JP6747124B2

JP6747124B2 - 流量センサ

Info

Publication number: JP6747124B2
Application number: JP2016139245A
Authority: JP
Inventors: 勇希櫻井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: JP2018009889A

Description

本発明は、流体の流量を検出する流量センサに関する。

従来より、例えば特許文献１に示されるように、流体の流量を検出する流量センサが知られている。この種の流量センサは、発熱部および発熱部を挟むように配置された２つの感温部を有する流量検出部が設けられている。発熱部および２つの感温部は流体の流れ方向に沿って配置されており、発熱部の上流側と下流側に配置された感温部による温度検出値の差分を利用し、流量を算出している。

ところが、流体（例えば空気）中に水分が含まれる場合には、水分量（つまり湿度）によって比熱値等が変化するため、検出した流量に誤差が生じる。このような誤差は、特に車両内燃機関の燃料噴射制御のように、高精度の流量測定（空気量）を必要とする用途においては、好ましくない。

そこで、例えば特許文献２では、流量検出部の近傍に湿度検出部を設け、湿度検出部で検出した水分量に基づいて流量検出部で検出した流量を補正することで、流量の検出精度を向上させることが開示されている。この流量センサでは、図８に示すように、流体流れ方向に沿って湿度検出部Ｊ１３０が流量検出部Ｊ１２０の上流側に位置するように直列的に配置し、あるいは図９に示すように、流体の流れ方向に沿って湿度検出部Ｊ１３０が流量検出部Ｊ１２０の少なくとも発熱部よりも上流側に位置するように並列に配置している。

特許第３４６８７３１号公報特開２００８−１５７７４２号公報

ところで、内燃機関の吸気通路では、吸気行程の流体流れ方向αに加えて、圧縮行程における吸気バルブと排気バルブの開閉タイミングに依存する脈動の流体流れ方向βが発生する場合がある。

図８に示す構成では、流体流れ方向αにおいては、湿度検出部Ｊ１３０は流量検出部Ｊ１２０の発熱部による温度分布の影響を受けないが、流体流れ方向βにおいては、湿度検出部Ｊ１３０は流量検出部Ｊ１２０の発熱部による温度分布の影響を受けることになる。また、図９に示す構成では、流体流れ方向α、βいずれにおいても、湿度検出部Ｊ１３０は流量検出部Ｊ１２０の発熱部による温度分布の影響を受けることになる。このため、図８、図９に示す構成では、流体流れ方向が変化した場合に湿度を正確に測定できず、流量の検出精度を担保することができない。

本発明は上記点に鑑み、流体の流量の検出精度を向上させることが可能な流量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、少なくとも発熱部（１２１）を有し、流体の流量を検出する流量検出部（１２０）と、前記流体の流れ方向に沿って前記流量検出部を挟むように設けられ、前記流体の湿度を検出する２つの湿度検出部（１３０、１４０）とを備えることを特徴としている。

これにより、流体の流れ方向が変化した場合においても、２つの湿度検出部のうち流体流れ方向において流量検出部の上流に位置する湿度検出部は、流量検出部の発熱部による熱の影響を受けず、湿度を正確に検出できる。このため、異なる流体流れ方向のそれぞれにおいて流量検出部よりも上流に位置する湿度検出部の検出値を用いて流量検出部で検出した流量を補正することで、流量センサによる流量の検出精度を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の半導体装置を備えるエンジンの概略図である。吸気通路における流体流れ方向を示す図である。半導体装置の概略構成を示す平面図である。流量検出部の概略構成および流体流れ方向が変化した場合の感温部の検出値を示す図である。半導体装置の主要部および流体流れ方向が変化した場合の半導体装置周辺の温度分布を示す図である。流体流れ方向に基づく半導体装置の湿度検出値の出力を示すフローチャートである。第２実施形態の半導体装置の主要部および流体流れ方向が変化した場合の半導体装置周辺の温度分布を示す図である。従来技術の半導体装置の主要部および流体流れ方向が変化した場合の半導体装置周辺の温度分布を示す図である。従来技術の半導体装置の主要部および流体流れ方向が変化した場合の半導体装置周辺の温度分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の流量センサを内燃機関の吸気流量の検出に用いた実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１に示すように、内燃機関１０は、ピストン１１、燃焼室１２、吸気バルブ１３、排気バルブ１４、点火プラグ１５等を備えている。燃焼室１２には、吸気通路１６および排気通路１７が接続されている。燃焼室１２への吸気は吸気通路１６から供給され、燃焼室１２からの排気は排気通路１３に排出される。

吸気通路１６には、吸気通路１６を流れる空気に燃料を噴射する燃料噴射弁１８、吸気通路１６の空気流量を調整するスロットルバルブ１９、吸気通路１６の空気流量を検出する流量センサ１００が設けられている。

図２に示すように、吸気通路１６では、内燃機関１０の行程に依存して流体流れ方向が変化する。具体的には、内燃機関１０の燃焼室１２に向かう流体流れ方向αと、内燃機関１０の燃焼室１２と反対側に向かう流体流れ方向βとが存在する。流体流れ方向αと流体流れ方向βは、反対向きの方向となっている。

内燃機関１０の吸気行程において、流体は流体流れ方向αに流れる。一方、内燃機関１０の圧縮行程において、排気バルブ１４が閉じており吸気バルブ１３に若干の隙間が存在する場合に、脈動が発生して流体は流体流れ方向βに流れる。

図３に示すように、流量センサ１００は、半導体基板１１０を備えた半導体装置として構成されている。半導体基板１１０としては、例えばシリコン基板を用いることができる。半導体基板１１０には、流量センサ１００の主要部である流量検出部１２０、湿度検出部１３０、１４０が設けられている。湿度検出部１３０、１４０は、流量検出部１２０の近傍に設けられている。流量検出部１２０および湿度検出部１３０、１４０は、半導体基板１１０における同一面に設けられている。

図３では、左側から右側に向かう方向が流体流れ方向αとなっており、右側から左側に向かう方向が流体流れ方向βとなっている。これらの流体流れ方向α、βに沿って、２つの湿度検出部１３０、１４０が流量検出部１２０を挟むように配置されている。２つの湿度検出部１３０、１４０は、流量検出部１２０に隣接して配置されている。流体流れ方向αにおいては、第１湿度検出部１３０が流量検出部１２０の上流側に位置し、第２湿度検出部１４０が流量検出部１２０の下流側に位置する。また、流体流れ方向βにおいては、第１湿度検出部１３０が流量検出部１２０の下流側に位置し、第２湿度検出部１４０が流量検出部１２０の上流側に位置する。

図４に示すように、流量検出部１２０は、発熱部１２１および感温部１２２、１２３を備えている。発熱部１２１は発熱抵抗体として構成され、感温部１２２、１２３は測温抵抗体として構成されている。

図４では、左側から右側に向かう方向が流体流れ方向αとなっており、右側から左側に向かう方向が流体流れ方向βとなっている。これらの流体流れ方向α、βに沿って、２つの感温部１２２、１２３が発熱部１２１を挟むように配置されている。流体流れ方向αにおいては、第１感温部１２２が発熱部１２１の上流側に位置し、第２感温部１２３が発熱部１２１の下流側に位置する。流体流れ方向βにおいては、第１感温部１２２が発熱部１２１の下流側に位置し、第２感温部１２３が発熱部１２１の上流側に位置する。

流量検出部１２０では、発熱部１２１によって流体が加熱されることによる温度上昇値を検出することで流体の流量検出が行われる。すなわち、流体流れ方向α、βにおいて、発熱部１２１の上流側および下流側に位置する感温部１２２、１２３による流体の温度検出値Ｔ₁₂₂、Ｔ₁₂₃の差分を利用し、流体の流量を算出している。

流体が流体流れ方向αに流れる場合には、上流側の第１感温部１２２の検出値Ｔ₁₂₂は下流側の第２感温部１２３の検出値Ｔ₁₂₃より低くなる。また、流体が流体流れ方向βに流れる場合には、上流側の第２感温部１２３の検出値Ｔ₁₂₃が下流側の第１感温部１２２の検出値Ｔ₁₂₂より小さくなる。このため、第１感温部１２２および第２感温部１２３の検出値Ｔ₁₂₂、Ｔ₁₂₃を比較することで、流体が流体流れ方向α、βのいずれの方向に流れているのかを判断できる。具体的には、第１感温部１２２の検出値Ｔ₁₂₂＜第２感温部１２３の検出値Ｔ₁₂₃の場合は、流体が流体流れ方向αに流れており、第１感温部１２２の検出値Ｔ₁₂₂＞第２感温部１２３の検出値Ｔ₁₂₃の場合は、流体が流体流れ方向βに流れている。

図３に戻り、湿度検出部１３０、１４０は、所謂容量式の湿度センサとして構成されている。湿度検出部１３０、１４０は、それぞれ図示しない検出電極および参照電極を備えている。そして、検出電極および参照電極を覆うように、半導体基板１１０上に図示しないシリコン窒化膜などの保護膜が形成され、保護膜上に検出電極を覆うように、図示しないポリイミドなどの感湿材料からなる感湿膜が形成されている。湿度検出部１３０、１４０では、検出電極間の静電容量と参照電極間の静電容量との容量差から湿度を検出することができる。

半導体基板１１０には、回路部１５０が設けられている。回路部１５０は、ＭＯＳトランジスタやダイオードなどの素子や配線から構成され、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０、１４０と電気的に接続されている。そして、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０、１４０から出力された信号を処理する信号処理回路や検出時において流量検出部１２０、湿度検出部１３０、１４０に印加される信号を生成する回路などを含んでいる。

半導体基板１１０に構成された回路部１５０の端部には、電極としてのパッド１６０が形成されており、このパッド１６０は、外部出力端子としてのリード１７０とワイヤ１８０を介して接続されている。したがって、回路部１４０と外部（例えば外部ＥＣＵ）とが、リード１７０を介して電気的に信号を授受することができる。

半導体基板１１０は、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０の形成面の裏面を搭載面として、支持部材１９０に例えば接着によって固定されている。本実施形態においては、支持部材１９０が、リード１７０とともにリードフレームの一部として構成されている。

そして、パッド１６０を含み、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０の形成領域を除く半導体基板１１０の一部、この半導体基板１１０の一部に対応する支持部材１９０の一部、ワイヤ１８０およびリード１７０の一部が、エポキシ樹脂などの封止樹脂２００によって一体的に被覆（モールド）されている。

次に、流量検出部１２０における流体流量の検出について説明する。吸気通路１６を通過する空気に水分が含まれる場合には、水分量によって比熱値等が変化し、流量検出部１２０で検出する流量に誤差が生じる。このため、本実施形態の流量センサ１００では、湿度検出部１３０、１４０で検出した湿度に基づいて、流量検出部１２０で検出した流量を補正するように構成されている。

流量検出部１２０を通過する流体は、流量検出部１２０に含まれる発熱部１２１によって加熱されることで流体の温度が上昇する。このため、流量検出部１２０を通過する流体は、流体流れ方向α、βの下流側で温度が高くなる温度分布が生じる。

図５に示すように、２つの流体流れ方向α、βにおいて、流量検出部１２０を通過する流体の温度分布が異なる。このため、流体流れ方向α、βによって、流量検出部１２０を挟んで配置され２つの湿度検出部１３０、１４０が受ける温度分布の影響が異なる。

流体流れ方向αでは、流量検出部１２０の下流側に位置する第２湿度検出部１４０は温度分布の影響を受け、流量検出部１２０の上流側に位置する第１湿度検出部１３０は温度分布の影響を受けない。また、流体流れ方向βでは、流量検出部１２０の下流側に位置する第１湿度検出部１３０は温度分布の影響を受け、流量検出部１２０の上流側に位置する第２湿度検出部１４０は温度分布の影響を受けない。

次に、本実施形態の流量センサ１００による流量の検出を図６を用いて説明する。図６に示すフローチャートは、回路部１４０で行われる処理を示している。

まず、Ｓ１０の処理で、流量検出部１２０によって吸気通路１６を通過する流体の流量を検出する。Ｓ１０の処理では、流量検出部１２０を構成する第１感温部１２２および感温部１２３のそれぞれで流体の温度を検出し、これらの検出値の差分に基づいて流体の流量を取得している。

次に、Ｓ１１の処理で、第１湿度検出部１３０および第２湿度検出部１４０で流体の湿度を検出する。

次に、Ｓ１２の処理で、第１感温部１２２の検出値が第２感温部１２３の検出値を上回っているか否かを判定する。

Ｓ１２の判定処理の結果、第１感温部１２２の検出値が第２感温部１２３の検出値を上回っていないと判定された場合には、流体が流体流れ方向αに流れていると判断できる。このため、Ｓ１３の処理では、流体流れ方向αにおいて流量検出部１２０の上流側に位置する第１湿度検出部１３０の検出値を用い、流量検出部１２０で検出した流量を補正する。

一方、Ｓ１２の判定処理の結果、第１感温部１２２の検出値が第２感温部１２３の検出値を上回っていると判定された場合には、流体が流体流れ方向βに流れていると判断できる。このため、Ｓ１４の処理では、流体流れ方向βにおいて流量検出部１２０の上流側に位置する第２湿度検出部１４０の検出値を用い、流量検出部１２０で検出した流量を補正する。

以上説明した本実施形態によれば、流体流れ方向α、βに沿って、流量検出検出部１２０を挟むように２つの湿度検出部１３０、１４０を設けている。これにより、流体の流れ方向が変化した場合においても、２つの湿度検出部１３０、１４０のうち流体流れ方向α、βにおいて流量検出部１２０の上流に位置する湿度検出部１３０、１４０は、流量検出部１２０の発熱部１２１による熱の影響を受けず、湿度を正確に検出できる。このため、流体流れ方向αまたは流体流れ方向βにおいて流量検出部１２０の上流に位置する湿度検出部１３０、１４０の検出値を用いて流量検出部１２０で検出した流量を補正することで、流量センサ１００による流量の検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、流量検出部１２０に含まれる２つの感温部１２２、１２３の検出値を利用し、流体が流体流れ方向αまたは流体流れ方向βのいずれの方向に流れているのかを判断している。これにより、２つの湿度検出部１３０、１４０のいずれが流体流れ方向における流量検出部１２０の上流側に位置するのかを判断でき、常に流量検出部１２０を構成する発熱部１２１の影響を受けない湿度検出部１３０、１４０の検出値を用いて流量の補正を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図７に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と比較して、湿度検出部１３０、１４０の配置が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

内燃機関１０の吸気行程における流体の流量は、脈動における流体の流量よりも多いことが考えられる。この場合、流体の流量が多い流体流れ方向αと流体の流量が少ない流体流れ方向βでは、流量検出部１２０の発熱部１２１に起因する温度分布は、流量検出部１２０を中心として対称にならない。

図７に示すように、吸気行程における流体の流量が、脈動における流体の流量より十分に多い場合には、流体流れ方向αで図中右側にシフトした温度分布が流体流れ方向βで図中左側にシフトしたとしても、温度分布の中心は流量検出部１２０の中心部よりも右にあることが想定される。

流量流れ方向αで流量検出部１２０の上流側に位置し、流量流れ方向βで流量検出部１２０の下流側に位置する第１湿度調整部１３０は、流量検出部１２０の発熱部１２１による熱の影響を受けにくい。これに対し、流量流れ方向αで流量検出部１２０の下流側に位置し、流量流れ方向βで流量検出部１２０の上流側に位置する第２湿度調整部１４０は、流量検出部１２０の発熱部１２１による熱の影響を受けやすくなる。

このため、本第２実施形態では、流量が異なる２つの流量流れ方向α、βで想定される温度分布に応じて、第１湿度検出部１３０と流量検出部１２０の距離Ｌ１と、第２湿度検出部１４０と流量検出部１２０の距離Ｌ２を異ならせている。具体的には、第１湿度検出部１３０と流量検出部１２０の距離Ｌ１よりも、第２湿度検出部１４０と流量検出部１２０の距離Ｌ２を長くしている。

つまり、流量が多い流体流れ方向αにおいて、流量検出部１２０およびその下流側に位置する第２湿度検出部１４０との距離Ｌ２が、流量が少ない流体流れ方向βにおいて、流量検出部１２０およびその下流側に位置する第１湿度検出部１３０との距離Ｌ１よりも、長くなるようにしている。これにより、流量検出部１２０を挟んで配置された２つの湿度調整部１３０、１４０のそれぞれにおいて、流量検出部１２０の発熱部１２１による熱の影響を受けることを回避できる。

以上説明した本第２実施形態によれば、流体の流量が異なる流体流れ方向α、βで想定される温度分布に応じて、湿度検出部１３０、１４０および流量検出部１２０の距離Ｌ１、Ｌ２を設定している。これにより、流量検出部１２０を挟むように配置された２つの湿度検出部１３０、１４０が、流量検出部１２０の発熱部１２１による熱の影響を受けることを回避でき、精度の高い湿度の検出を可能にすることができる。この結果、流量センサ１００による流量の検出精度を確保することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記各実施形態では、流体検出部１２０に含まれる２つの感温部１２２、１２３での検出値に基づいて流体流れ方向α、βを検出するようにしたが、これに限らず、異なる手段によって流体流れ方向α、βを検出するようにしてもよい。例えば、内燃機関１０のバルブ１３、１４の開閉タイミングと流体流れ方向α、βとの間に相関関係がある場合には、バルブ１３、１４の開閉タイミングに基づいて流体流れ方向α、βを判断してもよい。

また、上記各実施形態では、流量センサ１００に設けられた回路部１４０によって、湿度検出部１３０、１４０で検出した湿度に基づく流量検出部１２０で検出した流量の補正を行うように構成したが、これに限らず、流量センサ１００の外部（例えばＥＣＵのような制御装置）で流量検出部１２０で検出した流量の補正を行うようにしてもよい。

１００流量センサ
１１０半導体基板
１２０流量検出部
１２１発熱部
１２２第１感温部
１２３第２感温部
１３０第１湿度検出部
１４０第２湿度検出部

Claims

少なくとも発熱部（１２１）を有し、流体の流量を検出する流量検出部（１２０）と、
前記流体の流れ方向に沿って前記流量検出部を挟むように設けられ、前記流体の湿度を検出する２つの湿度検出部（１３０、１４０）と、
を備える流量センサ。
前記２つの湿度検出部のうち前記流体の流れ方向の前記流量検出部よりも上流側に位置する湿度検出部の検出値が、前記流量検出部の検出値の補正に用いられる請求項１に記載の流量センサ。
前記流量検出部は、前記流体の流れ方向に沿って前記発熱部を挟むように設けられ、前記流体の温度を検出する２つの感温部（１２２、１２３）を有し、前記２つの感温部の検出値に基づいて前記流体の流れ方向を検出可能である請求項１または２に記載の流量センサ。
前記２つの湿度検出部のそれぞれと、前記流量検出部との間の距離は、前記流体の流れ方向が異なる場合のそれぞれの前記流体の流量に応じて設定されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流量センサ。