵抗体の材料として、ニッケル鉄合金に代えて、ニッケルベースの合金、例えばニッケルクロム合金（ＮｉＣｏ合金）等を用いても、同様の効果が得られる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態にかかる熱式流量センサによれば、ニッケル、ニッケル合金等の磁性金属の薄膜からなる感熱抵抗体に、予め外乱磁界以上の磁界が印加される。このため、外乱磁界が発生しても、より大きな磁界で感熱抵抗体の抵抗値が飽和されているので、外乱磁界の影響による抵抗値の変動は生じない。
また、感熱抵抗体に、該感熱抵抗体を構成する磁性金属の抵抗率が最も小さくなる方向で磁界が印加されるので、最も大きな抵抗温度係数を得ることができ、該熱式流量センサのＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、熱式センサが、磁性材料からなる感熱抵抗体を有する検出素子と、感熱抵抗体に磁界を印加する磁界発生源とを備えているので、抵抗温度係数の大きい材料を、外乱磁界の影響を受けることなく用いることができ、流速ないし流量等を、高感度ないし高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】感熱抵抗体が磁性金属の薄膜からなる、差動方式の熱式流量センサの流量検出素子の断面図である。
【図２】（ａ）は流量検出素子の感熱抵抗体が磁性金属の薄膜からなり、かつ感熱抵抗体に磁界を印加する磁石が設けられた、本発明の実施の形態にかかる熱式流量センサの正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱式流量センサのＡ−Ａ線断面図（一部断面側面図）である。
【図３】ニッケルの薄膜についての、温度と抵抗温度係数（ＴＣＲ）との関係を示すグラフである。
【図４】ニッケル鉄合金の薄膜についての、温度と抵抗温度係数（ＴＣＲ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  平板状基材、  ２  開口部（空洞部）、  ３  絶縁性の下地膜、  ４  保護膜、  ５  裏面保護膜、  ６  薄膜状の感熱抵抗体（第１の発熱抵抗）、  ７薄膜状の感熱抵抗体（第２の発熱抵抗）、  ８  薄膜状の感熱抵抗体（第１の温度補償抵抗）、  ９  薄膜状の感熱抵抗体（第２の温度補償抵抗）、  １１  流量検出素子、  １２  流量検出素子ホルダ、  １３  磁石、  Ｆ  計測流体の流れの方向を示す矢印。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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