JPH04147016A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 〔従来技術］ 従来より、熱式流量センサは自動車用内燃機関に採用さ
れており、該流量センサは機関の吸気系に温度変化に応
して抵抗値変化を示す抵抗体（例えは白金線）を設け、
この抵抗体への通電を抵抗体の温度状態に応じて制御す
ることで、機関に吸入される空気流量に応した信号を得
て、空気再測定を行なう装置である。

ところが上記抵抗体が長期にわたって空気中にさらされ
ていると、空気流中に含まれる浮遊塵埃が上記抵抗体に
付着し、出力特性が変化するとし１う問題点があった。

そしてこのような問題点に対処するために、特開開５４
−７６１８２号公報においては、通常の測定サイクル終
了後に一時的に過大な電流を抵抗体に流し、通常の作動
温度を上回る温度まで抵抗体を加熱して、付着物を焼却
（バーンオフ）するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上述のように吸気系に抵抗体を配置した場合に
は、抵抗体に付着する浮遊塵埃は、無機塵埃とカーボン
粒子よりなり、該付着物質をバーンオフするには抵抗体
を８００℃以上にまで加熱する必要がある。

しかしながら抵抗体として耐熱性を有する白金線を用い
たとしても、バーンオフが繰返し実行されると、白金線
の抵抗−温度特性に変化が生し、正確な流量測定が不可
能となってしまう。

さらに、絶縁性の耐熱樹脂からなる基板に白金抵抗膜等
を設けたエレメントを用いた場合には、基板自体の耐熱
温度よりもパーンオフ温度の方が高いためバーンオフが
行なえず、また基板としてセラミンクや半導体材料を用
いたとしても、バーンオフを行なうと基板と抵抗膜との
間の接合部分で歪みが生じ抵抗膜の特性が大きく変化し
てしまつ。

本願発明は、以上の問題点を鑑みたものであり、その目
的とするところは、抵抗層の特性を変化させることなく
、繰り返し抵抗体に付着した塵埃を確実に除去する熱式
流量センサを提供するものである。

［課題を解決するための手段］ そこで本発明は、基板上に形成され、温度依存抵抗特性
を有するとともに、通電により発熱する発熱部を備える
抵抗層とを有し、基板が流体の流れる通路内にて流体の
流れと平行になるように保持され、抵抗層の発熱状態に
より、流量を検出する熱式流量センサであって、基板上
に形成されるとともに、抵抗層の発熱より低い温度の発
熱によって生しる基板の熱膨張によって、基板に付着し
た不純物を該基板より除去させる不純物除去用発熱体を
有する熱式流量センサを提供するものである。

〔作用］ 本発明を採用することによって、流量センサの抵抗層に
付着した不純物を除去する際には、不純物を焼失するの
ではなく、不純物除去用発熱体の発熱によって生じる、
基板自体の熱膨張変化によって、基板上の抵抗層に付着
した不純物を除去するので、抵抗層の発熱より低い温度
においても、基板上に付着した不純物塵埃を除去するこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明により、抵抗体の特性を変化させることなく、繰
り返し抵抗体に付着した塵埃を確実に除去する熱式流量
センサを得ることができる。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る熱式流量センサが適用された内燃
機関を示す全体概要図である。第１図において、内燃機
関１の吸気通路２にはエアクリーナ３および整流格子４
を介して空気が吸入される。

この吸気通路２内に計測管（ダクト）５がスティ６によ
って固定されており、その内部には、空気流量を計測す
るための温度変化に応じた抵抗値変化を示す電気抵抗材
料からなり、通電されることで発熱する発熱部が設けら
れた抵抗層であるセンシングエレメント７およびこのセ
ンシングエレメント７と同様に形成され、空気温度に応
した抵抗値変化を示す補償抵抗体が設けられた、外気温
度補償を行う温度補償素子８が設けられている。これら
センシングエレメント７および温度補償素子８はハイブ
リッド基板に形成されたセンサ回路９に接続されている
。

センサ回路９はフィードバンク回路とヒータ制御回路と
からなるフィードバンク回路は、センシングエレメント
７０発熱部の温度と温度補償素子８の抵抗体の温度との
差が一定値になるように該発熱部の発熱量をフィードハ
ック制御し、そのセンサ出力■。を制御回路１０に供給
する回路であり、ヒータ制御回路は、センシングエレメ
ント７を一定期間ごとに加熱するように塵埃除去用ヒー
タを制御する回路である。制御回路ＩＯはたとえばマイ
クロコンピュータによって構成され、燃料噴射弁１１の
制御を行うものである。

第２図〜第５図は本発明の第１の実施例を示しており、
第２図に示すように、ステイ６により吸気通路２内の略
中央に固定されるダクト５内には空気流方向に平行に配
置された保持部材２１，２２が固定されており、この保
持部材２１．２２にそれぞれセンシングエレメント７、
温度補償素子８が固定されており、センシングエレメン
ト７、および温度補償素子８は、保持部材２１．２２と
同様、空気流方向と平行に配置されている。すなわちセ
ンシングエレメント７、および温度補償素子８はその最
小寸法部分、つまりその厚み部分のみが空気流に対して
対抗するように配設される。

第３図は、上記センシングエレメント７の断面図を示す
。センシングエレメント７はシリコン単結晶からなる薄
い板状の基板７１に絶縁膜（例えば５ｉＯ）７１ａを介
して温度変化に応じて抵抗値変化を示す電気抵抗材料で
ある白金（Ｐｔ）からなる抵抗パターン７２が薄膜状に
形成されている。さらに、この抵抗パターン７２はＳｉ
Ｏ，ＳｉＮ等の電気絶縁性のパッシベーション膜７４に
よって被覆されている。

第４図は、センシングエレメント７の正面図である。こ
こで、抵抗パターン７２はＰｔを蒸着。

スパッタ等により薄く成膜し、ケミカルまたはドライエ
ツチングにより、導電部７２ａ２発熱部７２ｂおよび塵
埃除去用発熱部７２ｃが形成されている。

第４図に示されるように、導電部７２ａは、センシング
エレメント７の空気流下流側に位置し、空気流方向に対
して垂直方向に伸びており、発熱部７２ａの下端部に通
電可能とするためのものである。また、発熱部７２ｂは
、導電部７２ａと電気的に直列に接続されており、セン
シングエレメント７の略中央部において、導電部７２ａ
と平行に形成されており、前述した如く、この発熱部７
２ｂの発熱温度と温度補償素子８の図示しない抵抗体の
温度との差によって、流量を検出する。さらに、塵埃除
去用発熱部７２ｃは、発熱部７２ａと電気的に直列に接
続されるとともに、センシングエレメント７の空気流上
流側に位置し、発熱部７２ｂと略平行に形成されている
。さらに、この塵埃除去用発熱部７２ｃは、発熱部７２
ｂの幅より小とすることによって、２．０秒以内に７０
０°Ｃ以上になるように調節されている。

また、これら抵抗パターン７２に対しての通電を確保す
るために、パッシベーション膜７４を介すことなく、バ
ット部７６ａ、７６ｂ、７６ｃが各抵抗パターンの上部
に形成されている。

このように形成されたセンシングエレメント７は第１図
に示すごとく、空気流に対して垂直方向に伸びるように
、保持部材２１に保持されている。

ところで、上記センシングエレメント７を保持する保持
部材２１は、アルミニウム、銅、そりプデン等の熱伝導
率が大きな材料から構成され、望ましくはさらに比熱の
小さい材料が選定される。

そしてこの保持部材２１に対してセンシングエレメント
７は第５図に示すように断熱材２３、および接着剤２５
ａ、２５ｂを介して保持されている。

この断熱材２３としては熱伝導率の小さい、例えばムラ
イト、ジルコニア、ジルコン、ＳｉＯ□ガラス等が用い
られる。

また保持部材２１は空気の流れに対して、上流側が凹形
状の凹部２１ａが形成されている。そしてこの凹部２１
ａの範囲内にセンシングエレメント７の発熱部７２ｂが
位置するようにセンシングエレメント７が保持部材２１
に対して設定されている。このようにすることで保持部
材２１によりセンシングエレメント７近傍の空気の流れ
を乱さないようにしている。

さらに、保持部材２１にはアルミナ等からなるリード部
材３０が図示しない接着剤によって接着固定されており
、このリード部材３０には上記センサ回路９と電気的に
接続されているＡｕ等からなるリード線３１ａ、３１ｂ
、３１ｃが印刷、焼付により形成されている。そして、
このリード線３１ａ、３１ｂ、３１ｃはそれぞれセンシ
ングエレメント７０パット部７６ａ、７６ｂ、７６ｃと
ワイヤボンディング法により形成された導を線２４ａ、
２４ｂ、２４ｃを介して電気的に接続されている。

なお、センシングエレメント７の系の過渡温度特性と温
度補償素子８の系の過渡温度特性を同一せしめるために
、実質的にセンシングエレメント７および温度補償素子
８を、同一基板材料、同一熱量、および同一寸法により
構成し、同一構成の保持部材２１．２２に対して対称的
に固定しである。

第１実施例では、迅速加熱する塵埃除去用ヒータ７２ｃ
をセンシングエレメント７の空気流上流側端部のみに形
成することによって、センシングエレメント７の急速加
熱を可能とした。そのため、センシングエレメント７の
空気流上流側端部のみを急速加熱に伴う急激な熱膨張を
促すことができ、センシングエレメント７の塵埃除去用
ヒータ７２Ｃ付近に付着した塵埃を効率的に振り落とす
ことが可能とすることができた。

よって、第１実施例の熱式流量計では、センシングエレ
メント７に付着した塵埃の除去の際は、センシングエレ
メント７の導電部７１ａ自体を加熱することがないばか
りか、センシングエレメント７への加熱温度を塵埃の規
制温度以下である導電部７１ａの耐熱温度以下とするこ
とができるので、繰り返しのセンシングエレメント７の
再生においても特性の変化を伴うことがないという優れ
た熱式流量計を得ることができる。

次に本発明の熱式流量センサの流量検出方法を回路図を
用いて詳細に使用する。

第６図はセンサ回路９の回路図を示す。このセンサ回路
９は、計測回路部８０と塵埃除去用ヒータ制御回路部８
１より成る。

計測回路部８２は計測用ブリッジ８２．第１オヘアンプ
８３．第２オペアンプ８４．定電圧発生回路８５．フリ
ップフロップ８６よりなる。また計算回路部８２は、制
御回路１０より入力された計測開始信号ＴｉＮに同期し
て計測用ブリッジ８２に一定電圧■、を印加、ブリッジ
内のセンシングエレメント７の発熱部７２ｂを加熱開始
する。

センシングエレメント７の発熱部７２ｂの温度上昇に伴
いブリッジ８２を形成する抵抗体の抵抗値が上昇、ブリ
ッジ８２のバランスが成立し、ブリッジ８２への電圧印
加が停止する。この後、吸気通路２の空気流量が増加す
ると、センシングエレメント７の発熱部７２ｂの温度が
低下しブリッジ８２のバランスがくずれ、ブリッジ８２
への電圧印加が再開される。

結局、ダクト５内の空気流量は、ブリッジ８０への印加
時間により計測されることとなる。

次に、塵埃除去は塵埃除去用ヒータ制御回路に基づいて
行われるが、この塵埃除去用ヒータ制御回路８１は、制
御用ブリッジ８６．第１オペアンプ８７．第２オペアン
プ８Ｂ、ＮＡＮＤ回路８９゜単安定マルチバイブレータ
９０．フリップフロップ９１より形成される。そして、
この制御回路８１の動作は、所定時間間隔ごとに制御回
路１０より出力される起動信号の入力により電圧印加が
開始され、塵埃除去用ヒータ７２ｃの温度上昇に伴なう
ブリ、ジ８６を構成する抵抗体の抵抗上昇によるブリッ
ジ８′６のバランスの成立又は、起動信号のＯＦＦによ
り電圧の印加が停止する。又、塵埃除去用ヒータ７２ｃ
の昇温時間は抵抗９２の値により調整される。

（第２実施例） 第１実施例に示した熱式流量センサを用いて、塵埃除去
用ヒータ７１ｃの除去効果を調べた。第１表に塵埃除去
用ヒータ７１ｃの加熱塩・度及び昇温時間をパラメータ
とした時の流量測定誤差を第２表にその時のセンシング
エレメント部（７２ａ＋７２　ｂ）の抵抗値変化を示す
。尚、試験条件は２００ｇ／ｓ、３００ｈｒ、塵埃除去
用ヒータ７１ｃへの通電加熱は２回／　ｈ　ｒの間隔に
て実施した。

ここで、流量測定誤差をセンシングエレメント７への塵
埃の付着よる誤差と、センシングエレメントの塵埃除去
の際の冷熱サイクルによるセンシングエレメント７の亀
裂等の劣化による誤差との合わせた誤差を示している。

また、センシングエレメント７の抵抗値変化は、センシ
ングエレメント７の劣化による誤差を示している。

第１表および第２表に示したごとく、設定温度が３００
°Ｃでは、どの昇温時間であっても十分な塵埃除去効果
が得られず、又９００℃では第２表に示されるように白
金膜よりなる導電部７１ａの抵抗変化が生じ、使用が困
難となる。

又、例えば、５００°Ｃ設定時の昇温時間１秒と２秒を
比較すれば明らかな通り、昇温レートが緩やかになるに
つれて、急速熱膨張に伴う衝撃的熱応力により付着塵埃
を除去する効果が減少していることがわかる。更に第７
図に示したごとく、昇温レートの緩和に伴い基板端部の
みを選択的に加熱するという効果が失なわれ基板全体の
温度が上昇してしまい、その結果、第２表に明らかな通
りセンシングエレメント部の抵抗も変化をきたすように
なる。

以上の結果より、センシングエレメント抵抗（７２ａ＋
７２ｃ）を変化させることなく、良好な付着塵埃除去効
果を得るためには、４００″Ｃ−８００°Ｃの温度まで
２秒以内に昇温せしめるのが適当であることがわかる。

尚、上記実施例において基板７１の材料を単結晶シリコ
ンとしたが、例えばガラスやセラミ、７り材等の耐熱材
料を用いても同様な効果が得られる。

また、上記実施例に於いては、基板を片側にて保持した
が、例えば、図８に示すごとく基板を両端にて保持した
場合に於いても、上記実施例と全く同一の効果が得られ
ることは明らかである。

（以下余白） 第 表 流量測定誤差 （％） （２００ｇ／ｓ 後 塵埃除去−２回／　ｈ　ｒ　） （以下余白） 第２表 センシングエレメント部（７２ａ＋７２ｂ）抵抗変化（
％）（条件同上）

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る熱式流量センサが適用された内
燃機関の全体概略図、第２図は、ダクトの一部切り欠い
た構成図、第３図は、抵抗層を有する基板の断面図、第
４図は、基板の構成図、第５図は、基板の取付は部を示
す拡大構成図、第６図は、センサ回路の１実施例を示す
回路図、第７図は、本発明の塵埃除去用発熱部を発熱さ
せた時の基板の熱分布を示す特性図である。 ７・・・センシングエレメント（Ｍ板）、７２ｂ・・・
発熱部（抵抗層）、７２ｃ・・・不純物除去用発熱体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状に形成された基板と、 該基板上に形成され、温度依存抵抗特性を有するととも
   に、通電により発熱する発熱部を備える抵抗層とを融資
   、前記基板が流体の流れる通路内にて流体の流れと平行
   になるように保持され、前記抵抗層の発熱状態により、
   流量を検出する熱式流量センサであって、 前記基板上に形成されるとともに、前記抵抗層の発熱よ
   り低い温度の発熱によって生じる基板の熱膨張によって
   、前記基板に付着した不純物を該基板より除去させる不
   純物除去用発熱体を有することを特徴とする熱式流量セ
   ンサ。
2. （２）前記不純物除去用発熱体は、前記基板上の前記流
   体に対して上流側に、前記流体の流れに対して垂直方向
   に延在しながら形成されることを特徴とする請求項１記
   載の熱式流量センサ。