JPH1151729A

JPH1151729A - 流体検出センサ

Info

Publication number: JPH1151729A
Application number: JP9212003A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Okazaki; 俊実岡崎
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度でかつ応答性の高いエアフローセンサを
構成することができる流体検出センサを提供する。【解決手段】このヒーター１０と該ヒーター１０に対し
て等間隔で配置された上流側及び下流側の測温抵抗体
８、９とを熱伝導が可能なように連結する連結部材１６
が設けられる。この連結部材１６は、通常は測温抵抗体
８、９あるいはヒーター１０と同一の材質で形成され
る。また、測温抵抗体８、９あるいはヒータ１０と同様
に細線状の部材から構成される。この場合、連結部材１
６は、図４あるいは図５に示すように測温抵抗体８、９
に対して直角方向に流通する空気が連結部材１６表面で
形成する境界層が薄くなるように接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両のエアフローセン
サ等に好適な流体検出センサに関する。

【０００２】

【本発明の背景】従来、車両のエアフローセンサとし
て、ホットワイヤ式、ホットフィルム式と行った形式の
ものが知られている。これらの形式のエアフローセンサ
は、流通流体内に配置された加熱測温体の温度変化から
流体の流量を算出するようになっているものである。こ
れらのエアフローセンサの原理は以下の通りである。す
なわち、流通流体内に温度と電気抵抗とが所定の対応関
係を有する測温体を加熱状態で配置して、その温度変化
を測定する。測温体の温度変化はこの測温体と接触する
ことによって熱を奪いながら流通する流体の量に依存す
るので、上記温度変化を計測することによって測温体を
横切って流通する流体の流通量すなわち流量を知ること
ができる。ここで、上記測温体の温度変化はその電気抵
抗値に対応するので測温体の電気抵抗値の変化を測定す
ることによって測温体の温度変化を知ることができ、こ
れに基づいて、流体の流量を知ることができる、という
ものである。

【０００３】この種の加熱式の測定素子を用いた公知技
術として、例えば、特開昭６１−１３８１２６号及び特
開平４−７２５２３号に開示されるものが知られてい
る。特開平６１−１３８１２６号に開示されるもので
は、加熱部材としてホットフィルム素子部材１７を用い
ていずれの方向の空気の流れも計測できるようにしたも
のが開示されている。特開平４−７２５２３号には、２
つの測温抵抗体に対してそれぞれのヒータエレメントを
用いた形式のフローセンサが開示されている。

【０００４】

【解決しようとする課題】上記公報に開示されるような
従来の形式の流体検出センサは、この種の用途に対して
は、比較的大型となながちでありしたがって、測定精度
あるいは応答性の面で十分に満足のゆくものではなかっ
た。特に、最近では、車両のＥＧＲ制御においてＥＧＲ
量を極限まで導入してエンジン運転を行うような要請が
高まっており、このような過酷な条件下でエンジン制御
を行うためにはエアフローセンサの高度な応答性と、精
度が求められることとなる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような事情
に鑑みて構成されたもので、高精度でかつ応答性の高い
エアフローセンサを構成することができる流体検出セン
サを提供することを目的としている。この目的を達成す
るために、本発明者らは流体検出センサの小型化を推進
することが肝要であることを発見し、流体検出センサの
小型化を達成できる条件を見いだしたものである。上記
目的を達成するために、本発明の流体検出センサは、流
体流れを横切るように配置された線状の温度測定手段
と、該温度測定手段から所定間隔を有するように上流側
の位置に配置された発熱手段と、前記温度測定手段と発
熱手段との間に伝熱を許容する両者を連結する連結手段
が設けられたことを特徴とする。

【０００６】このように小型化を達成するために発熱手
段の上流及び／または下流に配置される温度測定手段
は、好ましくは、細線によって構成されるとともに、発
熱手段との間隔を発熱手段からの流体の流通による熱移
動の影響のみを受けることを限度として極力狭くするこ
とが必要となる。この場合、発熱手段の温度は数百度℃
までも上昇するが、流通する流体は大気温程度であるた
め、温度測定手段との温度差が極めて大きい反面、流量
測定の対象としての流体の雰囲気温度との温度差は小さ
くなる。本発明者らは、温度測定手段と流体温度との差
が大きくなるほど、流体の流動状態の変化の影響を受け
やすいことに着目し、発熱手段と温度測定手段との間で
積極的に伝熱させることによって、温度測定手段と流体
との間の大きな温度差を確保し、温度測定手段の感度を
改善することに成功したものである。

【０００７】好ましい態様では、前記温度測定手段は、
温度変化に対応して電気抵抗が変化することを利用して
温度を測定する温度測定素子と該温度測定素子を支持す
る支持体とを有しており、前記連結手段は前記支持体に
一体形成されることによって前記発熱手段からの熱を温
度測定素子に伝達するようになっている。好ましくは、
前記支持体の流体流通方向の巾が約１０乃至５０μｍの
間で構成される。温度測定手段の代表的な形態は、細線
構造である。とくに、シリコン基板と同じ材料を用いた
単結晶細線が好適である。好ましい態様では、上記連結
部の表面における流体境界層を極力制限するように構成
されたことを特徴とする。

【０００８】流体の境界層が厚くなると、境界層内では
流体のながれが遅くなるので流れの状態変化に対するセ
ンサの応答性を低下させるので温度測定手段周辺におけ
るきょ境界層の生成は極力抑制することが望ましい。こ
の目的のために、たとえば、連結部を流体の流れ方向の
長さが極力短くなるように、流れ方向に対して斜めに横
切るよう温度測定手段を連結する。このように、流体流
れを横切るように連結部を配置すると、連結部表面に形
成される流体の境界層の形成が阻害される。この結果連
結部部周辺の状態は、その瞬時の流体の状態を表すこと
となり、良好なセンサ応答性を確保することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
本例は、本発明を車両のエアフローセンサに応用したも
のである。図１を参照すると、吸気通路中１に配置され
たエアフローセンサ２が示されておりエアフローセンサ
２は、矢印３のように吸気通路１内を流通する吸入空気
流れに直交するように該吸気通路１を横断して設けられ
る流体検出素子すなわち測温抵抗体を有する流体検出セ
ンサ４と該流体センサからの信号を処理する信号処理回
路部５とから構成されている。吸気通路１内に配置され
る流体検出素子を有する流体検出センサ４は図２及び図
３に示すように、空気流通方向に沿って延びる溝６を備
えた基板７を備えており、溝６には、空気流れに直交し
て延びるようにように流体検出素子８、９が配置されて
いる。

【００１０】本例の流体検出素子８、９は、温度に対応
して電気抵抗値が変化する細線状の測温抵抗体から構成
されている。本例の測温抵抗体は、空気流れに対して上
記のように直交する配置で上流側と下流側に平行して２
本設けられている。そして、上流側及び下流側測温抵抗
体の間には該測温抵抗体に対して空気流れ介しての熱供
給源としての細線状のヒーター１０が設けられる。この
場合、ヒーターは、上流側及び下流側測温抵抗体８、９
のいずれからも等距離を両者と平行に延びている。測温
抵抗体８、９の両端は、溝６の両側の基板の段部１１に
設けられたシリコンチップから構成される端子１２、１
３に接続されている。ヒーター１０は電源端子１４及び
温度検出用端子１５に接続されている。

【００１１】この端子１２、１３、１４、１５を介して
処理回路に対して測温抵抗体の出力が伝送され、ヒータ
ー１０の温度検出がされるとともに、ヒーター１０に対
しての電力が回路５を介して供給されるようになってい
る。上記のヒーター１０の温度は空気温度に対して所定
温度だけ高くなるように電力が制御されるようになって
いる。必ずしもヒーター１０と空気温度との温度差を一
定にする必要はないが、温度差を一定にするとヒーター
１０から空気によって奪われる熱量は空気流量の関数と
なるのでその後の処理が容易になるという利点がある。
そして、本例では、このヒーター１０と該ヒーター１０
に対して等間隔で配置された上流側及び下流側の測温抵
抗体８、９とを熱伝導が可能なように連結する連結部材
１６が設けられる。

【００１２】この連結部材１６は、通常は測温抵抗体
８、９あるいはヒーター１０と同一の材質で形成され
る。また、測温抵抗体８、９あるいはヒータ１０と同様
に細線状の部材から構成される。この場合、連結部材１
６は、図４あるいは図５に示すように測温抵抗体８、９
に対して直角方向に流通する空気が連結部材１６表面で
形成する境界層が薄くなるように接続するのが好まし
い。この目的のために、連結部材は空気流に沿った方向
に延びる部分が少なくなるようにヒーターと測温抵抗体
とを連結するようになっている。以上の構造において、
この流体検出センサ４の動作について説明する。上記し
たように、本例では、ヒーター１０は、測定される空気
の温度に対して所定温度だけ高くなるように設定されて
いる。

【００１３】そして、該ヒーター１０から連結部材１６
の熱伝導によって熱供給を受ける測温抵抗体８、９は、
ヒーター１０の温度近傍まで上昇する。そして、吸気通
路１内の空気が静止しているとき、すなわち、流量がゼ
ロである場合には、両方の測温抵抗体８、９の温度は等
しい。しかし、空気が流動すると空気流れの測温抵抗体
８、９の温度は空気によって熱が奪われるので、温度は
低下する。この場合、空気流れの上流側の測温抵抗体８
は常に新しい空気と接触するので、温度の低下傾向が顕
著である。一方、空気流れの下流側の測温抵抗体９は、
上流側測温抵抗体８及びヒーター１０と接触することに
よってこれらから熱を奪って温度が新気に比べて僅かに
上昇している。このため、下流側の測温抵抗体の温度低
下傾向は、上流側測温抵抗体に比べて小さくなる。

【００１４】本例の流体検出センサ４においては、この
測温抵抗体の温度変化は電気抵抗の変化として検出され
ており、抵抗値の変化は、ホイートストンブリッジ等の
検出手段によって検出することができる。そして、測温
抵抗体の抵抗値が判明することによって、予め求められ
ている当該材料の抵抗値と温度との関係から測温抵抗体
の温度を知ることができる。そして、この温度変化と流
量との関係も既知であるから測温抵抗体の温度を知るこ
とによって測温抵抗体を横切る空気の流量を求めること
ができる。本例の構造のものが、従来のものに比して、
検出精度を向上させることができる理由について説明す
る。図６及び図７を参照すると、ヒーター１０とその両
側に該ヒーターに対して等距離で配置される測温抵抗体
の温度変化について説明する。

【００１５】図６は、ヒーター１０と測温抵抗体８、９
とを連結していない場合の温度状態の説明図である。図
６において、ヒーター１０の温度は約２００℃で設定さ
れ、このときの空気温度は２０℃とする。すなわち、温
度差１８０℃である。そして、両側の測温抵抗体８、９
は空気が静止している場合には、その温度は雰囲気空気
温度と同じであり（図の実線）、空気が流動しはじめる
と温度変化が生じる。この場合上流側の測温抵抗体の温
度は、空気温度と同じであり、下流側測温抵抗体がヒー
ター１０と熱交換して温度上昇した空気と接触すること
によって温度上昇を生じる（図の破線）。しかし、本発
明にかかる流体検出センサが小型であることを勘案する
と、接触する空気量に比してヒーター１０から供給され
る熱量が相対的に小さくなるため、空気の温度上昇は、
極めて僅かである。したがって、測温抵抗体８、９の温
度上昇も小幅となり、検出精度を向上させることは難し
い。

【００１６】一方、本発明のようにヒーター１０と測温
抵抗体とを熱伝導可能に接続した場合は図６に示すよう
に、測温抵抗体８、９の温度はヒーター１０に近い温度
まで上昇する（図の実線）したがって、周囲の空気温度
との温度差は極めて大きくなり、空気が流動した場合に
おける空気との熱交換が促進される。また、測温抵抗体
の熱容量に比して流体検出センサ４を横切って流通する
空気の熱容量が大きいため、測温抵抗体８、９の冷却効
果が顕著となる。すなわち、測温抵抗体の温度変化が大
きくなり流量変化に対する感度は向上することとなる。
この場合、上記した理由により、上流側と下流側とで温
度変化の度合が異なり、上流側が大きく、下流側は小さ
くなる。したがって、本例の流体検出センサによって空
気の流れ方向及びその流量を応答性よくかつ精度よく検
出することができる。

【００１７】つぎに、本例の流体検出センサの製造手順
の一例について説明する。本例の流体検出センサは、エ
ッチングを用いて製造することができる。図８ａに示す
ように、まず、シリコン基板状に酸化膜を形成する。そ
して、図８ｂに示すように、スパッタリング法のなどで
クロム膜を５００オングストロームほど成膜し、その上
に約２０００オングストローム程度の白金膜を付ける。
クロムは、白金と基板との密着性を向上させる層を形成
する。この状態で、所定の抵抗パターンにフォトリソグ
ラフィでパターニングする。つぎに、図８ｃで示すよう
にヒーター、測温抵抗体及び連結部材を構成する部分以
外の酸化膜を除去する（酸化膜パターニング）。つぎ
に、図８ｄのようにその基部を成すシリコン基板を深く
エッチングする（ＳＦ６＋Ｏ２ガスによるリアクティブ
エッチング）。そして、図８ｅのようにＫＯＨなどのエ
ッチング液に浸して、細線となる部分の下部を貫通させ
る（横方向結晶異方性エッチング）。

【００１８】このようにしてシリコン基板上に平行に並
んだヒーター及びその両側の測温抵抗体及びヒーター及
び測温抵抗体を連結する連結部材からなる流体検出セン
サを形成することができる。なお、上記の例では、ヒー
ターの両側に測温抵抗体を配置して流体検出センサを構
成した例について説明したが、かならずしも両側に配置
する必要はなく、一方の側に配置するだけの構成でもよ
い。

【００１９】

【発明の効果】上記したように本発明によれば、ヒータ
ーとこのヒーターに対して流体流れ方向の少なくとも一
方に配置される流体検出素子とを熱伝導可能な状態で連
結することによって、検出精度の良好なかつ応答性の良
い従来よりも小型の流体検出センサを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を好適に応用することができるエアフロ
ーセンサの概略図、

【図２】図１のエアフローセンサの流体検出センサＡ部
分の拡大図、

【図３】図２の流体検出センサの斜視図、

【図４】連結部材と流体検出センサの流体検出素子との
接続状態の１例を示す説明図、

【図５】連結部材と流体検出センサの流体検出素子との
接続状態の他の例を示す図４と同様の図、

【図６】従来の細線を用いた流体検出センサの温度状態
を示す説明図、

【図７】本発明にかかる流体検出センサの図６と同様の
図、

【図８】本発明の流体検出センサの製造手順の一例を示
す説明図である。

【符号の説明】

１吸気通路２エアフローセンサ４流体検出センサ８、９測温抵抗体１０ヒーター１６連結部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れを横切るように配置された線状
の温度測定手段と、該温度測定手段から所定間隔を有するように上流側の位
置に配置された発熱手段と、前記温度測定手段と発熱手段との間に伝熱を許容する両
者を連結する連結手段が設けられたことを特徴とする流
体検出センサ。
【請求項２】請求項１において、前記温度測定手段は、
温度変化に対応して電気抵抗が変化することを利用して
温度を測定する温度測定素子と該温度測定素子を支持す
る支持体とを有しており、前記連結手段は前記支持体に一体形成されることによっ
て前記発熱手段からの熱を温度測定素子に伝達するよう
になったことを特徴とする流体検出センサ。
【請求項３】請求項２において、前記支持体の流体流通
方向の巾が約１０乃至５０μｍの間であることを特徴と
する流体検出センサ。
【請求項４】請求項１ないし３において、上記連結部の
表面における流体境界層の生成を制限するように構成さ
れたことを特徴とする流体検出センサ。