JPH0151132B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気質量流量センサに関する。

たとえば、自動車エンジン制御において、エン
ジンの吸気孔に流入する空気質量流量（mass
airflow）を測定することは有益である。エンジ
ンへの燃料の流量を正確に制御するためには、空
気質量流量を正確に知つている必要がある。従来
は、気圧、マニホルド圧力、エンジン回転数
（RPM）、温度などを測定することによつて間接
的に空気質量流量を決定し、空気流量を計算して
いた。このようなシステムからは満足できる結果
を得ることができるが、入力データを集めるのに
高価なトランスジユーサを必要とする。

空気質量流量の測定を行なう従来の試みには
種々の欠陥が伴なつていた。たとえば、周知の渦
流型の流量計では、空気流内に障害物を設けて渦
を生じさせ、また、熱線センサのようなトランス
ジユーサで渦の発生頻度（空気速度の直接的な測
定値である）を測定している。しかしながら、空
気質量流量を得るためには、空気の圧力と温度を
測定して空気密度を決定する必要がある。さら
に、渦流型流量計は自動車エンジンに生じる広い
動的な範囲の空気流には向いていない。エンジン
で出合う高い流量で作動するように設計した流量
計は最低流量を測定するには効果的ではなく、ま
たこの逆も言えるからである。

別の形式の流量計としては、抵抗ブリツジを包
含する熱線流量計がある。この抵抗ブリツジは、
アームの１つに配置され、空気質量流量センサ要
素を形成する細いプラチナ線抵抗器を包含する。
ブリツジには周囲空気温度以上の所与の温度にセ
ンサ抵抗器を維持するに十分な電力が供給され、
抵抗器で消費されたブリツジ電圧または電力が空
気の質量流量の測定値となる。原則的には、この
熱線アナログ流量計は有効であり、良い結果を与
える。しかしながら、実際には、熱線表面に塵が
溜り汚染され、空気の冷却効果をかなり変え、そ
の結果、システムの目盛付けが誤つたものとな
る。熱線は頻繁に清掃しなければならない。ま
た、経験によれば、細いセンサ熱線はエンジンの
逆火に付随して破断されやすいのである。

同じアナログ熱線法を用いるまた別の提案で
は、熱線をコアに巻付けることによつて頑丈なセ
ンサを得ている。しかしながら、このセンサの熱
質量はコアの存在により高いものとなつており、
抵抗器要素の温度が空気流の質量流量の変化に応
答するのが遅く、したがつて、急速な温度変化、
空気流量変化がしばしば生じる自動車で用いるに
は不足である。

フイルム抵抗器要素に関連して用いた「熱質
量」なる用語は、ここでは、センサ抵抗器と密接
な熱伝達関係にあるフイルム支持構造体の熱容量
と組合つたセンサ抵抗器それ自体の熱容量を意味
し、これらは共に空気質量流量に変化があつたと
きにセンサ抵抗器温度の変化を遅らせる。

流量計のための公知の空気質量流量センサ（例
えば米国特許第4317365号）は、加熱電流によつ
て所定温度まで制御される温度依存型フイルム抵
抗器要素を包含する。上述のように、フイルム抵
抗器要素はキヤリヤ上に置かれ、このキヤリヤは
安定した流れの領域において空気流内に配置され
ており、フイルム抵抗器要素の表面に沿つて流れ
る安定した空気の層流を与える。

本発明は、正確で頑丈であり、広い動的範囲の
流量にわたつて有益であり、流量の変化に迅速に
応答し、塵の蓄積による影響を実質的に受けない
空気質量流量センサを提供することに関する。

この目的のために、本発明による空気質量流量
センサは、フイルム抵抗器要素が誘電フイルムと
この誘電フイルム上に支えられた金属フイルムセ
ンサ抵抗器とを包含し、誘電フイルムが金属フイ
ルムから隔たつた取付区域を有し、金属フイルム
が温度により抵抗率の実質的な変化を示し、支持
手段がフイルム抵抗器要素と取付区域のところで
係合し、センサ抵抗器がこの支持手段から隔たつ
ていて支持手段に対して断熱状態となつており、
それにより、抵抗器要素の熱質量が小さくなつて
おり、また、或る傾斜角でフイルム抵抗器要素に
向つて空気流を向ける手段が設けられて抵抗器要
素のところでばらつきのない空気流を得てかつ、
この空気流によつて確実な冷却効果を得るように
してあることを特徴とする。

このような空気質量流量センサでは、フイルム
抵抗器要素は潜在的に熱質量が低く、空気質量流
量の変化に迅速に応答する。

好ましくは、フイルム抵抗器要素は平坦な抵抗
フイルムセンサを包含し、このセンサがフイルム
の両側で空気流に露出しており、空気流がフイル
ムの各側に或る傾斜角で向けられ、フイルムセン
サのところで収束して最大の空冷効果を与えるよ
うにする。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適実
施例を一層詳細に説明する。

本発明による空気質量流量センサは上記の一定
温度風速計型のもの、すなわち、任意の周囲空気
温度に対して、センサ抵抗器が流量の変化があつ
ても周囲温度より高い一定温度に維持される型の
ものである。たとえば、周囲空気温度が20℃であ
れば、センサ抵抗器は100℃に維持されるという
ようにである。センサ抵抗器はホイーストンブリ
ツジ配置となつており、他の抵抗器は周囲空気温
度に応答する補償抵抗器を包含する。このブリツ
ジに供給される電力源は、フイードバツク回路に
よつて制御されてブリツジ前後に十分な電圧を維
持し、センサ抵抗器を空気質量流量の変化によつ
て生じた抵抗器の電力消費変化に無関係に必要な
温度に維持するようになつている。その結果、消
費ブリツジ電圧または電力が空気質量流量の測定
値となる。このような配置は当業者にとつて周知
のものであり、これ以上の説明はここでは行なわ
ない。

本発明による空気質量流量センサの好適実施例
が第１，２，３図に示してある。このセンサは空
気質量流量測定に一般的に適応できるが、自動車
の内燃機関に導入される空気質量流量の測定のた
めに特に設計してあり、したがつて、広い動的範
囲の空気流および広い周囲温度範囲にわたつて作
動できるようになつており、かつ振動、塵および
エンジン逆火衝撃に耐え得るようになつている。

円筒形ダクト１０にセンサ１２が収容してあ
り、このセンサは支持フレーム１４を包含する。
この支持フレーム１４は略平坦であり、その片縁
に沿つてダクト１０の壁に装着するためのフラン
ジ部分１６を有する。実際に、ダクト１０および
フレーム１４はアルミニウムあるいは同等の効果
を持つ成形ポリマーで作つてある。フレームはダ
クト内を長手方向に延び、ダクトの中心軸線上に
位置する。フレーム１４には、矩形の孔１８が設
けてあり、この孔もダクト軸線に関して対称的に
位置している。孔１８よりもやや大きい平坦なフ
イルム抵抗器要素２０がフレーム１４の縁のとこ
ろで孔を覆つて装着してある。要素２０の本体は
誘電フイルム２１であり、これは好ましくは
Kapton（E.I.DuPont de Nemours＆Co.Inc.の商
品名）のような芳香族ポリイマイドフイルム
（aromatic polymide film）である。孔を直接覆
いかつその縁から隔たつている金属フイルムセン
サ抵抗器２２をこのフイルムは支持している。こ
のポリイマイドフイルムは強靭で可撓性があり、
側方への低い熱伝導を防ぎ、高温安定性がある。
金属フイルム抵抗器２２は、その面積が誘電フイ
ルム２１の面積よりも小さく、フイルム２１の縁
から隔たつていてその縁を画成している。金属フ
イルム抵抗器は温度に応じて実質的に抵抗率を変
えるものであり、好ましくは、線形特性を持つて
いる。実際に、最適な材料は、誘電フイルムに固
着され、曲がりくねつた経路をエツチングして所
望の抵抗値、たとえば、95℃の温度で５オームを
得るようにした銅であることが判明した。−200℃
ないし＋300℃の範囲で、抵抗値は温度に応じて
線形に変化し、20℃で3.8619オームの値を持つ。
こうして、この抵抗器は温度に応じて実質的な抵
抗率変化を行なう。抵抗径路の各端に次にはんだ
パツド２４を設け、各パツドを次に導線２６によ
つて空気流量回路に接続する。このようなセンサ
の或の特定例では、孔は約25.4ミリ平方（１イン
チ平方）で、Kapton材料を0.0254ミリ（１ミル）
厚さとし、片側に7.08グラム（１クオータオン
ス）の銅箔を接着した。19.05mm×7.62mm（0.75イ
ンチ×0.3インチ）の面積を要求される抵抗を与
えるように曲がりくねつた形状の回路にエツチン
グ加工した。銅抵抗路は厚さ0.00965mm（0.38ミ
ル）であり、幅0.254mm（10ミル）であつた。銅
表面は絶縁材料の別のフイルム２７で保護した。
このフイルムは基体に接着した厚さ0.0254mm（１
ミル）のKaptonシートであつた。しかしながら、
別の絶縁コーテイングを使用できる。こうして得
た銅抵抗器保護体は酸化を防ぎ、また、滑らかな
表面を与えてセンサ抵抗器表面に塵を集める傾向
を減じる。センサ抵抗器要素２０の熱質量は、
銅・Kapton組立体の質量が小さくかつ支持フレ
ーム１４から効果的に絶縁することにより低く維
持される。一方、平坦要素２０の両側を囲む冷却
面積は大きい。

センサ２０の上流でフレーム１４の各側におい
て、アルミニウムハニカム構造の流れ整流器２８
がフレームからダクト１０の壁まで延びている。
フイルムに向つて収束する２つの空気流路におい
て空気が整流器２８を通つて流れ、金属フイルム
センサ抵抗器２２の両側に衝突するように整流器
２８はフレームに対して角度を成している。整流
器２８は上下の支持体３０によつて支持されてお
り、これらの支持体は整流器の両側およびフレー
ムに沿つて延びている。各支持体はフレーム１４
の下流端の点で一緒になり、凧の形となつてい
る。好ましくは、各整流器はフレーム１４の平面
に対して70度の角度となつている。整流器の最適
角度は、所与のデザインに対して経験的に決定さ
れる。経験によれば、この角度は厳密なものでは
なく、公称70度位置からその前後10度の範囲で変
化し得る。しかしながら、もし角度が大きすぎる
と、センサの分解能が悪化し、一方、小さすぎる
と、ダクト１０を通る空気流を拘束する傾向がで
てくる。整流器で得た収束空気流はセンサ表面に
付着しているいかなる絶縁空気層も拭い去り、セ
ンサと空気流の熱結合を改善してセンサ冷却効果
を高める傾向がある。また、この確実な空気流制
御は全空気流状態を通じてばらつきのない空気流
を与える。さらに、上下の支持体３０はダクト１
０の壁面に沿つて整流器をバイパスした空気によ
つて整流器を通る空気を妨げるのを防ぐことによ
つてばらつきのない空気流を維持する助けとな
る。整流器の上流側でのギヤツプは半円筒形フエ
アリング３２によつて閉ざしてある。このフエア
リングは整流器への流れを滑らかにする
（streamline）助けとなる。エアーメーターのた
めのブリツジ回路の一部となつている温度補償抵
抗器３４がフエアリング３２に隣接してその上流
に装着してある。この抵抗器のリード線は電子回
路に通じるようにフエアリング３２内に延びてい
る。この補償抵抗器３４の位置決めは、それがセ
ンサ抵抗器２２によつて加熱されなかつた周囲空
気部分の中に設置されている限り厳密なものでは
ない。

今説明した空気質量流量センサは、このように
して、熱質量が低く、かつ感知要素の両側面に収
束して空気質量流量の変化に迅速に応答する衝突
空気流によつて大きな面積を拭われることのでき
る頑丈な感知要素を提供する。さらに、感知要素
の平坦面積が大きいことにより、その汚染がセン
サ動作に与える影響は小さい。たとえば、汚染層
が0.0254mm（１ミル）であつても、平坦金属フイ
ルム抵抗器の冷却面積には実質的に変化を生じさ
せない。それに対して、円形断面の0.1016mm（４
ミル）直径のプラチナ線を用いている従来の熱線
センサが0.0254mm（１ミル）厚さの汚染層を集め
た場合、熱線の冷却面積は50％増大することにな
り、大きな目盛付け誤差を生じさせ、頻繁な熱線
清掃を必要とする。さらに、抵抗要素として銅を
使用することにより、非常に高価であり、また、
いつでも入手できるとは限らない貴金属に対する
依存度がなくなる。銅が温度に対してその係数を
線形に変化させるということは、空気質量流量を
表わす電気信号を発する流量計の電子回路を単純
化する助けとなる。

第４，５，６図に示す空気質量流量センサの第
２実施例は、上流端に整流器４２を備えるダクト
４０を包含する。この整流器はダクトに沿つて軸
線方向に空気を送るようになつている。ダイヤモ
ンド形本体４４（好ましくは絶縁材料で作つてあ
る）がダクト内で実質的にその長手方向軸線のと
ころにおいて吊下げられており、この本体４４は
流線形の台４６に装着してある。この台４６はダ
クトの壁に取付けてある。本体４４は、鋭いくさ
び形前部が流入空気流を分割するように設置され
る。第５図で最も良くわかるように、本体４４の
前部にはその両前面４９と交差する空所４８が設
けてある。前面にこのように画成された開口はフ
イルム抵抗器要素５０で覆つてあり、この要素
は、第６図で最も良くわかるように、一対の金属
フイルム抵抗器５２を包含する。これらの金属フ
イルム抵抗器は低抵抗導線５４によつて直列に接
続してあり、その末端にははんだパツド５６が設
けてある。このフイルム抵抗器要素は本体４４の
前部のまわりに巻付けてあり、したがつて、抵抗
器５２は内側を向き、前面４９の開口を覆うよう
に位置することになる。導体５４が本体４４の前
部先端を横切つている。はんだパツド５６に接続
したリード線５７は本体４４および台４６の中空
部分を貫いて内部に延び、図示しない電子回路に
接続している。

こうして、ダイヤモンド形本体４４は流入空気
流に対して滑らかな前方面積を与え、大きな面積
の抵抗器５２がその熱を容易に空気流に逃がし、
したがつて、空気質量流量変化に対する迅速な応
答を与える。各抵抗器５２の内側は空所４８内の
停滞空気空間に露出しており、その結果、有効冷
却空気量は上記の第１−３図の実施例の約半分と
なる。それでも、センサの応答性は多くの用途で
良好であり、このセンサは構造簡染、安価である
という利点を有する。フイルム抵抗器要素の製作
は先の実施例と実質的に同じであるが、保護フイ
ルム２７はなくてもよい。温度補償抵抗器５８が
支持台４６の後縁に設置してあるが、この位置も
抵抗器５８がフイルム抵抗器要素５０によつて加
熱されなかつた空気にさらされている限り厳密な
ものではない。実際に、本体４４の前面の開先角
度は20度であると申し分ないが、もつと大きな角
度でも同等な良い結果を得た。

薄膜抵抗器要素を利用し、また、高感度、低熱
質量、低騒音および応答迅速という性能を維持し
ながら実施例の種々の変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による空気質量流量センサの実
施例の部分破断斜視図である。第２図は空気流パ
ターンを示す、第１図のセンサの横断面図であ
る。第３図は第１図のセンサのセンサ要素の部分
破断斜視図である。第４図は本発明による空気質
量流量センサの別の実施例の部分破断斜視図であ
る。第５図は第４図のセンサの本体の平面図であ
る。第６図は第４，５図のセンサの金属フイルム
センサ抵抗器の展開図である。 主要部分の符号の説明、２０，５０……フイル
ム抵抗器要素、２１……誘電フイルム、２２……
金属フイルムセンサ抵抗器、１４，４４……支持
手段、１８……孔、２８……空気流導流器、１０
……ダクト、４９……一対の傾斜面、４８……空
所、５２……センサ抵抗器部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流量計のための空気質量流量センサであつ
   て、加熱電流によつて所定温度まで制御される温
   度依存式フイルム抵抗器要素を有する空気質量流
   量センサにおいて、該フイルム抵抗器要素が誘電
   フイルムと該誘電フイルムに支えられた金属フイ
   ルムセンサ抵抗器とを包含し、前記誘電フイルム
   が前記金属フイルムから隔たつた取付区域を有
   し、前記金属フイルムが温度により抵抗率の実質
   的な変化を示し、支持手段が前記フイルム抵抗器
   要素と前記取付区域のところで係合し、前記セン
   サ抵抗器が該支持手段から隔たつていて該支持手
   段に対して断熱状態となつており、それにより、
   前記抵抗器要素の熱質量が小さくなつており、ま
   た、或る傾斜角で前記フイルム抵抗器要素に向つ
   て空気流を向ける手段が設けられて前記抵抗器要
   素のところでばらつきのない空気流を得てかつ該
   空気流によつて確実な冷却効果を得るようにして
   あることを特徴とする空気質量流量センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の空気質量流量セ
   ンサにおいて、前記金属フイルムセンサ抵抗器が
   前記誘電フイルムよりも小さく、該金属フイルム
   センサを囲む縁を画成するように前記誘電フイル
   ム上に設置してあり、前記支持手段が、前記誘電
   フイルムの前記縁とのみ係合して前記フイルム抵
   抗器要素を前記支持手段に装着する手段を包含す
   ることを特徴とする空気質量流量センサ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の空
   気質量流量センサにおいて、前記手段に孔が設け
   てあり、前記フイルム抵抗器要素が前記支持手段
   に装着してあつて前記金属フイルムセンサ抵抗器
   が前記孔と一致していることを特徴とする空気質
   量流量センサ。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の空気質量流量セ
   ンサにおいて、前記フイルム抵抗器要素が平坦形
   状をしており、前記支持手段が支持フレームを有
   し、該支持フレームがこれを貫通する孔を有し、
   前記フイルム抵抗器要素が前記支持フレームに装
   着してあつて前記センサ抵抗器が孔上の平面にあ
   ることを特徴とする空気質量流量センサ。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の空気質量流量セ
   ンサにおいて、前記フイルム抵抗器要素の上流で
   かつその平面の各側に空気流導流器が配置してあ
   つて或る傾斜角で前記フイルム抵抗器要素に向つ
   て収束する２つの空気流路に空気流を向けるよう
   になつていることを特徴とする空気質量流量セン
   サ。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の空気質量流量セ
   ンサにおいて、ダクトが空気流を運び、前記支持
   フレームが前記ダクト内にその軸線に沿つて装着
   してあり、前記支持フレームは、前記孔が前記金
   属フイルムセンサ抵抗器よりも大きくなつている
   薄くて平坦な支持体を包含することを特徴とする
   空気質量流量センサ。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の空気質量流量セ
   ンサにおいて、前記支持手段が一対の傾斜面を持
   つくさび形状となつており、また、各面に開口を
   画成する少なくとも１つの空所を有し、前記フイ
   ルム抵抗器要素が前記支持手段に装着してあつて
   各センサ抵抗器部分がそれぞれの開口を覆つてお
   り、前記支持手段が各センサ抵抗器部分を空気流
   に対して或る傾斜角で設置するように空気流内に
   装着してあることを特徴とする空気質量センサ。