JP3817497B2

JP3817497B2 - 熱式流量計測装置

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Publication number: JP3817497B2
Application number: JP2002168008A
Authority: JP
Inventors: 泉渡辺; 潤一堀江; 圭一中田; 圭上山; 雅通山田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: US20060272403A1; US7395707B2; JP2004012358A; US6925866B2; US20050268713A1; EP1376073A2; US7104126B2; EP1376073A3; US20080250856A1; EP1376073B1; US7650784B2; US20040069061A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量を検出する装置に係り、特に内燃機関の流量センサ、あるいは燃料電池システムに用いられる流量センサ等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。最近では特に半導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されてきた。
【０００３】
このような従来の半導体基板を用いた熱式空気流量センサの技術は、例えば特公平６−６３８０１号に開示されている。従来実施例では上流側温度センサと下流側温度センサとの間に配置されたヒータ抵抗に電流を流して発熱させ、上流側温度センサと下流側温度センサとの出力信号の差により流量信号を得る構成のものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、薄肉部に形成された発熱抵抗体の加熱により発熱抵抗体自身の抵抗値が変化してしまうという問題がある。
【０００５】
そのため、前記した特公平６−６３８０１号に記載があるように抵抗値が変化しても流量特性が変化しないように制御回路で補正手段を設けたものも提案されている。
【０００６】
しかし、回路構造が複雑化することや、センサ構造が複雑化するという問題があった。また、回路基板に実装された部品の経時変化に対しては無考慮である。
【０００７】
また、発熱抵抗体の温度は定温度差ブリッジの一辺の抵抗を回路基板上で調整する必要があり、製造コストを上げる原因の一つになっている。
【０００８】
さらに回路基板上に形成された定温度差ブリッジに用いる固定抵抗も実際には僅かに抵抗温度係数を有しており、そのばらつきにより周囲温度が変化した時に発熱抵抗体の加熱温度がばらつくため、温度特性ばらつきの要因になっている。
【０００９】
また、前記の固定抵抗自身も経時変化するため、これが特性変化の要因になっている。
【００１０】
また、最近では電波障害に対する要求も厳しくなってきており、耐電波障害性の改善が必要である。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価で信頼性に優れた温度差制御方式の熱式流量計測装置を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ブリッジ回路の４辺を構成する第１の抵抗体と、第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体に直列に接続された第３の抵抗体と、前記第２の抵抗体に直列に接続された第４の抵抗体とを備え、通電により前記第１の抵抗体を発熱させ、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との温度差をほぼ一定になるように、前記第１の抵抗体への通電を制御する熱式空気流量測定装置であって、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体とが空気に曝されるシリコン基板の片面側に同じ材料で形成され、前記第１の抵抗体の下側の前記シリコン基板には空洞が形成された内燃機関用の熱式空気流量測定装置により達成される。
【００１３】
また、上記目的は、第５の抵抗体と、ブリッジ回路の４辺を構成する第１の抵抗体と、第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体に直列に接続された第３の抵抗体と、前記第２の抵抗体に直列に接続された第４の抵抗体とを備え、通電により前記第５の抵抗体を発熱させ、前記第１の抵抗体が前記第５の抵抗体からの熱を検出し、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との温度差をほぼ一定になるように、前記第５の抵抗体への通電を制御する熱式空気流量測定装置であって、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体とがシリコン基板の片面側に同じ材料で形成され、前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体の下側の前記シリコン基板に空洞が形成された内燃機関用の熱式空気流量測定装置により達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面により説明する。
【００２２】
図１は本発明の第一の実施例である熱式流量計測装置１に用いる流量を検知するための熱式流量センサ素子２６の構造とその配線パターン図である。図２は図１に示す熱式流量センサ素子２６を含めた回路図を示し、図３は実際に熱式流量計測装置１が内燃機関の吸気管内に取り付けられる状態を示す断面図である。以下、図１，図２，図３に基づき本発明の第一の実施例を説明する。
【００２３】
図１に示すように熱式流量センサ素子２６は半導体等の基板２内に薄肉部７を形成し、そこに発熱抵抗体１０、及び上流側温度センサ３０，下流側温度センサ３１を配置し基板２から熱的に絶縁した構造とする。そして発熱抵抗体１０と同じ材料で感温抵抗体１１，１２，１３、を形成した構造である。それぞれの抵抗体は外部と電気的に接続するためのアルミニウム等からなる電極５１を有している。半導体等からなる基板２は例えばシリコン等で形成されており、薄肉部７は基板２の裏面から水酸化カリウムのようなエッチング液を用いて異方性エッチングにより空洞を形成する。このような構成の流量センサ素子２６は基板２の大きさが約２.５mm×６mm×０.３mmで薄肉部７は約０.５mm×１mm 、薄肉部７の厚さは約０.００１５mm 程度のものである。また、感温抵抗体の材料には、一般的にはポリシリコンや単結晶シリコンに不純物をドーピングした抵抗体、または白金，金，銅，アルミニウム，クロム，ニッケル，タングステン，パーマロイ(FeNi)，チタン等が用いられる。
【００２４】
図２に示すように、発熱抵抗体１０は感温抵抗体１１，１２，１３とブリッジ回路を構成しており、発熱抵抗体１０の加熱温度は感温抵抗体１１，１２，１３の抵抗値に基づき決定され、差動増幅器４１，トランジスタ４５等によるフィードバック制御により周囲温度に対してほぼ一定の温度差ΔＴで加熱制御され、かつ周囲温度が同じなら流量に対してほぼ一定温度で加熱制御されている。具体的には、例えばΔＴが１５０℃で制御されている発熱抵抗体１０の場合、周囲温度が２０℃の時は加熱温度は約１７０℃となり、周囲温度が１００℃の時は約250℃となる。
【００２５】
この加熱温度は流量が変わってもほぼ同じになるように制御される。以下これに類する制御方式を簡易的に定温度差制御方式と呼び、その回路を定温度差ブリッジ、あるいは定温度差制御回路と呼ぶことにする。
【００２６】
熱式流量計測装置１の出力４４は発熱抵抗体１０の上下流に形成された温度センサ３０，３１及び、固定抵抗６１，６２で形成された温度センサブリッジで得ることができる。即ち、無風中では上流側温度センサ３０と下流側温度センサ３１の温度は等しいため、上下流温度センサ３０，３１の抵抗値が等しく、かつ固定抵抗６１，６２の抵抗値が等しい場合出力はゼロとなる。
【００２７】
ここに流れが生じて、例えば図１に示すように上流から下流に向けて流体の流れ６が生じると上流側温度センサ３０は冷却され、逆に下流側温度センサ３１は発熱抵抗体１０の熱を受けて温度上昇し、上下流温度センサ３０，３１の抵抗値に差を生じ、これが流量の出力４４となる。同様にして下流側から上流側に流体の流れが生じると出力４４が前述と逆向きに変化するため、逆流を含む流量の検出も可能となる。
【００２８】
本発明の熱式流量計測装置１は、例えば内燃機関の吸入空気流量を検出し、その空気量に見合った燃料をエンジンに供給するために用いられる。そのため、熱式流量計測装置１はエンジンルーム内のエアクリーナー１０２とスロットルボディ１０９の間に設置され、図３に示すように回路基板４，ハウジング３等を含んで構成され、主通路５内に副通路５２を形成し、副通路５２内に熱式流量センサ素子２６を配置した構造である。
【００２９】
エンジンルーム内はエンジン始動時は外気の温度と同じであり、吸入される吸気の温度も−３０℃から４０℃程度の範囲である。一方、暖機後はエンジンからの熱影響により、主通路５表面では最大１２５℃程度、吸気温度は最大１００℃程度まで上昇する。そのため、熱式流量計測装置１は−３０℃から１００℃、あるいは１２５℃程度の広い温度範囲で出力誤差を生じないことを要求されている。従来の熱式流量計測装置１では、発熱抵抗体１０を定温度差制御する定温度差ブリッジ抵抗の一部が回路基板４上に固定抵抗で形成されている。しかし、固定抵抗といっても完全に抵抗温度係数がゼロになるものではなく、一般には０±５０ppm 程度の抵抗温度係数を有しており、この抵抗温度係数ばらつきによって周囲温度が変るとブリッジバランスが狂い、温度特性ばらつきの原因の一つになっている。
【００３０】
また、寒冷地などでは車庫でエンジン暖機され、暖機後に走行する場合が想定される。が、そうすると走行直後は、主通路５表面はエンジンの熱で加熱された状態であるのに対し、吸気は冷えた状態となる。このような過渡状態の場合、吸気に曝される熱式流量センサ素子２６部では冷たく、回路基板４は高温という状態になる。従来例のような場合、回路基板４に実装された定温度差ブリッジ用固定抵抗の抵抗温度係数が完全にゼロであれば問題ないが、前述のように０±５０ppm 程度のばらつきがあると、これがブリッジバランスを狂わせて、出力４４の変動要因になっている。
【００３１】
さらに、発熱抵抗体１０や定温度差ブリッジ抵抗の抵抗値は製造ばらつきがあるため、無調整だと発熱抵抗体１０の加熱温度ばらつきが非常に大きくなってしまう。そのため従来の熱式流量計測装置１では回路基板４上で定温度差ブリッジ用固定抵抗をレーザー等でトリミングして個別調整する必要があり、コストアップの要因となっている。
【００３２】
また、発熱抵抗体１０の加熱温度は、例えば周囲温度に対して１００℃から２００℃程度で用いられるため吸気温度が１００℃の場合、発熱抵抗体１０の温度は最大２００℃から３００℃程度になる。
【００３３】
そのため、長時間使用されると徐々に発熱抵抗体１０の劣化が進行して抵抗値が変化してくる。また、回路基板４の温度も上記と同様の熱影響を受けると同時に、回路基板４表面に実装されたトランジスタ等の発熱部品の熱影響で主通路５の表面温度と同じ１２５℃程度に温度上昇する。従来例のように定温度差ブリッジ用固定抵抗を印刷等で形成したものでは、この固定抵抗も徐々に劣化が進行して抵抗値が変化してくる。この抵抗変化により流量特性が変化するという問題がある。
【００３４】
また、従来は主通路５にアルミニウム等の金属材料が用いられていたが、軽量化のため最近では樹脂材を用いることが主流になりつつある。一方、電波障害に対する要求も厳しくなる傾向にあり、耐電波障害性の向上が必要となっている。
【００３５】
本発明のように、定温度差ブリッジ抵抗を全て同一基板内に感温抵抗体で形成することによる優れた点を以下に説明する。
【００３６】
まず、本発明のように定温度差ブリッジが全て感温抵抗体であっても、正しく動作することを従来例と比較しながら明らかにする。
【００３７】
図２の回路図の中で、定温度差ブリッジは発熱抵抗体１０を含み３つの感温抵抗体１１，１２，１３からなる部分である。図示はしないがこの定温度差ブリッジの中で、感温抵抗体１２，１３が固定抵抗で形成されたものが、従来の定温度差ブリッジ例である。
【００３８】
まず図２に示す定温度差ブリッジにおいて、発熱抵抗体１０の０℃の抵抗値をＲｈ０,感温抵抗体１１の０℃の抵抗値をＲａ０,感温抵抗体１２の０℃の抵抗値をＲｂ０，感温抵抗体１３の０℃の抵抗値をＲｃ０とし、抵抗温度係数〔℃^-1〕が全て同じ値でαであるとすると、任意の温度Ｔ℃における各抵抗値の関係は次式（１），（２），（３），（４）で表すことができる。
【００３９】
Ｒｈ＝Ｒｈ０×（１＋α×Ｔ） …（１）
Ｒａ＝Ｒａ０×（１＋α×Ｔ） …（２）
Ｒｂ＝Ｒｂ０×（１＋α×Ｔ） …（３）
Ｒｃ＝Ｒｃ０×（１＋α×Ｔ） …（４）
ここで、Ｒｈ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃは任意の温度Ｔ℃における抵抗値である。
【００４０】
また、ＲｈはＲａ，Ｒｂ，Ｒｃよりも一定温度ΔＴ℃だけ高くなるように制御されるため、式（１）は次式（５）で表すことができる。
【００４１】
Ｒｈｔ＝Ｒｈ０×（１＋α×（Ｔ＋ΔＴ）） …（５）
ここで、Ｒｈｔは実際の定温度差ブリッジ動作時の抵抗値である。
【００４２】
一方、定温度差ブリッジの平衡条件は次式（６）で表すことができる。
【００４３】
Ｒｈｔ×Ｒｃ＝Ｒａ×Ｒｂ …（６）
式（６）に式（２），（３），（４），（５）を代入し、次式（７）を得る。
【００４４】

ここで、ＲｂとＲｃが同じ温度という条件を加えると、式（７）は次式（８）で示すことができる。
【００４５】

本式（８）はＲｂとＲｃが固定抵抗で形成された場合の平衡条件と全く同じであり、定温度差制御できることを表わしている。
【００４６】
即ち、ＲｂとＲｃが同じ温度になるように構造を工夫することで、全ての定温度差ブリッジ抵抗を感温抵抗体で形成できることに著者らは着目した。
【００４７】
そこでＲｂとＲｃが同じ温度になるよう、基板２に熱伝導率の良いシリコン等を用いてその上にＲｂ，Ｒｃを形成したり、あるいは図１に示すように、感温抵抗体１２，１３（Ｒｂ，Ｒｃ）を近接配置する構造とした。
【００４８】
なお、式（６）から判るようにＲａで周囲温度を検知する代わりにＲｂで周囲温度を検知し、ＲａとＲｃが同じ温度になるようにしても同様に成立する。
【００４９】
本発明のように定温度差ブリッジを同じ材料、同じプロセスで形成すると次のような利点がある。
【００５０】
抵抗値の絶対値ばらつきはプロセス条件にもよるが、およそ±３０％程度になるがＲｈとＲｂの抵抗比Ｒｈ／Ｒｂ、及びＲａとＲｃの抵抗比Ｒａ／Ｒｃは同じプロセスでパターニングされた場合、ほとんどばらつくことはない。また、同じ基板内に全ての抵抗を形成するため抵抗温度係数もほとんどばらつかない。
【００５１】
実際に半導体プロセスを用いて抵抗体をパターニングし、これらの抵抗比を実測すると、Ｒｈ／Ｒｂ、及びＲａ／Ｒｃは±０.０７％以下となる。また抵抗温度係数の絶対値ばらつきはロット間では±１％程度であるが、同一ロット内のしかも同一基板２内ではほぼゼロにできることが判った。
【００５２】
そうすると、表１に示すように本発明を適用することで無調整であっても発熱抵抗体１０の加熱温度ばらつきを±１℃程度にできる。これは従来例の加熱温度ばらつきが±１４℃であるのに対し大幅な改善であり、無調整化が可能なレベルである。
【００５３】
従って本発明の適用により発熱抵抗体１０の加熱温度の調整工程を省略でき、これにより原価低減が可能となる。また、回路基板４上に定温度差ブリッジ用の固定抵抗を形成しないため、回路基板４の小型化も可能である。
【００５４】
また、基板２上に全ての感温抵抗体を形成し、吸気に曝す構造の本発明を適用すると、先述したように主通路５表面や回路基板４が最大１２５℃程度に上昇するのに対して、吸気は１００℃程度にしか上昇しないために熱的に有利である。そのため、Ｒｂ，Ｒｃの経時変化を軽減できる。
【００５５】
しかも、仮にＲｂ，Ｒｃの抵抗が経時変化しても同じ環境条件の熱履歴を受けるためＲｂ，Ｒｃは共に同じような変化を示す。そうすると、定温度差ブリッジのブリッジバランスは変化しないため、発熱抵抗体１０の加熱温度差ΔＴが変化することを防止できる。これにより出力４４の変化を防止でき信頼性向上が可能である。
【００５６】
さらに本発明を適用すれば、温度特性ばらつきも改善されることを図２３，図２４の表１，表２に示す。感温抵抗体の抵抗温度係数ばらつきは図２４に示すように、例えば２０００±２０ppm／℃ である。また、同一基板２内の抵抗温度係数ばらつきはほとんどゼロであり、約±２ppm／℃ である。本発明を適用すると、周囲温度が２０℃の時、発熱抵抗体１０の加熱温度は約１７０℃±２℃である。また、周囲温度が変化し、８０℃になった時の加熱温度は約２４７℃±２℃となり、周囲温度が変化しても加熱温度ばらつきが非常に小さいことが判る。
【００５７】
一方、従来例の場合、回路基板４上に印刷等で形成される固定抵抗Ｒｂ，Ｒｃの抵抗温度係数は基本的には０ppm／℃ であるが、ばらつきが大きく±５０ppm／℃ 程度である。従来例では周囲温度が２０℃の時、発熱抵抗体１０の加熱温度は約１７０℃±３℃と比較的ばらつきが小さくできるものの、周囲温度が８０℃になると加熱温度は約２４７℃±８℃となり、ばらつきが大きくなる。このばらつきにより温度特性ばらつきが大きくなる。
【００５８】
従来発明と本発明の周囲温度を２０℃から８０℃に変えた時の温度特性ばらつきを比較して図４に示す。図４の（ａ）が本発明による温度特性ばらつきであり、（ｂ）が従来発明のばらつきを示している。このように本発明を適用すれば大幅なばらつきの低減が可能となる。
【００５９】
また、本発明のように定温度差ブリッジを全て同一基板２上に形成したものでは、Ｒｂ，Ｒｃの抵抗温度係数ばらつきを非常に小さくできること、及びＲｂ，Ｒｃを近接配置する等で両抵抗に温度差を生じ難くできることから、吸気と回路基板に温度差を生じるような環境条件であっても出力４４の変動を防止できる。
【００６０】
さらに、定温度差ブリッジを全て同じ基板２上に形成するため、各感温抵抗体間の配線を非常に小さくできることから、電波障害に対して有利になる。これは、従来例のように定温度差ブリッジ抵抗が基板２と回路基板４の両方に形成する構造では、その配線部が長くなり、配線部が電波を受けるアンテナになってしまうのに対し、本発明ではそれが無いためである。
【００６１】
なお、上述と同様の効果を得る手段として、例えばＲｈ，Ｒａを一つの基板２に、Ｒｂ，Ｒｃを別の基板２に形成し、これを組み合わせることも考えられる。その場合、工程は増加するが、加熱温度の調整工程を省略したり、温度特性ばらつきを改善したりする効果はほぼ同じであり、Ｒｂ，Ｒｃを発熱抵抗体１０から離せるために熱的に有利である。
【００６２】
また、信頼性向上を主目的とするなら、定温度差ブリッジに用いる全ての抵抗を同じ材料の感温抵抗体で形成するだけでも効果がある。同じ材料であれば、比較的経時変化の傾向が一致するため、定温度差ブリッジのバランスが変化しないためである。
【００６３】
また、上流側温度センサ３０，下流側温度センサ３１材料は種々のものが考えられるが、発熱抵抗体１０，感温抵抗体１１，１２，１３と同じ材料で製作することも可能である。同じ材料を用いれば、一回だけの抵抗形成プロセスで全ての抵抗体が形成できるので製造プロセスの簡略化ができる。
【００６４】
次に本発明のその他の実施例を図６，図７に基づき説明する。
【００６５】
図６は熱式流量センサ素子２６の構造とその配線パターン図である。図７は図６に示す熱式流量センサ素子２６を含めた回路図を示している。熱式流量センサ素子２６の製造方法については、図１で説明したものと類似であり省略する。
【００６６】
図６に示すように、基板２のほぼ中央部付近には薄肉部７が形成され、そこに感温抵抗体２４と発熱抵抗体１０が近接して配置されている。そして発熱抵抗体１０の上下流には上流側温度センサ３０，３３と下流側温度センサ３１，３２が形成された構造である。ここで、発熱抵抗体１０、及び４つの感温抵抗体２２，２３，２４，２５は同じプロセス，同じ材料で形成したものである。もちろん上下流温度センサ３０，３３，３１，３２も同じプロセスで製作したほうが、プロセスが煩雑化しないためより好適である。
【００６７】
図７に示すように感温抵抗体２４は同一基板２内に形成されたその他の感温抵抗体２２，２３，２５と結線されてブリッジを形成している。発熱抵抗体１０が流体の流れによって冷却されると近接配置された感温抵抗体２４も冷却され、ブリッジバランスが変化する。その変化を差動増幅器４１，トランジスタ４５でフィードバック制御することで発熱抵抗体１０を定温度差制御している。
【００６８】
このような発熱抵抗体１０と４つの感温抵抗体２２，２３，２４，２５からなる定温度差制御方式にも本発明を適用でき、これに類する定温度差制御方式も、本発明の定温度差制御回路の概念に含まれ、詳細は省略するが従来から知られているその他の定温度差制御回路にも本発明の概念を適用できる。いずれの場合も定温度差制御には少なくとも４つ以上の感温抵抗体が必要である。
【００６９】
なお、本発明の効果は先述と同様であるため省略する。
【００７０】
次に本発明のその他の実施例を図８，図９に基づき説明する。
【００７１】
図８は熱式流量センサ素子２６の構造とその配線パターン図である。図９は図８に示す熱式流量センサ素子２６を含めた回路図を示している。熱式流量センサ素子２６の製造方法については、図１で説明したものと類似であり省略する。
【００７２】
図８に示すように、基板２には薄肉部７が形成され、そこに二つの発熱抵抗体１４，１８が流体の流れに対して上下流に近接して配置されている。そして、上流側の発熱抵抗体１４には三つの感温抵抗体１５，１６，１７が結線され、下流側の発熱抵抗体１８には３つの感温抵抗体１９，２０，２１が結線され、全ての抵抗体が同じプロセス、同じ材料の感温抵抗体で形成されている。そして発熱抵抗体１４，１８は図９に示すようにそれぞれ独立した定温度差ブリッジで動作される。流体の流れ６が生じると上流側発熱抵抗体１４の熱を下流側発熱抵抗体１８で受け取るため、下流側発熱抵抗体１８の放熱量が減少し、逆向きの流れが生じると上流側発熱抵抗体１４の放熱量が減少する。これを利用し、流体の流れ方向出力４７と流量の出力４４を得ることができる。
【００７３】
このような方式の熱式流量計測装置１の場合は特に本発明の適用が有効である。
【００７４】
即ち、二つの発熱抵抗体１４，１８の加熱温度差ΔＴは周囲温度が変化した時や流量が変化した時に、ほぼ同じように動作しないと誤差要因となる。本発明のように二つの定温度差ブリッジの全抵抗を同じ感温抵抗体で形成すれば、二つの定温度差ブリッジの抵抗比と抵抗温度係数をほぼ同じにできるので常に同じように動作させることができる。また、図８に示すように両定温度差ブリッジの感温抵抗体１５，１９を近接配置して出来るだけ同じ温度になるようにし、同様に感温抵抗体１６，１７，２０，２１を近接配置し、出来るだけ同じ温度になるようにする等を実施すると、両発熱抵抗体１４，１８の加熱温度差ΔＴがより一層同じように動作するため、より高精度化を図ることが可能である。その他の効果は先述と同様であり省略する。
【００７５】
次に本発明のその他の実施例を図１０に基づき説明する。
【００７６】
図１０は熱式流量センサ素子２６の構造とその配線パターン図である。基板２には厚さ約０.１mm のアルミナ製セラミック基板を用い、基板２の片面に白金等の薄膜をスパッタ後にパターニングで発熱抵抗体１０、及び感温抵抗体１１，１２，１３を形成したものである。
【００７７】
そして、発熱抵抗体１０、及び感温抵抗体１１，１２，１３を結線して定温度差ブリッジとしたものである。図１０に示すように発熱抵抗体１０と感温抵抗体１１，１２，１３の間にスリット５４を形成し、発熱抵抗体１０からの熱伝導を防止すれば、本発明の適用が可能である。なお、効果は先述と同様であり省略する。
【００７８】
次に本発明のその他の実施例を図１１に基づき説明する。
【００７９】
図１１に示すように基板２には薄肉部７が形成され、薄肉部７は基板２から熱絶縁されている。その薄肉部７には発熱抵抗体１０が形成され、さらに発熱抵抗体１０には電気的に結線された感温抵抗体１１，１２，１３，１３ａ，１３ｂが設けられている。感温抵抗体１３ａ，１３ｂの抵抗値は感温抵抗体１３の１０％以下である。ここで、発熱抵抗体１０の動作時の抵抗をＲｈｔ、感温抵抗体１１の動作時の抵抗値をＲａ、感温抵抗体１２の動作時の抵抗値をＲｂ、感温抵抗体１３の動作時の抵抗値をＲｃとし、感温抵抗体１３ａの動作時の抵抗値をＲｃａとし、感温抵抗体１３ｂの動作時の抵抗値をＲｃｂとし、抵抗温度係数が全て同じ値でαであるとし、例えば次式（９）で表されるブリッジを形成していると仮定する。
【００８０】
Ｒｈｔ×Ｒｃ＝Ｒａ×Ｒｂ …（９）
加熱温度は図２３，図２４に示したように±１℃ないしは±２℃程度のばらつきがあり、完全にばらつきを無くすことはできない。そこで更なる高精度化を図るためには、Ｒｃに接続されたＲｃａ，Ｒｃｂを用いて次式（１０），（１１），（１２）に示すようにブリッジバランスを変えてやるとより好適である。
【００８１】
Ｒｈｔ×（Ｒｃ＋Ｒｃａ）＝Ｒａ×Ｒｂ …（１０）
Ｒｈｔ×（Ｒｃ＋Ｒｃｂ）＝Ｒａ×Ｒｂ …（１１）
Ｒｈｔ×（Ｒｃ＋Ｒｃａ＋Ｒｃｂ）＝Ｒａ×Ｒｂ …（１２）
式（９），（１０），（１１），（１２）に示す抵抗の組み合わせは電極５１の結線を変えれば良く、工程的にはレーザー等によるトリミング等の調整が不要であるため安価である。特に、抵抗温度係数のばらつきに起因する加熱温度のばらつきを吸収するのに有効である。
【００８２】
抵抗温度係数は同じロット内では大きなばらつきを生じないため、ロットによって電極５１の結線を変えればよいだけである。そのため基本的に無調整である。図示したＲｃａ，Ｒｃｂのような加熱温度を微調整する感温抵抗体は、直列抵抗で形成しても並列抵抗で形成してもよく、また、基板２に余裕があるなら数を増やせばそれだけ高精度化を達成できる。
【００８３】
なお、ここで説明した微調整用の感温抵抗体は、式（９）から判るように定温度差ブリッジを構成するいずれのブリッジ抵抗と組み合わせても同様に成立する。
【００８４】
次に本発明のその他の実施例を以下説明する。
【００８５】
図４に示したように温度特性は低流量ではマイナス誤差に、高流量ではプラス誤差になるといった流量依存性を有している。定温度差ブリッジを全て感温抵抗体で形成すると、温度特性のばらつきは軽減可能であるが、このような流量依存性の改善は困難である。
【００８６】
この流量依存性に基づく誤差を軽減するため、図１１に示すように基板２に温度センサ８を形成し、この温度センサ８で検出した温度と熱式流量センサ素子２６の流量出力が得られる構成とする。そして図１２に示すように熱式流量センサ素子２６の流量出力と温度センサ出力を補正回路４６に入力し、そこで流量依存性を補正して出力することでより一層の温度特性誤差の軽減が可能である。
【００８７】
温度センサ８は特に定温度差ブリッジに用いる材料で形成するのが良い。同じ材料を用いて同時プロセスで形成すれば、同じ抵抗温度係数にできるため流量依存性の補正が比較的容易である。
【００８８】
なお、発熱抵抗体１０は薄肉部７に形成されて熱的に基板２から絶縁されてはいるものの、僅かではあるが基板２に熱を伝えること、及び感温抵抗体１１，１２，１３等も僅かに発熱することから基板２が小さい場合や基板２の放熱性が悪いと温度上昇する。その場合、温度センサ８も温度上昇してしまうので、流量依存性の補正に誤差を生じる可能性がある。そこで図１１に示したように第二の薄肉部７ａに温度センサ８を配置して基板２から熱絶縁すると、より効果的である。
【００８９】
また、誤差はやや増えるが温度センサは補正回路４６内に内蔵させても良く、その場合は温度センサ８と補正回路４６を接続する配線等は不要である。
【００９０】
なお、ここで述べた温度センサ８はそのままエンジン制御に用いる吸気温度の検出にも用いることも可能である。特に第二の薄肉部７ａに温度センサ８を配置した構造のものは応答性も早く、より好適である。
【００９１】
次に本発明の応用例を図１３に基づき説明する。
【００９２】
図１３に示すように定温度差ブリッジを全て感温抵抗体で形成すれば、熱式流量センサ素子２６と差動増幅器４１，トランジスタ４５，補正回路４６等を同じ半導体からなる一つの基板２内に形成することも可能となる。
【００９３】
従来例では一体化しても、定温度差ブリッジ用の固定抵抗があることや加熱温度の調整があることから、基板とは別の回路基板４等が必要であった。本発明のように定温度差ブリッジ抵抗を全て同じ感温抵抗体で形成すると、回路基板４が不要となり更なる小型化と原価低減が可能である。
【００９４】
そして一体化することで最も有利な点は熱式流量センサ素子２６部が吸気によって冷却されると、同じ基板２内に形成された差動増幅器４１，トランジスタ４５，補正回路４６等も同時に冷却されるため、熱式流量センサ素子２６と常に同じ温度になっていることである。
【００９５】
これにより、従来例では吸気温度と回路基板４に温度差ができたり、回路基板４内に温度ムラができると、回路基板４上に実装された電子部品の温度特性が複雑に変動するため、出力４４の誤差を生じていたが、本発明を適用すれば、誤差を大幅に軽減できる。副通路５２は曲がりを有するものであっても良い。曲がりのある副通路を用いれば、多くの抵抗や回路が形成された熱式流量センサ素子２６を流れに含まれるちりや液滴，バックファイヤーからより保護することができる。
【００９６】
次に本発明のその他の実施例を図１４，図１５，図１６、及び図５に基づき説明する。
【００９７】
図１４は熱式流量センサ素子２６の部分拡大図であり、図１５，図１６は図１４の断面Ａ−Ａの温度分布の例である。図５は発熱抵抗体１０を約２５０℃で通電加熱した時の抵抗変化例を示している。
【００９８】
図１４に示すように、熱式流量センサ素子２６は発熱抵抗体１０、及び感温抵抗体１１，１２，１３が設けられている。ここで、発熱抵抗体１０の動作時の抵抗をＲｈｔ，感温抵抗体１１の動作時の抵抗値をＲａ，感温抵抗体１２の動作時の抵抗値をＲｂ，感温抵抗体１３の動作時の抵抗値をＲｃとし、抵抗温度係数が全て同じ値でαであるなら、例えば次式（１３）で表される定温度差ブリッジを形成できる。
【００９９】
Ｒｈｔ×Ｒｃ＝Ｒａ×Ｒｂ …（１３）
常時加熱して使用される発熱抵抗体は、図５に示すように徐々に抵抗変化する。図５の（Ｘ）はポリシリコン薄膜抵抗体、（Ｙ）は白金薄膜抵抗体の経時変化の様子を示したものであり、このように発熱抵抗体１０に使用する材料によって変化の傾向が違っている。
【０１００】
まず、ポリシリコン薄膜抵抗体のように徐々に抵抗値が増加する場合の温度分布の変化について図１５に基づき説明する。発熱抵抗体１０の抵抗値、即ちＲhtが経時劣化で増加しても、式（１３）のブリッジバランスは変化しないので、Ｒｈｔの抵抗増加分だけ加熱温度が低下することになる。
【０１０１】
その実測例が図１５であり、図１５（ａ）は抵抗変化前、（ｂ）は抵抗変化後の温度分布である。（ａ），（ｂ）を比較すると温度分布は一様に変化するのではなく、温度が高いところほど変化量が少ないことが判る。
【０１０２】
その理由は、高温部ほど経時変化が顕著で抵抗増加が大きいためであり、他の部分に比べて抵抗増加分だけジュール熱が増加するためである。
【０１０３】
この温度分布変化を積極的に利用すると、発熱抵抗体１０の抵抗経時変化による加熱温度の低下を防止できる。即ち、図１４に示すように発熱抵抗体１０の温度が最も高い領域の近傍にＲｂを形成し、低い領域の近傍にＲｃを形成する。
【０１０４】
発熱抵抗体１０は薄肉部７に形成されており、熱的に断熱されてはいるが僅かに熱が基板２に伝導しているので、このパターン配置の違いによりＲｂとＲｃに僅かな温度差が生じることになる。
【０１０５】
経時変化により、図１５（ａ）に示す温度分布から図１５（ｂ）に示す温度分布に変化するとＲｂ部ではほとんど温度変化がないが、Ｒｃ部は僅かに温度低下することになる。そのためＲｃの抵抗値が低下してブリッジバランスが変化し、結果として加熱温度の低下を防止できることになる。なお、Ｒｃ，Ｒｂのパターンの一部を薄肉部７に配置し、より積極的にこの温度分布変化を利用することも考えられる。
【０１０６】
このようにして発熱抵抗体１０の加熱温度変化を防止できれば、出力４４の特性変化を防止できる。
【０１０７】
なお、本発明の概念は図１，図６，図８等の熱式流量センサにももちろん適用可能であり、効果は同じである。
【０１０８】
次に、白金薄膜抵抗体のように徐々に抵抗値が減少する場合の温度分布変化について図１６に基づき説明する。発熱抵抗体１０が経時変化して抵抗減少すると、前述のポリシリコン薄膜抵抗体の場合とは逆に加熱温度が上昇する。その実測例が図１６であり、（ａ）は抵抗変化前、（ｃ）は抵抗変化後の温度分布である。（ａ），（ｃ）を比較すると判るように温度分布は一様に変化するのではなく、温度が高いところほど変化量が少ない。その理由は、高温部ほど経時変化が顕著で抵抗減少が大きいためであり、他の部分に比べて抵抗減少分だけジュール熱が低下するためである。
【０１０９】
パターン配置も先述と全く同じであり、図１４に示すように発熱抵抗体の温度が最も高い領域の近傍にＲｂを形成し、低い領域の近傍にＲｃを形成する。そうすると経時変化により、温度分布が変化するとＲｂではほとんど温度変化がないが、Ｒｃは僅かに温度上昇するため、Ｒｃの抵抗値が増加し、結果として加熱温度の上昇を防止できることになる。
【０１１０】
次に本発明のその他の実施例を図１７，図１８に基づき説明する。
【０１１１】
図１７は熱式流量センサ素子２６の構造とその配線パターン図である。図１８は図１７に示す熱式流量センサ素子２６を含めた回路図を示している。
【０１１２】
図１７に示すように、発熱抵抗体１０の配線の途中から感温抵抗体２２と接続すると、発熱抵抗体１０と電極５１間の無駄な抵抗を減らすことが出来る。配線抵抗が小さくなればその分だけ発熱抵抗体加熱に必要な電源４２の電圧を小さくできる。特に自動車用では１２Ｖのバッテリーが用いられ、特にエンジン始動時は電圧が６Ｖ程度にまで落ちることもあるため、この駆動電圧が低いほど熱式流量計測装置１として有利である。
【０１１３】
一方、本構成にすると差動増幅器４１に入力するための配線部に引出し感温抵抗体２２が形成されることになる。この抵抗が温度によって変化すると差動増幅器４１の入力電圧が変化し、発熱抵抗体１０の加熱温度変化となって現れる。
【０１１４】
そこで、本発明では差動増幅器４１へ入力されるもう一方の配線部に前述の引出し感温抵抗体２２と抵抗値がほぼ等しい引出し感温抵抗体２３を同時プロセスで形成したものである。
【０１１５】
その回路図を図１８に示す。本構成のように定温度差ブリッジから差動増幅器４１に入力される配線部には引出し感温抵抗体２２，２３が形成されているが、これらの抵抗値が同じ値で、同じ抵抗温度係数を有しているなら、加熱温度が変化することはない。従って、本発明を適用すれば、温度特性ばらつきを生じることなく電源電圧を下げる効果がある。
【０１１６】
次に本発明のその他の実施例を以下に説明する。
【０１１７】
まず、図２３，図２４で前述した発熱抵抗体１０の加熱温度について補足する。表２の発熱抵抗体１０の加熱温度は周囲温度が２０℃の時１７０℃であり、周囲温度に対する温度差ΔＴで表すと１５０℃である。同様に周囲温度が８０℃の時はΔＴ１６７℃（２４７℃−８０℃）である。
【０１１８】
即ち上述の定温度差ブリッジは周囲温度が上がるほど、ΔＴがやや増加する傾向にある。高温時に発熱抵抗体１０の温度が高いということはそれだけ経時変化に対して余裕がなくなる。
【０１１９】
従来例では、周囲温度変化時の発熱抵抗体１０のΔＴが任意に変えられるように、工夫をしたものもある。その一例として図２２の回路図に示すように、定温度差ブリッジの感温抵抗体１１に直列に固定抵抗６７を接続した構成のものが知られている。
【０１２０】
そこで本発明では感温抵抗体を用いて同様の効果を得る手段を考案した。
【０１２１】
以下、図１９，図２０に基づき本発明の実施例について説明する。
【０１２２】
図１９は熱式流量センサ素子２６の構造であり、発熱抵抗体１０、及び感温抵抗体１１，１２，１３を同じ材料，プロセスで形成する。材料にポリシリコン薄膜抵抗体を用いた場合の抵抗温度係数はおよそ２０００ppm／℃ である。そして、別の抵抗温度係数を有する、例えば白金薄膜抵抗体で第二の感温抵抗体２４，２５を形成し、前記の感温抵抗体１３と電気的に接続する。白金薄膜抵抗体の抵抗温度係数は約３０００ppm／℃ である。
【０１２３】
その回路図を図２０に示す。このような組み合わせを行うと、感温抵抗体１３と第二の感温抵抗体２４，２５を組み合わせた部分が、他の感温抵抗体１２に比べて周囲温度変化に対する抵抗変化が大きくなる。
【０１２４】
そのため第二の感温抵抗体２４，２５の抵抗値を適切に設定することで周囲温度が上がった時の発熱抵抗体１０のΔＴを任意に下げることが可能となる。
【０１２５】
なお、電極材５１と第二の感温抵抗体２４，２５を同じ材料で形成することも可能でありその場合には第二の感温抵抗体２４，２５を形成するために新たに工程を追加しなくても実施可能である。これらの材料としては比較的抵抗温度係数の高い白金薄膜やアルミニウム薄膜等が適している。
【０１２６】
なお、発熱抵抗体１０、及び感温抵抗体１１，１２，１３のほうが第二の感温抵抗体２４，２５よりも抵抗温度係数が高い場合も考えられる。その場合には、感温抵抗体１１か感温抵抗体１２に第二の感温抵抗体２４，２５を組み合わせれば同じ効果が得られる。
【０１２７】
また、図５を用いて説明したようにポリシリコン薄膜のような半導体材料と白金薄膜のような金属材料では抵抗経時変化の傾向が逆向きである。従って本発明を適用すると、例えば発熱抵抗体では経時変化で抵抗が増加しても、第二の感温抵抗体では抵抗が減少するため、発熱抵抗体の加熱温度が変化するのを軽減できる。従って信頼性の高い熱式流量計測装置１を提供できるという効果もある。
【０１２８】
図２４は内燃機関、特にガソリンエンジンに用いられる実施例。エンジンへの吸入空気１０１はエアクリーナー１０２，ボディ１０５，ダクト１０６，スロットル角度センサ１０７，アイドルエアーコントロールバルブ１０８，スロットルボディ１０９が吸気マニホールド１１０と一体になる吸気通路を流れる途中の通路あるいはバイパス通路中で、本発明を施した熱式流量計測装置１に流量を検知され、該信号が電圧，周波数等の信号形態で、コントロールユニット１１１に取り込まれ、インジェクタ１１２，回転速度計１１３，エンジンシリンダ１１４，排気マニホールド１１５，ガス１１６，酸素濃度計１１７から構成される燃焼部構造及びサブシステムの制御に用いられる一実施例。
【０１２９】
なお、ディーゼルエンジンの場合も基本構成はほぼ同じであり本発明を適用できる。すなわちディーゼルエンジンのエアクリーナー１０２と吸気マニホールド１１５の途中に配置した本発明の熱式流量計測装置１により流量が検知され、該信号がコントロールユニット１１１に取り込まれる構成である。
【０１３０】
また、最近では自動車の排気ガス規制強化や大気汚染防止といった社会的な要請から、プロパンガス車や天然ガス車、あるいは水素と酸素を燃料とした燃料電池を用いて発電し、モーター駆動で自動車を動かす等の研究が盛んになっている。
【０１３１】
これらの流量を検知して燃料供給量を適正に制御するシステムへ、本発明の熱式流量計測装置を適用することも可能である。
【０１３２】
【発明の効果】
本発明によれば、安価で信頼性に優れた温度差制御方式の熱式流量計測装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図２】図１に示す熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図３】図１に示す熱式流量センサ素子を有する熱式流量計測装置を示す断面図である。
【図４】本発明による熱式流量計測装置の温度特性ばらつきを説明するための図である。
【図５】発熱抵抗体の抵抗経時変化の一例を説明するための図である。
【図６】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図７】図６に示す熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図８】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図９】図８に示す熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図１０】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図１１】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図１２】本発明による熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図１３】本発明による熱式流量センサ素子を有する熱式流量計測装置を示す断面図である。
【図１４】本発明による熱式流量センサ素子の部分拡大図である。
【図１５】図１４に示す本発明の効果を説明するための発熱抵抗体の温度分布図である。
【図１６】図１４に示す本発明の効果を説明するための発熱抵抗体の温度分布図である。
【図１７】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図１８】図１７に示す熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図１９】本発明による熱式流量センサ素子の配線パターン図である。
【図２０】熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図２１】本発明による内燃機関のシステム図。
【図２２】従来発明による熱式流量センサ素子を含む回路図である。
【図２３】本発明による熱式流量計測装置の効果を説明するための表である。
【図２４】本発明による熱式流量計測装置の効果を説明するための表である。
【符号の説明】
１…熱式流量計測装置、２…基板、３…ハウジング、４…回路基板、５…主通路、６…流体の流れ、７，７ａ…薄肉部、８…温度センサ、９…樹脂封止、１０，１４，１８…発熱抵抗体、１１，１２，１３，１３ａ，１３ｂ，１５，１６，１７，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５…感温抵抗体、２６…熱式流量センサ素子、４６…補正回路、４７…流れ方向出力、５１…電極。

Claims

ブリッジ回路の４辺を構成する第１の抵抗体と、第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体に直列に接続された第３の抵抗体と、前記第２の抵抗体に直列に接続された第４の抵抗体とを備え、
通電により前記第１の抵抗体を発熱させ、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との温度差をほぼ一定になるように、前記第１の抵抗体への通電を制御する熱式空気流量測定装置であって、
前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体とが空気に曝されるシリコン基板の片面側に同じ材料で形成され、
前記第１の抵抗体の下側の前記シリコン基板には空洞が形成された内燃機関用の熱式空気流量測定装置。
第５の抵抗体と、
ブリッジ回路の４辺を構成する第１の抵抗体と、第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体に直列に接続された第３の抵抗体と、前記第２の抵抗体に直列に接続された第４の抵抗体とを備え、
通電により前記第５の抵抗体を発熱させ、前記第１の抵抗体が前記第５の抵抗体からの熱を検出し、
前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との温度差をほぼ一定になるように、前記第５の抵抗体への通電を制御する熱式空気流量測定装置であって、
前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体と前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体とがシリコン基板の片面側に同じ材料で形成され、
前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体の下側の前記シリコン基板に空洞が形成された内燃機関用の熱式空気流量測定装置。
請求項１または２において、
前記第１の抵抗体，前記第２の抵抗体，前記第３の抵抗体及び前記第４の抵抗体が同じプロセスで形成されたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１または２において、
前記第１の抵抗体，前記第２の抵抗体，前記第３の抵抗体及び前記第４の抵抗体がほぼ同じ抵抗温度係数を有することを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１または２において、
前記発熱抵抗体の両側に温度検出手段を備えたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１または２において、
前記第３の抵抗体及び前記第４の抵抗体とが近接して配置されたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１または２において、
前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体とが絶縁層を介してシリコン基板上に設置されたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項２において、
前記第１の抵抗体，前記第２の抵抗体，前記第３の抵抗体，前記第４の抵抗体及び前記第５の抵抗体が同じプロセスで形成されたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項２において、
前記第１の抵抗体，前記第２の抵抗体，前記第３の抵抗体，前記第４の抵抗体及び前記第５の抵抗体がほぼ同じ抵抗温度係数を有することを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１または２において、
前記片面側には更に、信号を補正する補正回路が形成されていることを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１〜１０のいずれかにおいて、
回路基板を収納するとともに副通路を構成するハウジングを備え、
前記シリコン基板が前記副通路に設置されたことを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１０において、
エンジンの吸気通路中に前記回路基板及び前記副通路が設置されるエンジン用の熱式流量計測装置。