JPH11201792A - 流量検出素子および流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答性に優れた流量検出素子を得る。 【解決手段】 平板状基板（１）の表面に絶縁性の支持
膜（２）を形成し、この支持膜（２）上に感熱抵抗膜よ
りなる複数の発熱抵抗（４，５）が構成されており、こ
の感熱抵抗膜上に絶縁性の保護膜（３）を形成し、感熱
抵抗膜着膜領域の下部にある平板状基板（１）を部分的
に除去したダイヤフラム（１２）の構造をなし、複数の
発熱抵抗（４，５）は計測流体の流れの方向に並んでお
り、上流側の発熱抵抗（４）と下流側の発熱抵抗（５）
の加熱電流の差に相当する量に基づいて流量を計測する
感熱式流量検出素子であって、上流側の発熱抵抗（４）
と下流側の発熱抵抗（５）の間に流れの方向に所定距離
の間隙を設けたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、発熱体を備え、
発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から、流
体への熱伝達現象に基づいて流体の流速あるいは流量を
計測する流量検出素子およびこの流量検出素子を用いた
流量センサに関するものであり、特に例えば内燃機関の
吸入空気量を計測する場合等に使用して好適な感熱式の
流量検出素子およびこの流量検出素子を用いた流量セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３および図１４は例えば特公平３−
５２０２８号公報に示されている従来の感熱式流量検出
素子の側断面図および平面図である。図において、流量
検出素子は、シリコン半導体よりなる平板状基板１、窒
化シリコンよりなる絶縁性の支持膜２、感熱抵抗である
パーマロイよりなる発熱抵抗４，５、および窒化シリコ
ンよりなる絶縁性の保護膜３を有する。発熱抵抗４，５
の部分に相当する感熱抵抗膜着膜部の平板状基板１には
空気スペース８が設けられており、片持ち梁１１が懸垂
されるように形成されている。空気スペース８は支持膜
２および保護膜３を形成する窒化シリコンをいためない
エッチング液を用いて開口部７から平板状基板１のシリ
コン半導体の一部を除去して形成されている。

【０００３】このような従来の流量検出素子では、発熱
抵抗４，５に通電する加熱電流が、図示しない制御回路
によって一定に維持されている。矢印９は気流の流れの
方向を示す。気流の上流側から下流側に向かう方向に発
熱抵抗４，５が順に並んでいる場合、上流側の発熱抵抗
４から気流に伝達する熱は気流の流速が大きいほど増
す。一方、下流側の発熱抵抗５に沿って流れる気流は、
上流側の発熱抵抗４によって昇温されているため、上流
側の発熱抵抗４ほど気流に熱が伝達されない。即ち上流
側の発熱抵抗４は下流側の発熱抵抗５よりよく冷却さ
れ、冷却の度合いの差は気流の流速が増すほど大きくな
る。従って、発熱抵抗４に一定電流を流すために発熱抵
抗４に与えられる電圧は、発熱抵抗５に一定電流を流す
ために発熱抵抗５に与えられる電圧よりも大きく、その
差は気流の流速が大きいほど増す。

【０００４】このように発熱抵抗４および５に与えられ
る電圧の差は、計測される気流の流速の関数となるた
め、気流の流速、あるいは定められた通路内を通過する
気流の流量を計測することができる。さらに、上流側の
発熱抵抗４と下流側の発熱抵抗５の冷却の差を検出する
わけであるから、流速だけではなく、流れの方向も検出
できる。以上に述べた計測原理は、加熱電流を一定に保
った場合であるが、各発熱抵抗の抵抗値を流速にかかわ
らず各々所定値に保つ定温度差制御とし、各発熱抵抗の
加熱電流の差から流速を検出する場合でも、流速と流れ
の方向を検出できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の流
量検出素子を用いた流量センサでは計測流体の流量や流
速が変化した場合の応答遅れが生じる。その遅れは、支
持膜２上に発熱抵抗４や５が形成される検出部から熱が
移動するときの熱抵抗と検出部近傍の熱容量で決まる遅
れと、発熱抵抗４と発熱抵抗５の間の熱的な相互干渉に
遅れがある。まず、前者の遅れについて説明する。応答
遅れに関する熱抵抗は、検出部と計測流体の間の熱抵抗
と、検出部と支持膜２等の支持部の間の熱抵抗とがある
が、良好な応答性を得るためには検出部と計測流体の間
の熱抵抗を小さくし、検出部と支持部の間の熱抵抗を大
きくすることが望ましい。なぜなら、流速や流量は検出
部から計測流体への熱伝達量によって求められるからで
ある。

【０００６】次に後者の遅れを定温度差制御の場合につ
いて説明する。例えば流速が増加し上流側の発熱抵抗４
が冷却された時、その抵抗値を一定に保つため加熱電流
を増やすように制御するが、上流側の発熱抵抗５と下流
側の発熱抵抗４の間に熱伝導路があれば、下流側の発熱
抵抗５が上流側の発熱抵抗４の冷却の影響を受ける。そ
して、その熱伝導路の熱抵抗が小さい場合は、下流側の
発熱抵抗５の加熱電流を必要以上に増加してしまい、上
流側の発熱抵抗４の加熱電流の増加を抑制するように働
く。その結果、上流側の発熱抵抗４と下流側の発熱抵抗
５の加熱電流の差が目標値に到達するのに時間を要し応
答性の悪い流量センサとなる。

【０００７】そこで、上記のような従来の流量検出素子
では、流量検出素子の応答性を高めるため、検出部から
支持部や、発熱抵抗４および５間の熱伝導量を小さくす
る工夫がなされている。即ち検出部からの熱伝導路を極
力少なくするために片持ち梁１１を懸垂するように形成
し、検出部の周りの窒化シリコンが除去され開口してい
るのである。また、他の従来例では図示せずも両持ちの
ブリッジ構造となっている（特公平３−５２０２８号の
図１参照）。しかしながら、このような片持ち梁や両持
ちのブリッジ構造は、用途によっては非常に壊れやす
く、また汚れの影響を受けやすい。

【０００８】例えば自動車の内燃機関の燃料制御に用い
られる吸入空気流量センサにこのような流量検出素子を
用いたとする。自動車の内燃機関は４０〜５０Ｇの振動
を発生し、また、吸入空気の流速は場合によっては２０
０ｍ／ｓ以上に達する。また、バックファイヤが発生し
た場合には２気圧近い圧力が加わることもある。このよ
うな機械的ストレスを受けた場合、従来の流量検出素子
の検出部は容易に破損する。

【０００９】一方、内燃機関の吸入空気は吸入空気流量
センサの上流に設置されたエアクリーナエレメントを通
過してくるが、数ミクロンの大きさのダストはエアクリ
ーナエレメントを通過し片持ち梁やブリッジのエッジに
付着したり開口部を通って空気スペース内に到達し、留
まることになり、流量検出性能を損なう。また、自動車
が雨天走行したり、冠水路を走行した場合は吸入空気中
に水滴が含まれやはりエアクリーナエレメントを通過す
る。さらにブローバイ還元装置から吹き出すエンジンオ
イルやスラッジ成分の雰囲気にも流量検出素子は晒され
る。このようにして流量検出素子に水滴やオイルミスト
が到達したとき、従来の流量検出素子では、開口部から
空気スペースに水や油が浸入し留まるために流量検出性
能を損なう。

【００１０】一方、内燃機関の吸入空気量を計測する場
合は吸入空気流量の変化を検出し正確な燃料制御を行う
ために応答性の良い流量センサが求められる。従来の流
量検出素子を用いた流量センサでは、応答性を早くする
ためには上述の如く片持ち梁や両持ちのブリッジ構造を
とるが、しかしこれは信頼性を低下させるものであり、
従って内燃機関の吸入空気量の計測には適した設計が非
常に困難であった。

【００１１】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、第一の目的は応答性が良く信頼
性の高い流量検出素子および流量センサを得ることにあ
る。さらに、第二の目的は上記の第一の目的を達成する
ための手段が容易な製造工程によって得られる構造を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る流
量検出素子は、平板状基板の表面に形成された絶縁性の
支持膜と、該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して
上流側と下流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の
発熱部と、該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを
備え、上記発熱部の設けられた領域の下部にある上記平
板状基板を部分的に除去してダイヤフラム構造となし、
上記上流側の発熱部と上記下流側の発熱部の間に流れの
方向に所定距離の間隔を設けたものである。

【００１３】また、請求項２の発明に係る流量検出素子
は、請求項１の発明において、上記上流側の発熱部と上
記下流側の発熱部の流れ方向に設けられた間隔の所定距
離をＧ、ダイヤフラム厚さをＴとしたときに、上記所定
距離Ｇと上記ダイヤフラム厚さＴの関係をＧ／Ｔ≧２５
と設定したものである。

【００１４】また、請求項３の発明に係る流量検出素子
は、平板状基板の表面に形成された絶縁性の支持膜と、
該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して上流側と下
流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、
該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、上記
発熱部の設けられた領域の下部にある上記平板状基板を
部分的に除去してダイヤフラム構造となし、上記上流側
の発熱部と上記下流側の発熱部の間においてダイヤフラ
ム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を設
けたものである。

【００１５】また、請求項４の発明に係る流量検出素子
は、請求項３の発明において、上記上流側の発熱部と上
記下流側の発熱部の間においてダイヤフラム厚さが他の
部分のダイヤフラム厚さより薄い部分と同一の部分が混
在するものである。

【００１６】また、請求項５の発明に係る流量検出素子
は、請求項３または４の発明において、上記ダイヤフラ
ムの中央には薄い部分を形成しないものである。

【００１７】また、請求項６の発明に係る流量検出素子
は、請求項３〜５のいずれかの発明において、上記上流
側の発熱部と上記下流側の発熱部の間においてダイヤフ
ラム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分
を、上記保護膜を形成しない領域として設けたものであ
る。

【００１８】また、請求項７の発明に係る流量検出素子
は、平板状基板の表面に形成された絶縁性の支持膜と、
該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して上流側と下
流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、
該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、上記
発熱部の設けられた領域の下部にある上記平板状基板を
部分的に除去してダイヤフラム構造となし、上記上流側
の発熱部および上記下流側の発熱部の少なくとも一方の
外周端部とダイヤフラムの外周端部の間においてダイヤ
フラム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分
を設けたものである。

【００１９】また、請求項８の発明に係る流量検出素子
は、請求項７の発明において、上記上流側の発熱部およ
び上記下流側の発熱部の少なくとも一方の外周端部とダ
イヤフラムの外周端部の間においてダイヤフラム厚さが
他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分と同一の部分
が混在するものである。

【００２０】また、請求項９の発明に係る流量検出素子
は、請求項７または８の発明において、上記ダイヤフラ
ムの中央には薄い部分を形成しないものである。

【００２１】また、請求項１０の発明に係る流量検出素
子は、請求項７〜９のいずれかの発明において、上記上
流側の発熱部と上記下流側の発熱部の間においてダイヤ
フラム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分
を、上記保護膜を形成しない領域として設けたものであ
る。

【００２２】請求項１１の発明に係る流量センサは、請
求項第１項〜第１０項のいずれかに記載の流量検出素子
と、該流量検出素子の発熱部をそれぞれブリッジの一辺
に有する複数のブリッジ回路を含み、該複数のブリッジ
回路の出力の差に基づいて計測流体の少なくとも流量を
計測する制御手段とを備えたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態
を、図を参照して説明する。 実施の形態１．図１および図２はこの発明の実施の形態
１による流量検出素子を示す断面図および平面図であ
る。図において、例えば厚さ約０．４ｍｍのシリコンよ
りなる平板状基板１は、その表面に例えば厚さ１μｍの
窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜２がスパッタ、
蒸着、ＣＶＤ等の方法で形成され、その上に例えば厚さ
０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗４，
５が蒸着やスパッタ等の方法で着膜されている。発熱抵
抗４，５は写真製版、ウエットあるいはドライエッチン
グ等の方法を用いて電流路であるパターンニングが形成
されている。

【００２４】パターンニングによって構成された発熱抵
抗４，５の発熱部の大きさは、例えば１ｍｍ×０．０５
ｍｍである。また、同様に例えば厚さ０．２μｍの白金
等の感熱抵抗膜よりなる計測流体温補償抵抗６ａ，６ｂ
が蒸着やスパッタ等の方法で着膜されている。発熱抵抗
４，５は写真製版、ウエットあるいはドライエッチング
等の方法を用いて電流路であるパターンニングが形成さ
れている。さらに発熱抵抗４，５および計測流体温補償
抵抗６ａ，６ｂの上には例えば厚さ１μｍの窒化シリコ
ン等よりなる絶縁性の保護膜３がスパッタ、蒸着、ＣＶ
Ｄ等の方法で形成されている。矢印９は計測流体の流れ
の方向である。内燃機関の吸気流量を計測する場合は吸
気口からシリンダーへ流れる方向を示すことになる。た
だし、例えば４気筒内燃機関の場合、バルブオーバラッ
プやスロットル弁開度や吸気管路の条件によっては逆流
を含む脈動流となる。

【００２５】発熱抵抗４と５は計測流体の流れの方向に
並んでいるが隣接はしておらず所定距離の間隙を設けて
あり、発熱抵抗４と５の間の流れの方向における所定の
距離をＧ、ダイヤフラム厚さをＴとしたとき、Ｇ／Ｔ≧
２５となるように設計されている。例えばＴ＝２μmの
場合は、Ｇ＝５０μmとなり、発熱抵抗４と発熱抵抗５
の端部間は流れの方向に５０μmの距離がある。発熱抵
抗４，５および計測流体温補償抵抗６ａ，６ｂはリード
パターン１３ａ〜１３ｈを経て流量検出素子１７の外部
との電気的接続を行うための電極１４ａ〜１４ｈとつな
がっている。電極１４ａ〜１４ｈの部分はワイヤボンド
等の方法で外部と電気的に接続するために保護膜３が除
去されている。さらに、平板状基板１の支持膜２が形成
されている面とは逆の面に形成された裏面保護膜１５に
写真製版等の方法でエッチングホール１６を形成後、例
えばアルカリエッチング等を施すことによって、平板状
基板１の一部が除去され、ダイヤフラム１２が形成され
ている。

【００２６】発熱抵抗４，５は図７に示すような制御手
段としての制御回路によって各々所定の平均温度に制御
されている。この制御回路は、計測流体温補償抵抗６ａ
と発熱抵抗４を含むブリッジ回路３０と計測流体温補償
抵抗６ｂと発熱抵抗５を含むブリッジ回路４０と、発熱
抵抗４，５を各々流れる加熱電流に相当する電圧ＶＭ
１，ＶＭ２の差を求める演算増幅回路２６を備える。ブ
リッジ回路３０および４０はバッテリ１に並列接続され
る。発熱抵抗４，５の発熱温度を各々計測流体温補償抵
抗６ａ，６ｂで検出された計測流体温度に基づいて適切
に変えて行けば計測流体の流速と密度の積に相当する量
が、加熱電流より得られる。

【００２７】計測流体の流速が早くなると、発熱抵抗４
から計測流体への熱伝達が多くなるため加熱電流が増加
する。一方下流側にある発熱抵抗５の部分には上流側の
発熱抵抗４によって暖められた気流が流れるため上流側
の発熱抵抗４に比べると加熱電流の増加は少ない。従っ
て、発熱抵抗４と５の加熱電流の差を求めることによっ
て、流量と流れの方向を検出することができる。

【００２８】ここで、更に、これらブリッジ回路３０お
よび４０の詳細について説明する。まず、ブリッジ回路
３０は、例えば図７に示すように、発熱抵抗４の一端が
トランジスタ３１のコレクタに接続され、その他端が抵
抗器３２を介して接地される。発熱抵抗４の両端に直列
接続の抵抗器３３および３４が並列接続され、抵抗器３
３および３４の共通接続点が増幅器３５の一方の入力端
（非反転入力端）に接続される。増幅器３５の他方の入
力端（反転入力端）はその出力端に接続され、この出力
端が計測流体温補償抵抗６ａを介して差動増幅器３６の
反転入力端子に接続されると共に、更に抵抗器３７を介
して接地される。差動増幅器３６の非反転入力端子は発
熱抵抗４の他端に接続され、その出力端子はトランジス
タ３８のベースに接続される。トランジスタ３８のエミ
ッタは接地され、そのコレクタはトランジスタ３１のベ
ースに接続され、トランジスタ３１のエミッタがバッテ
リ２５の正極に接続される。

【００２９】同様に、ブリッジ回路４０は、発熱抵抗５
の一端がトランジスタ４１のコレクタに接続され、その
他端が抵抗器４２を介して接地される。発熱抵抗５の両
端に直列接続の抵抗器４３および４４が並列接続され、
抵抗器４３および４４の共通接続点が増幅器４５の一方
の入力端（非反転入力端）に接続される。増幅器４５の
他方の入力端（反転入力端）はその出力端に接続され、
この出力端が計測流体温補償抵抗６ｂを介して差動増幅
器４６の反転入力端子に接続されると共に、更に抵抗器
４７を介して接地される。差動増幅器４６の非反転入力
端子は発熱抵抗５の他端に接続され、その出力端子はト
ランジスタ４８のベースに接続される。

【００３０】トランジスタ４８のエミッタは接地され、
そのコレクタはトランジスタ４１のベースに接続され、
トランジスタ４１のエミッタがバッテリ２５の正極に接
続される。そして、発熱抵抗４および５の各他端がそれ
ぞれ差動増幅器２６の反転入力端子および非反転入力端
子に接続される、差動増幅器２６の出力端子はエンジン
のコントロールユニット（図１２）に接続される。

【００３１】次に、その動作について説明するが、ブリ
ッジ回路３０とブリッジ回路４０の動作は実質的に同じ
であるので、代表的にブリッジ回路３０について説明す
る。いま、発熱抵抗４の抵抗値をＲ_H、計測流体温補償
抵抗６ａの抵抗値をＲａ、抵抗器３２，３３および３
４，３７の抵抗値をそれぞれＲ₂，Ｒ₃およびＲ₄，Ｒ₁と
し、差動増幅器３６の反転入力端子に印加される電圧を
Ｖ_Pとすると、差動増幅器３６はＶ_P＝ＶＭ１となるよう
に、トランジスタ３８および３１をフィードバック制御
している。そして、Ｖ_P＝ＶＭ１の平衡が成立すると
き、

【００３２】 Ｒ_H＝（Ｒ₃＋Ｒ₄）Ｒ₂・Ｒａ／（Ｒ₁・Ｒ₄ーＲ₂・Ｒａ） （１）

【００３３】となり、Ｒ_HとＲａの抵抗温度係数が等し
ければ発熱抵抗４の抵抗値Ｒ_H即ち平均温度は流量に拘
わらず一定となる。但し、発熱抵抗４は計測流体温補償
抵抗６ａで検出された流体温度より所定値（例えば２０
０℃）だけ高くなるようにブリッジ抵抗が設定されてい
る。流量が大きくなり、発熱抵抗４の冷却が促進される
と、発熱抵抗４の加熱電流が大きくなり、電圧ＶＭ１が
大きくなる。そこで、ブリッジ回路３０の出力とブリッ
ジ回路４０の出力即ち電圧ＶＭ１とＶＭ２の差を差動増
幅器２６で検出することによって、流量センサの出力Ｖ
outが得られる。

【００３４】この場合の、流量の流れる方向と、ブリッ
ジ回路３０および４０の各出力である電圧ＶＭ１，ＶＭ
２、流量センサの出力Ｖoutとの関係は、図８に示すよ
うになる。上述のごとく、ここでは、発熱抵抗４と発熱
抵抗５を隣接させずに流れの方向に所定の距離を設けて
ある。従って、上述のブリッジや片持ち梁の構造に比べ
強度的に有利なダイヤフラム形態において発熱抵抗間の
熱伝導による干渉を小さくできているため、相互干渉に
よる応答性の遅れを小さくできる。

【００３５】図９はＧ／Ｔに対し、発熱抵抗４を含むブ
リッジ回路３０のバランスを外乱によって微少に変化さ
せることによって発熱抵抗４の制御温度を微少変化させ
たときの発熱抵抗５の加熱電流の変化の度合いを実験的
に求めたものである。勿論、この逆も可能である。Ｇ／
Ｔの値が２５以上となった所から発熱抵抗５の加熱電流
の変化が小さくなっていることが分かる。従って発熱抵
抗４と５の間の熱的な相互干渉を小さくするとき次式を
満足するように設計すればよい効果が得られる。

【００３６】 Ｇ／Ｔ≧２５ （２）

【００３７】このように、本実施の形態では、開口部の
ないダイヤフラム構造であるので、片持ち梁や両持ちの
ブリッジ構造に比べると強度が高く、またダストや水
分、オイル等が検出部近傍に付着したり留まったりしに
くい。また、ダイヤフラム裏面側から凹部をカバーすれ
ば凹部内への異物の浸入を防ぐことも可能となる。さら
に上流側発熱部と下流側発熱部の間において、流れの方
向に所定距離の間隙を設けたので、上流側発熱部と下流
側発熱部との間の伝導熱量を小さくでき、上流側発熱部
と下流側発熱部の間の熱的な干渉を小さくすることがで
きる。

【００３８】また、上流側発熱部と下流側発熱部の流れ
方向における間隔の距離Ｇとダイヤフラム厚さＴを上記
（２）式を満足するように構成したので、上流側発熱部
と下流側発熱部の間の熱伝導による干渉をより効果的に
小さくすることができる。

【００３９】実施の形態２．図３および図４はこの発明
の実施の形態２である流量検出素子の断面図と平面図を
示すもので、図における１〜１７は実施の形態１と同一
のものである。この実施の形態では発熱抵抗４と５の間
に薄厚部２３が設けられており、さらに発熱抵抗４と５
の間には複数の薄厚部２３と薄厚でない部分が混在して
おり、加えてダイヤフラム（１２）の中央部は薄厚部に
ならないようになっている。薄厚部２３は保護膜３を形
成しない領域として設けており、保護膜形成前に保護膜
を形成しない領域に写真製版でレジストを塗布し、保護
膜形成後にレジストを除去するという工程で、他の部分
のダイヤフラム厚さより薄い薄厚部２３を形成してい
る。

【００４０】このように構成された流量検出素子を用い
た場合は、発熱抵抗４と５の間の熱絶縁をより確実なも
のとできる。発熱抵抗４と５の間の距離を大きくしすぎ
ると、発熱抵抗４によって加熱された気流が発熱抵抗５
に到達するまでに拡散、冷却されてしまう。従って発熱
抵抗４と５の加熱電流の差が小さくなり、その結果流量
センサとしての感度が下がったり、計測流量範囲が制限
されたりする場合がある。本実施の形態はそのようなケ
ースに有効であり、発熱抵抗４と５の間の流れ方向の距
離を小さくした場合でも、発熱抵抗４と５の間の熱伝導
路の熱絶縁を効果的に行うことが可能となる。

【００４１】発熱抵抗４と５の間には薄厚部２３と薄厚
でない部分が混在しているとともに最も応力のかかりや
すいダイヤフラム（１２）の中央部を薄厚部２３としな
いことによってダイヤフラム（１２）の機械的強度の低
下を極小さく抑えることができる。実施の形態１に比べ
ると強度低下はあるものの、ブリッジや片持ち梁の構造
に比べると圧倒的に高い強度とすることができる。

【００４２】このように、本実施の形態では、上流側の
発熱抵抗と下流側の発熱抵抗の間においてダイヤフラム
厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を設け
るように構成したので、上流側の発熱抵抗と下流側の発
熱抵抗の間の距離を大きくしなくても熱伝導経路の熱抵
抗を大きくすることができる。また、上流側の発熱抵抗
部と下流側の発熱抵抗の間距離を大きくしないでよいた
め、上流側の発熱抵抗から下流側の発熱抵抗への気流を
媒体とする熱の移動量が少なくならない。従って上流側
の発熱抵抗と下流側の発熱抵抗の加熱電流の差が大きく
取れるため感度や流量計測範囲を犠牲にすることがな
い。

【００４３】また、上流側の発熱抵抗と下流側の発熱抵
抗の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフ
ラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在ように構成し
たのでダイヤフラムの中央近傍の機械的強度低下を少な
くして、上流の側発熱抵抗と下流の側発熱抵抗の間熱伝
導量を小さくできる。

【００４４】加えて、上流側の発熱抵抗と下流側の発熱
抵抗の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤ
フラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在し、ダイヤ
フラムの中央には薄い部分を形成しないように構成した
ので、最も曲げ応力のかかるダイヤフラム中央部の強度
を損なうことなく、上流側発熱抵抗と下流側発熱抵抗の
間熱伝導量を小さくできる。

【００４５】また、上流側発熱抵抗と下流側発熱抵抗の
間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフラム
厚さより薄い部分を、保護膜を形成しない領域として設
けたので、保護膜形成前に保護膜を形成しない領域に写
真製版でレジストを構成し、保護膜形成後にレジストを
除去するという簡単な工程で、他の部分のダイヤフラム
厚さより薄い部分を設けることができる。

【００４６】実施の形態３．図５および図６はこの発明
の実施の形態３による流量検出素子の断面図と平面図を
示すもので、図における１〜１７および２３は、上記実
施の形態１と同一のものである。この実施の形態では、
発熱抵抗４と５の外周端部とダイヤフラム１２の外周端
部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフ
ラム厚さより薄い薄厚部２４が設けられており、さらに
発熱抵抗４と５の外周端部とダイヤフラム１２の外周端
部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフ
ラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在している。ま
た、この場合も、ダイヤフラム（１２）の中央部は薄厚
部にならないようになっている。

【００４７】薄厚部２４は保護膜３を形成しない領域と
して設けており、保護膜形成前に保護膜３を形成しない
領域に写真製版でレジストを塗布し、保護膜３の形成後
にレジストを除去するという工程で、他の部分のダイヤ
フラム厚さより薄い薄厚部２３を形成している。

【００４８】このように構成された流量検出素子を用い
た場合は、発熱抵抗４と５から平板状基板１に逃げる熱
流を小さくできる。従って平板状基板１へ逃げる熱が流
量の変化時において定常状態に至るまでの時間遅れが流
量センサ出力に与える影響を小さくでき、結果的に応答
性に優れた流量センサとなる。この効果は流量が小さい
ときに特に有効に作用し、また流量センサに電源を投入
した時に正確な流量信号を出力するまでのスタートアッ
プ時間も早くすることができる。薄厚部２４と薄厚でな
い部分が混在していることによってダイヤフラム１２の
機械的強度の低下を極小さく抑えることができる。全周
が支持されたダイヤフラム構造であるため、ブリッジや
片持ち梁の構造に比べると圧倒的に高い強度とすること
ができる。

【００４９】このように本実施の形態では、上流側の発
熱抵抗または下流側の発熱抵抗またはその双方の外周端
部とダイヤフラムの外周端部の間においてダイヤフラム
厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を設け
たので、発熱部（検出部）である上流側あるいは下流側
の発熱抵抗を平板状基板に支持している部分の熱抵抗を
大きくすることができ、上流側あるいは下流側の発熱抵
抗から平板状基板に逃げる熱量を小さくできる。

【００５０】また、上流側の発熱抵抗または下流側の発
熱抵抗またはその双方の外周端部とダイヤフラムの外周
端部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤ
フラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在するように
構成したので、ダイヤフラムの機械的強度の低下を少な
くして、良好な熱絶縁を図ることができる。

【００５１】加えて、上流側の発熱抵抗または下流側の
発熱抵抗またはその双方の外周端部とダイヤフラムの外
周端部の間において、ダイヤフラム厚さが他の部分のダ
イヤフラム厚さより薄い部分を、保護膜を形成しない領
域として設けたので、保護膜形成前に保護膜を形成しな
い領域に写真製版でレジストを構成し、保護膜形成後に
レジストを除去するという簡単な工程で、他の部分のダ
イヤフラム厚さより薄い部分を設けることができる。

【００５２】実施の形態４．図１０および図１１は上記
の各実施の形態に示した流検出素子を用いた流量センサ
の一例を示す正面図および横断面図である。図におい
て、流量センサ５０は、流量検出素子１７と、検出管路
５１と、流体の通路である主通路５２と、格子状の整流
器５３と、上述したような制御回路（図７）が収められ
たケース５４と、流量センサ５０に電源を供給したり、
出力を取り出すためのコネクタ５５とを備える。このよ
うに、実施の形態１〜３の流量検出素子を組み込むこと
により、各実施の形態の効果を有する流量センサが得ら
れる。

【００５３】図１２は上述したような流量センサ５０を
内燃機関の吸気系に搭載した一例を示す構成図である。
図において、空気が吸入される吸気路６０の上流側には
エアクリーナ６１が設けられ、下流側にスロットル弁６
２が設けられ、これらの間に流量センサ５０が設けられ
る。流量センサ５０のコネクタ５４はコントロールユニ
ット６３に電気的に接続され、コントロールユニット６
３の出力により燃料噴射弁６４を制御する。いま、吸気
路６０内のエアクリーナ６１を通過した吸入空気は流量
センサ５０によりその流量が計測される。流量センサ５
０の出力はコントロールユニット６３に入力され、コン
トロールユニット６３は最適な供給ガソリン量を演算し
て、燃料噴射弁６４へ駆動信号を供給する。

【００５４】なお、以上の各実施の形態では全ての図に
おいて分かりやすいようにパターン幅、パターン間距離
を大きめに図示しているが、実際にはさらに細かなパタ
ーンニングがなされる場合もある。

【００５５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、平板状基板の
表面に形成された絶縁性の支持膜と、この支持膜上に計
測流体の流れの方向に対して上流側と下流側に設けら
れ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、この発熱部上
に形成された絶縁性の保護膜とを備え、発熱部の設けら
れた領域の下部にある平板状基板を部分的に除去してダ
イヤフラム構造となし、上流側の発熱部と下流側の発熱
部の間に流れの方向に所定距離の間隔を設けたので、上
流側の発熱部と下流側の発熱部との間の伝導熱量を小さ
くし、上流側の発熱部と下流側の発熱部の間の熱的な干
渉を小さくすることができるため、応答性に優れた流量
検出素子が得られるという効果がある。

【００５６】また、請求項２の発明によれば、上流側の
発熱部と下流側の発熱部の流れ方向に設けられた間隔の
所定距離をＧ、ダイヤフラム厚さをＴとしたときに、所
定距離Ｇとダイヤフラム厚さＴの関係をＧ／Ｔ≧２５と
設定したので、上流側発熱部と下流側発熱部の間の熱的
な干渉を効果的に小さくすることができ、応答性に優れ
た流量検出素子が得られるという効果がある。

【００５７】また、請求項３の発明によれば、平板状基
板の表面に形成された絶縁性の支持膜と、この支持膜上
に計測流体の流れの方向に対して上流側と下流側に設け
られ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、この発熱部
上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、発熱部の設け
られた領域の下部にある平板状基板を部分的に除去して
ダイヤフラム構造となし、上流側の発熱部と下流側の発
熱部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤ
フラム厚さより薄い部分を設けたので、上流側発熱部と
下流側発熱部の間距離を大きくしなくても熱伝導経路の
熱抵抗を大きくすることができ、応答性が良く感度が高
く、また流量計測域の広い流量検出素子が得られるとい
う効果がある。

【００５８】また、請求項４の発明によれば、上流側の
発熱部と下流側の発熱部の間においてダイヤフラム厚さ
が他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分と同一の部
分が混在するので、ダイヤフラムの強度を高めることが
でき、信頼性に優れた流量検出素子が得られるという効
果がある。

【００５９】また、請求項５の発明によれば、ダイヤフ
ラムの中央には薄い部分を形成しないので、最も曲げ応
力のかかるダイヤフラム中央部の強度を高めることがで
き、信頼性に優れた流量検出素子が得られるという効果
がある。

【００６０】また、請求項６の発明によれば、上流側の
発熱部と下流側の発熱部の間においてダイヤフラム厚さ
が他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を、保護膜
を形成しない領域として設けたので、簡単な工程で応答
性に優れた流量検出素子が得られるという効果がある。

【００６１】また、請求項７の発明によれば、平板状基
板の表面に形成された絶縁性の支持膜と、この支持膜上
に計測流体の流れの方向に対して上流側と下流側に設け
られ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、この発熱部
上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、発熱部の設け
られた領域の下部にある平板状基板を部分的に除去して
ダイヤフラム構造となし、上流側の発熱部および下流側
の発熱部の少なくとも一方の外周端部とダイヤフラムの
外周端部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダ
イヤフラム厚さより薄い部分を設けたので、検出部であ
る上流側あるいは下流側の発熱部を平板状基板に支持し
ている部分の熱抵抗を小さくすることができ、応答性に
優れた流量検出素子が得られるという効果がある。

【００６２】また、請求項８の発明によれば、上流側の
発熱部および下流側の発熱部の少なくとも一方の外周端
部とダイヤフラムの外周端部の間においてダイヤフラム
厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分と同一
の部分が混在するので、ダイヤフラムの強度を高めるこ
とができ、信頼性に優れた流量検出素子が得られるとい
う効果がある。

【００６３】また、請求項９の発明によれば、ダイヤフ
ラムの中央には薄い部分を形成しないので、最も曲げ応
力のかかるダイヤフラム中央部の強度を高めることがで
き、信頼性に優れた流量検出素子が得られるという効果
がある。

【００６４】また、請求項１０の発明によれば、上流側
の発熱部と下流側の発熱部の間においてダイヤフラム厚
さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を、保護
膜を形成しない領域として設けたので、簡単な工程で、
応答性に優れた流量検出素子が得られるという効果があ
る。

【００６５】請求項１１の発明によれば、請求項第１項
〜第１０項のいずれかに記載の流量検出素子と、この流
量検出素子の発熱部をそれぞれブリッジの一辺に有する
複数のブリッジ回路を含み、これら複数のブリッジ回路
の出力の差に基づいて計測流体の少なくとも流量を計測
する制御手段とを備えたので、請求項第１項〜第１０項
のいずれかに記載の流量検出素子の効果を有する流量セ
ンサが得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による流量検出素子
を示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による流量検出素子
を示す平面図である。

【図３】 この発明の実施の形態２による流量検出素子
を示す断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態２による流量検出素子
を示す平面図である。

【図５】 この発明の実施の形態３による流量検出素子
を示す断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態３による流量検出素子
を示す平面図である。

【図７】 この発明の各実施の形態で用いられる制御回
路を示す構成図である。

【図８】 図７の制御回路の動作説明に供するための図
である。

【図９】 Ｇ／Ｔと加熱電流変動率の関係を示す図であ
る。

【図１０】 この発明の実施の形態４による流量センサ
を示す正面図である。

【図１１】 この発明の実施の形態４による流量センサ
を示す横断面図である。

【図１２】 この発明の実施の形態４による流量センサ
を内燃機関に搭載した状態を示す構成図である。

【図１３】 従来の流量検出素子を示す側断面図であ
る。

【図１４】 従来の流量検出素子を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 平板状基板、２ 支持膜、３ 保護膜、４ 上流側
の発熱抵抗、５ 下流側の発熱抵抗、１２ ダイヤフラ
ム、１７ 流量検出素子、２３，２４ 薄厚部、３０，
４０ ブリッジ回路、５０ 流量センサ。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状基板の表面に形成された絶縁性の支
   持膜と、 該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して上流側と下
   流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、 該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、上記
   発熱部の設けられた領域の下部にある上記平板状基板を
   部分的に除去してダイヤフラム構造となし、上記上流側
   の発熱部と上記下流側の発熱部の間に流れの方向に所定
   距離の間隔を設けたことを特徴とする流量検出素子。
2. 【請求項２】 上記上流側の発熱部と上記下流側の発熱
   部の流れ方向に設けられた間隔の所定距離をＧ、ダイヤ
   フラム厚さをＴとしたときに、上記所定距離Ｇと上記ダ
   イヤフラム厚さＴの関係を Ｇ／Ｔ≧２５ と設定したことを特徴とする請求項第１項記載の流量検
   出素子。
3. 【請求項３】 平板状基板の表面に形成された絶縁性の
   支持膜と、 該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して上流側と下
   流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、 該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、上記
   発熱部の設けられた領域の下部にある上記平板状基板を
   部分的に除去してダイヤフラム構造となし、上記上流側
   の発熱部と上記下流側の発熱部の間においてダイヤフラ
   ム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分を設
   けたことを特徴とする流量検出素子。
4. 【請求項４】 上記上流側の発熱部と上記下流側の発熱
   部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフ
   ラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在することを特
   徴とする請求項第３項記載の流量検出素子。
5. 【請求項５】 上記ダイヤフラムの中央には薄い部分を
   形成しないことを特徴とする請求項第３項または第４項
   記載の流量検出素子。
6. 【請求項６】 上記上流側の発熱部と上記下流側の発熱
   部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤフ
   ラム厚さより薄い部分を、上記保護膜を形成しない領域
   として設けたことを特徴とする請求項第３項〜第５項の
   いずれかに記載の流量検出素子。
7. 【請求項７】 平板状基板の表面に形成された絶縁性の
   支持膜と、 該支持膜上に計測流体の流れの方向に対して上流側と下
   流側に設けられ、感熱抵抗膜よりなる複数の発熱部と、 該発熱部上に形成された絶縁性の保護膜とを備え、上記
   発熱部の設けられた領域の下部にある上記平板状基板を
   部分的に除去してダイヤフラム構造となし、上記上流側
   の発熱部および上記下流側の発熱部の少なくとも一方の
   外周端部とダイヤフラムの外周端部の間においてダイヤ
   フラム厚さが他の部分のダイヤフラム厚さより薄い部分
   を設けたことを特徴とする流量検出素子。
8. 【請求項８】 上記上流側の発熱部および上記下流側の
   発熱部の少なくとも一方の外周端部とダイヤフラムの外
   周端部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイ
   ヤフラム厚さより薄い部分と同一の部分が混在すること
   を特徴とする請求項７項記載の流量検出素子。
9. 【請求項９】 上記ダイヤフラムの中央には薄い部分を
   形成しないことを特徴とする請求項第７項または第８項
   記載の流量検出素子。
10. 【請求項１０】 上記上流側の発熱部と上記下流側の発
    熱部の間においてダイヤフラム厚さが他の部分のダイヤ
    フラム厚さより薄い部分を、上記保護膜を形成しない領
    域として設けたことを特徴とする請求項第７項〜第９項
    のいずれかに記載の流量検出素子。
11. 【請求項１１】 請求項第１項〜第１０項のいずれかに
    記載の流量検出素子と、 該流量検出素子の発熱部をそれぞれブリッジの一辺に有
    する複数のブリッジ回路を含み、該複数のブリッジ回路
    の出力の差に基づいて計測流体の少なくとも流量を計測
    する制御手段とを備えたことを特徴とする流量センサ。